DE102017120366A1 - Method, apparatus, computer program and computer program product for motion planning of a system - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Ermitteln eines Bewegungsplans wird ein Initialzustand ermittelt. Abhängig von dem Initialzustand wird ein erstes invariantes Set ermittelt. Ein Endzustand wird ermittelt. Abhängig von dem Endzustand wird ein zweites invariantes Set ermittelt. Abhängig von dem Initialzustand und dem Endzustand wird ein Bewegungsplan ermittelt. Vor Durchführung des Bewegungsplans wird der Bewegungsplan verifiziert, wobei bei der Verifikation eine Überprüfung einer vorgegebenen Menge an Annahmen erfolgt. Ein erstes Intervall ermittelt wird, in dem eine Rückkehr zu dem ersten invarianten Set letztmalig und sicher möglich ist unter Anwendung einer kollisionsfreien Trajektorie. Ein zweites Intervall ermittelt wird, in dem ein Erreichen des zweiten invarianten Sets erstmals und sicher möglich ist unter Anwendung einer kollisionsfreien Trajektorie. Falls bei Durchführung des Bewegungsplans eine Annahme der Menge an Annahmen verletzt wird, wird abhängig von dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall wird eine Trajektorie zu dem ersten invarianten Set oder zu dem zweiten invarianten Set ermittelt. In a method for determining a movement plan, an initial state is determined. Depending on the initial state, a first invariant set is determined. A final state is determined. Depending on the final state, a second invariant set is determined. Depending on the initial state and the final state, a motion plan is determined. Prior to the execution of the movement plan, the movement plan is verified, wherein the verification is a review of a predetermined set of assumptions. A first interval is determined in which a return to the first invariant set is possible for the last time and safely using a collision-free trajectory. A second interval is determined in which a reaching of the second invariant set is first and certainly possible using a collision-free trajectory. If an assumption of the set of assumptions is violated when carrying out the movement plan, a trajectory to the first invariant set or to the second invariant set is determined depending on the first interval and the second interval.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungsplanung eines Systems. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Bewegungsplanung eines Systems. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm und ein Computerprogramprodukt zur Bewegungsplanung eines Systems.The invention relates to a method for motion planning of a system. The invention further relates to a device for motion planning of a system. The invention further relates to a computer program and a computer program product for motion planning of a system.
Bei vielen Systemen, insbesondere bei Fahrzeugen, ist Sicherheit der wichtigste Aspekt um eine kollisionsfreie Bewegung in dynamischen Umgebungen durchzuführen.For many systems, especially vehicles, safety is the most important aspect to perform collision-free motion in dynamic environments.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist zu einer hohen Sicherheit bei der Bewegung eines Systems beizutragen.The object underlying the invention is to contribute to a high degree of safety in the movement of a system.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zur Bewegungsplanung eines Systems. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zur Bewegungsplanung eines Systems, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist das Verfahren oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens durchzuführen.The invention is characterized by a method for motion planning of a system. The invention is further characterized by a device for motion planning of a system, wherein the device is designed to perform the method or an optional embodiment of the method.
Bei dem Verfahren wird ein Initialzustand ermittelt, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem initialen Zeitpunkt. Abhängig von dem Initialzustand wird ein erstes invariantes Set ermittelt, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist. Ein Endzustand wird ermittelt, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem Zielzeitpunkt. Abhängig von dem Endzustand wird ein zweites invariantes Set ermittelt, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist. Abhängig von dem Initialzustand und dem Endzustand wird ein Bewegungsplan ermittelt, der repräsentativ ist für eine Bewegung von dem Initialzustand in den Endzustand. Vor Durchführung des Bewegungsplans wird der Bewegungsplan verifiziert, wobei bei der Verifikation eine Überprüfung einer vorgegebenen Menge an Annahmen erfolgt. Ein erstes Intervall wird ermittelt, in dem ein Punkt ohne Wiederkehr, PNR, liegt, der repräsentativ ist für einen Zustand, in dem eine Rückkehr zu dem ersten invarianten Set letztmalig und sicher möglich ist unter Anwendung einer kollisionsfreien Trajektorie. Ein zweites Intervall wird ermittelt, in dem ein Punkt der garantierten Ankunft, PGA, liegt, der repräsentativ ist für einen Zustand, in dem ein Erreichen des zweiten invarianten Sets erstmals und sicher möglich ist unter Anwendung einer kollisionsfreien Trajektorie. Falls bei Durchführung des Bewegungsplans eine Annahme der Menge an Annahmen verletzt wird, wird abhängig von dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall eine Trajektorie zu dem ersten invarianten Set oder zu dem zweiten invarianten Set ermittelt.In the method, an initial state is determined which is representative of a state of the system at an initial time. Depending on the initial state, a first invariant set is determined which is representative of states in which the system is safe. A final state is determined which is representative of a state of the system at a target time. Depending on the final state, a second invariant set is determined which is representative of states in which the system is safe. Depending on the initial state and the final state, a motion plan is determined which is representative of a movement from the initial state to the final state. Prior to the execution of the movement plan, the movement plan is verified, wherein the verification is a review of a predetermined set of assumptions. A first interval is determined in which there is a point of no return, PNR, which is representative of a state in which a return to the first invariant set is possible for the last time and safely using a collision-free trajectory. A second interval is determined in which there is a point of guaranteed arrival, PGA, which is representative of a state in which reaching the second invariant set is first and certainly possible using a collision-free trajectory. If an assumption of the set of assumptions is violated when carrying out the movement plan, a trajectory to the first invariant set or to the second invariant set is determined depending on the first interval and the second interval.
Durch obiges Verfahren kann eine sehr sichere Bewegung realisiert werden. Der Bewegungsplan wird so lange standardmäßig von dem System abgefahren, bis eine vorgegebene Annahme verletzt wird. Anschließen wird eine sehr sichere Trajektorie je nach aktueller Position, Position des PGA und PNR entweder zurück in das erste invariante Set oder in das zweite invariante Set ermittelt, um die Sicherheit des Systems zurückzuerlangen. Somit kann das Verfahren beliebig verwendet werden, beispielsweise bei Umfahrungen von Hindernissen oder bei Spurwechseln oder Ähnlichem.By the above method, a very safe movement can be realized. The motion plan will be traversed by default by the system until a given assumption is violated. Subsequently, a very safe trajectory is determined, depending on the current position, position of the PGA and PNR, either back into the first invariant set or into the second invariant set to regain the security of the system. Thus, the method can be used arbitrarily, for example, when bypassing obstacles or lane changes or the like.
Falls keine vorgegebene Annahme verletzt wird, wird der ermittelte Bewegungsplan weiter durchgeführt.If no predefined assumption is violated, the determined movement plan is continued.
Das System kann beispielsweise ein Kraftwerk, ein Industrieroboter, ein geregelter Herstellungsprozess sein, insbesondere ist das System ein Fahrzeug.The system may be, for example, a power plant, an industrial robot, a controlled manufacturing process, in particular the system is a vehicle.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird der Bewegungsplan bei der Verifikation abhängig von dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall in sichere und sicherheitskritische Phasen unterteilt.According to an optional embodiment, the movement plan during the verification is subdivided into safe and safety-critical phases depending on the first interval and the second interval.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird der Bewegungsplan abhängig von einer Kostenfunktion ermittelt, wobei bei der Kostenfunktion eine sicherste Bewegungshypothese zu einer Bewegungshypothese mit den geringsten Kosten korrespondiert.According to a further optional embodiment, the movement plan is determined as a function of a cost function, wherein in the cost function a safest movement hypothesis corresponds to a movement hypothesis with the lowest cost.
Da sicherheitskritische und sichere Phasen des Bewegungsplanes anhand der Intervalle von PNR und PGA bestimmt werden können, können diese auch quantifiziert werden. Dies hat den Vorteil, dass man die Sicherheit von mehreren Bewegungsplan-Kandidaten bewerten kann. Dafür werden die Phasen mit Kosten verbunden. Anschließend können dann die Kosten der jeweiligen Bewegungspläne verglichen werden und je nach Modellierung/System/Szenario der jeweils optimale Bewegungsplan ausgeführt werden. Die Kostenfunktion kann auch direkt in einen Bewegungsplaner integriert werden, sodass dieser sichere Trajektorien gemäß des Verfahrens berechnet. Since safety-critical and safe phases of the movement plan can be determined on the basis of the intervals of PNR and PGA, these can also be quantified. This has the advantage of being able to assess the safety of multiple motion plan candidates. For this, the phases are associated with costs. Subsequently, the costs of the respective movement plans can then be compared and, depending on the modeling / system / scenario, the respectively optimal movement plan can be executed. The cost function can also be integrated directly into a motion planner so that it calculates safe trajectories according to the method.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Trajektorie zu dem ersten invarianten Set oder zu dem zweiten invarianten Set autonom abgefahren.According to a further optional embodiment, the trajectory is traveled autonomously to the first invariant set or to the second invariant set.
Gerade bei einem autonomen Fahren ist Sicherheit sehr wichtig um eine kollisionsfreie Bewegung in dynamischen Umgebungen durchzuführen. Somit ist es gerade bei autonomen Fahren vorteilhaft eine mittels obigen Verfahren ermittelte Bewegungsplanung beispielsweise zur Umfahrung von Hindernissen zu nutzen. Beispielsweise kann es sich bei dem Hindernis um ein zu überholendes vorausfahrendes Fahrzeug handeln, welches dann mittels des Verfahrens autonom überholt wird. Ein weiteres Beispiel kann sein, wenn man bei dem Überholvorgang Gegenverkehr berücksichtigen muss. Ergibt die Verifikation, dass der Gegenverkehr weit genug entfernt ist, kann der Bewegungsplan für den Überholvorgang gestartet werden. Während des Überholvorganges kann sich nun schlagartig die Situation ändern, z.B. wenn das entgegenkommende Fahrzeug viel schneller fährt als gedacht. Hierdurch wird eine Annahme verletzt, nämlich beispielsweise die Annahme dass die zulässige Höchstgeschwindigkeit eingehalten wird. Gemäß dem Verfahren wird nun anhand der invarianten Sets ein Ausweichmanöver bestimmt, um die Sicherheit des Systems bzw. in diesem Beispiel des Fahrzeugs zurückzuerlangen. Wichtig ist hierbei auch, dass in diesem Szenario das entgegenkommende Fahrzeug einen Fehler gemacht hat.Especially with an autonomous driving safety is very important to a collision-free To perform movement in dynamic environments. Thus, it is particularly advantageous for autonomous driving to use a movement planning determined by the above method, for example for avoiding obstacles. By way of example, the obstacle may be a preceding vehicle to be overtaken, which is then autonomously overtaken by means of the method. Another example can be if you have to consider oncoming traffic in the overtaking process. If the verification shows that the oncoming traffic is far enough away, the movement plan for the overtaking process can be started. During the overtaking process, the situation may suddenly change, for example when the oncoming vehicle is driving much faster than expected. This violates an assumption, namely, for example, the assumption that the maximum permissible speed is maintained. In accordance with the method, an evasive maneuver is now determined on the basis of the invariant sets in order to recover the safety of the system or in this example of the vehicle. It is also important that in this scenario, the oncoming vehicle has made a mistake.
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst die Menge an Annahmen mindestens eine der folgenden Annahmen:
- - eine vorgegebene maximale absolute Beschleunigung wird von anderen Systemen nicht überschritten,
- - wenn eine vorgegebene maximale Geschwindigkeit erreicht wird, erfolgt keine weitere Beschleunigung von anderen Systemen in Fahrtrichtung,
- - wenn eine vorgegebene parametrisierte Geschwindigkeit erreicht wird, erfolgt maximal eine weitere vorgegebene Beschleunigung von anderen Systemen in Fahrtrichtung,
- - Fahrspuren dürfen von anderen Systemen nicht verlassen werden und ein Spurwechsel von anderen Systemen ist nur erlaubt auf Spuren in derselben Fahrtrichtung und nicht auf Spuren des Gegenverkehrs,
- - Rückwärtsfahren von anderen Systemen ist auf einer Spur nicht erlaubt.
- a predetermined maximum absolute acceleration is not exceeded by other systems,
- - if a given maximum speed is reached, there is no further acceleration from other systems in the direction of travel,
- if a predefined parameterized speed is reached, a maximum of one further predetermined acceleration takes place from other systems in the direction of travel,
- - lanes may not be left by other systems and a lane change from other systems is only allowed on lanes in the same direction of travel and not on lanes of oncoming traffic,
- - Reversing from other systems is not allowed on a lane.
Diese Annahmen sind vorteilhaft, falls das System ein Fahrzeug ist. Für andere System können andere Annahmen wichtig sein und auch für Fahrzeuge können Annahmen hinzugefügt oder auch abgeändert werden.These assumptions are advantageous if the system is a vehicle. For other systems, other assumptions may be important and assumptions may also be added or modified for vehicles.
Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, das Verfahren zur Bewegungsplanung oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens durchzuführen.According to a further aspect, the invention is characterized by a computer program, wherein the computer program is designed to carry out the method for motion planning or an optional embodiment of the method.
Gemäß eines weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogrammprodukt, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren zur Bewegungsplanung oder eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens ausführt.According to a further aspect, the invention is characterized by a computer program product comprising executable program code, wherein the program code, when executed by a data processing device, executes the motion planning method or an optional embodiment of the method.
Das Computerprogrammprodukt umfasst insbesondere ein von der Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem der Programmcode gespeichert ist.In particular, the computer program product comprises a medium which can be read by the data processing device and on which the program code is stored.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ablaufdiagram zur Bewegungsplanung, -
2 eine Visualisierung von Zuständen beim Ausführen eines Bewegungsplan.
-
1 a flow diagram for motion planning, -
2 a visualization of states when executing a motion plan.
Die
Das Programm kann beispielsweise von einer Vorrichtung abgearbeitet werden. Die Vorrichtung weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikationsschnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein.The program can be processed, for example, by a device. For this purpose, the device has in particular a computing unit, a program and data memory, as well as, for example, one or more communication interfaces. The program and data memory and / or the arithmetic unit and / or the communication interfaces can be formed in a structural unit and / or distributed over several structural units.
Das Programm ist insbesondere auf dem Programm- und Datenspeicher der Vorrichtung gespeichert.The program is stored in particular on the program and data memory of the device.
Die Vorrichtung kann auch als Vorrichtung zur Bewegungsplanung bezeichnet werden.The device may also be referred to as a movement planning device.
Das Programm wird in einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Die Menge an Annahmen umfasst beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Annahmen:
- - eine vorgegebene maximale absolute Beschleunigung wird von anderen Systemen nicht überschritten,
- - wenn eine vorgegebene maximale Geschwindigkeit erreicht wird, erfolgt keine weitere Beschleunigung von anderen Systemen in Fahrtrichtung,
- - wenn eine vorgegebene parametrisierte Geschwindigkeit erreicht wird, erfolgt maximal eine weitere vorgegebene Beschleunigung von anderen Systemen in Fahrtrichtung,
- - Fahrspuren dürfen von anderen Systemen nicht verlassen werden und ein Spurwechsel von anderen Systemen ist nur erlaubt auf Spuren in derselben Fahrtrichtung und nicht auf Spuren des Gegenverkehrs,
- - Rückwärtsfahren von anderen Systemen ist auf einer Spur nicht erlaubt.
- a predetermined maximum absolute acceleration is not exceeded by other systems,
- - if a given maximum speed is reached, there is no further acceleration from other systems in the direction of travel,
- if a predefined parameterized speed is reached, a maximum of one further predetermined acceleration takes place from other systems in the direction of travel,
- - lanes may not be left by other systems and a lane change from other systems is only allowed on lanes in the same direction of travel and not on lanes of oncoming traffic,
- - Reversing from other systems is not allowed on a lane.
Die Annahmen können beispielsweise mittels einer Fahrzeugsensorik und Schwellenwertvergleichen überprüft werden.The assumptions can be checked, for example, by means of vehicle sensors and threshold comparisons.
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Optional wird der Bewegungsplan bei der Verifikation abhängig von dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall in sichere und sicherheitskritische Phasen unterteilt.Optionally, the movement plan is subdivided into safe and safety-critical phases during verification, depending on the first interval and the second interval.
Optional wird der Bewegungsplan abhängig von einer Kostenfunktion ermittelt, wobei bei der Kostenfunktion eine sicherste Bewegungshypothese zu einer Bewegungshypothese mit den geringsten Kosten korrespondiert.Optionally, the movement plan is determined as a function of a cost function, whereby in the cost function a safest movement hypothesis corresponds to a movement hypothesis with the lowest cost.
Optional wird die Trajektorie zu dem ersten invarianten Set oder zu dem zweiten invarianten Set autonom abgefahren.Optionally, the trajectory is traversed autonomously to the first invariant set or to the second invariant set.
Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Bewegungsplanung beschrieben.In the following, an advantageous embodiment of the motion planning method will be described.
Im Folgenden wird ein Ansatz zur Verifizierung der Sicherheit von Systemen in dynamischen Umgebungen angegeben, welches invariante Sets verwendet. Eine Erweiterung zu einer originalen Definition von Setinvarianz für zeitabhängige Sicherheitsbereiche wird vorgeschlagen. Indem diese Sets genutzt werden, können Punkte ohne Wiederkehr (
zusätzliche Sicherheitsgarantien können angegeben werden um eine machbare Trajektorie zu sicheren Zuständen zu finden.
additional security guarantees can be provided to find a feasible trajectory to safe states.
Präliminarienpreliminaries
Im Folgenden bezeichnen
Definition 1 (Sicherer Zustand)Definition 1 (safe state)
Unter der Annahme, es existiert ein Set sicherer Zustände
Definition 2 (Sichere Eingangs-Trajektorie)Definition 2 (Safe Entry Trajectory)
Eine Eingangs-Trajektorie u([0,t]), 0<t wird als sichere Eingangs-Trajektorie bezeichnet falls
Definition 3 (sicheres Regelungsgesetz)Definition 3 (secure regulatory law)
Ein Regelungsgesetz Φ ist sicher, wenn jede hervorgerufene Eingangs-Trajektorie des Steuerungsgesetzes u(t) = Φsafe(x(t)) eine sichere Eingangs-Trajektorie ist. Im Folgenden wird die Notation u([t1, t2]) = Φsafe(x(t1, t2])) verwendet, um hervorzuheben, dass eine Trajektorie erzeugt wird. Betrachtet man ein sicheres Regelungsgesetz Φsafe(x(t)), kann man ein invariantes Set sicherer Zustände definieren. Das Invarianz-Set ist zeitabhängig, so dass die Invarianz in dynamischen Umgebungen berücksichtigt werden kann. Das Zeitabzweigungskonzept kann angewandt werden, indem eine separate Zeitdimension τ neben der bestehenden Dimension t eingeführt wird.A law of control Φ is certain when every induced input trajectory of the control law u (t) = φsafe (x (t)) is a safe input trajectory. In the following, the notation u ([t 1 , t 2 ]) = φ safe (x (t 1 , t 2 ])) is used to emphasize that a trajectory is generated. If one considers a safe law Φ safe (x (t)), one can define an invariant set of safe states. The invariance set is time-dependent so that the invariance can be considered in dynamic environments. The time branching concept can be applied by introducing a separate time dimension τ next to the existing dimension t.
Definition 4 (Zeitabhängiges sicheres invariantes Set)Definition 4 (Time-Dependent Safe Invariant Set)
Ein zeitabhängiges sicheres invariantes Set (SIS) St für einen Zeitpunkt t und das sichere Regelungsgesetz u(t) = ΦSIS(x(t)) wird als das Set an Zuständen x zum Zeitpunkt t definiert, so dass
Proposition 1 (Beziehung von S und
Beweis: x(t)∈St und
Folgesatz 1 (Übergang SIS)Corollary 1 (Transition SIS)
Aus Proposition 1 folgt, dass St pfadverbunden ist, was impliziert dass (1) fähig ist, die verschiedenen St über die Zeit t zu durchqueren.
Theorem 1 (Sicherheit für einen Infiniten Zeithorizont)Theorem 1 (Safety for an Infinite Time Horizon)
Unter Anwendung von ΦSIS kann die Sicherheit von (1) für einen infiniten Zeithorizont auch in dynamischen Umgebungen garantiert werden.Using Φ SIS , the security of (1) can be guaranteed for an infinite time horizon even in dynamic environments.
Beweis: ΦSIS belässt (1) innerhalb St zu jedem Zeitpunkt t unabhängig von umgebenden dynamischen Hindernissen. In Kombination mit Folgesatz 1 folgt, dass Sicherheit für einen infiniten Zeithorizont erhalten bleibt.Proof: Φ SIS leaves (1) within S t at any time t independent of surrounding dynamic obstacles. In combination with
Im Gegensatz dazu werden die Zustände
Verifizierung von BewegungsplänenVerification of movement plans
Im Folgenden wird die Aufgabe betrachtet, dass das das System (1) von einem Initialzustand
Definition 5 (Erreichbares Set)Definition 5 (reachable set)
Das erreichbare Set
Definition 6 (Zuordnung im kartesischen Raum)Definition 6 (assignment in Cartesian space)
Der Operator map(x) projeziert den Zustandsvektor in den kartesischen Raum in Weltkoordinaten gemäß
Definition 7 (Besetzungs-Set)Definition 7 (cast set)
Basierend auf Definition 5 und Definition 6 beschreibt das Besetzungs-Set
Unter Anwendung von Besetzungs-Sets kann ein Bewegungsplan unter Berücksichtigung des Sets umgebender dynamischer Hindernisse
Definition 8 (Kollisionsfreie Trajektorie)Definition 8 (collision-free trajectory)
Unter Vorgabe der möglichen Besetzungen aller umgebender Hindernisse
Die Besetzung
Um das Set erreichbarer Zustände einzugrenzen werden nachfolgend erläuterte, beschränkende Annahmen bzgl.
Definition 9 (Zeitinvariante Annahmen)Definition 9 (time-invariant assumptions)
Zeitinvariante Annahmen A∞ sind Annahmen, welche zu jeder Zeit zutreffen müssen, da sie notwendig sind um sichere Zustände des Systems ableiten zu können.Time-invariant assumptions A ∞ are assumptions which must be valid at all times, since they are necessary in order to be able to derive safe states of the system.
A∞ umfasst beispielsweise physikalische Einschränkungen, z.B. eine beschränkte Beschleunigung, oder generelle Annahmen zur Sicherheit, z.B. dass dynamische Hindernisse eine Kollision mit dem Ego-System nicht erzwingen wollen. Die Sets
Definition 10 (Zeitvariierende Annahmen)Definition 10 (time-varying assumptions)
Zeitvariierende Annahmen At sind Annahmen, welche die Bewegung dynamischer Hindernisse beschränken und an irgendeinem Punkt verletzt werden könnten.Time-varying assumptions A t are assumptions that limit the movement of dynamic obstacles and could be violated at some point.
At umfasst beispielsweise die Annahme, dass die Geschwindigkeit von Straßenfahrzeugen eine offizielle Geschwindigkeitsbegrenzung bis zu einem gewissen Prozentsatz nicht überschreitet. Wenn dynamische Hindernisse zeitvariierende Annahmen verletzen, ist die Verifizierung des Bewegungsplan nicht länger gültig. Beide Sets, A∞ und At, müssen bezüglich des genutzten Systems definiert sein und an seine Umgebung und Aufgabe angepasst sein. Wird im Folgenden der Begriff Annahme verwendet, so bezieht er sich implizit auf At.For example, A t includes the assumption that the speed of road vehicles does not exceed an official speed limit up to a certain percentage. When dynamic obstacles violate time-varying assumptions, motion plan verification is no longer valid. Both sets, A ∞ and A t , must be defined with respect to the system used and adapted to its environment and task. If the term acceptance is used below, it implicitly refers to A t .
Verbesserung der Sicherheit mittels sicherer, invarianter Sets Improvement of safety by means of safe, invariant sets
Um Sicherheit für das System wiederherzustellen wenn zeitvariierende Annahmen verletzt wurden werden sicherheitsrelevante Punkte entlang u([0,th]) unter Anwendung von
Definition 11 (Punkt ohne Wiederkehr)Definition 11 (point of no return)
Als Punkt ohne Wiederkehr (PNR) wird der Zustand x(tPNR), tPNR ∈ [0,th] entlang u([0,th]) definiert, für welchen eine Rückkehr zu Spre letztmalig und sicher möglich ist unter Anwendung der kollisionsfreien Trajektorie u([t,r]), t<r<th:
Nach einem spezifischen Punkt entlang u([0,th]) ist das System fähig, Spost ohne Kollision zu erreichen, unabhängig von dem Verhalten der dynamischen Hindernisse.After a specific point along u ([0, t h ]), the system is able to reach S post without collision, regardless of the behavior of the dynamic obstacles.
Definition 12 (Punkt der garantierten Ankunft)Definition 12 (point of guaranteed arrival)
Der Punkt der garantierten Ankunft (
Unter Anwendung der Definition 11 und Definition 12, wird der sicherheitskritische Korridor entlang u([0,th]) definiert.Using Definition 11 and Definition 12, the safety-critical corridor is defined along u ([0, t h ]).
Definition 13 (sicherheitskritischer Korridor)Definition 13 (safety-critical corridor)
Der sicherheitskritische Korridor (SCP) zwischen
Bestimmen des PNR und PGADetermine the PNR and PGA
Statt der exakten Position von Punkten wie dem PNR und dem PGA kann auch nur ein Zeitintervall [t,
Proposition 2 (Annäherung von unten)Proposition 2 (approach from below)
Eine untere Grenze einer Position des PNR t PNR wird ermittelt durch Abtasten von Trajektorien in Spre unter Prüfung der Definition 11.A lower limit of a position of the PNR t PNR is obtained by sampling trajectories in S pre while examining the definition 11.
Beweis: Per Definition ist das Set abgetasteter Trajektorien ein reales Subset aller machbaren Trajektorien aus (1). Daher repräsentiert t PNR eine Annäherung von unten.Proof: By definition, the set of sampled trajectories is a real subset of all feasible trajectories (1). Therefore, t PNR represents an approximation from below.
Proposition 3 (Annäherung von oben)Proposition 3 (approach from above)
Die obere Grenze
Beweis: Die Proposition folgt direkt aus der Anwendung der von oben angenäherten erreichbaren Sets aus (1), welche zusichert, dass das System nicht befähigt ist, zu
Das Intervall des PGA kann analog ermittelt werden, wobei die untere Grenze eine Annäherung von oben ist, welche die Erreichbarkeitsanalyse erfordert, und die obere Grenze eine Annäherung von unten ist, welche Abtasten erfordert.The interval of the PGA can be determined analogously, the lower limit being an approach from above, which requires the reachability analysis, and the upper limit being an approximation from below, which requires sampling.
Vorberechnungprecalculation
Eine ausreichende Annäherung des
Sicherheitsbeurteilungsafety assessment
Innerhalb von [t,
Signifikanz der BewegungssicherheitSignificance of movement safety
Es ist vorteilhaft Annahmen zu treffen um den Bewegungsplan u([0,th]) zu verifizieren. Eine Verletzung der Annahmen resultiert in größeren erreichbaren Sets der Hindernisse
Um Aussagen über die Sicherheit der Trajektorien treffen zu können, insbesondere wenn Annahmen verletzt wurden, werden die Punkte PNR und PGA eingesetzt.In order to be able to make statements about the safety of the trajectories, in particular if assumptions were violated, the points PNR and PGA are used.
Theorem 2 (Sichere und sicherheitskritische Stufen)Theorem 2 (Safe and safety-critical stages)
Der Bewegungsplan u([0,th]) kann unterteilt werden in sichere und sicherheitskritische Stufen unter Anwendung des PNR und PGA:
- 1) t ∈ [0,tPNR]: eine machbare und kollisionsfreie Trajektorie in einen sicheren Zustand
- 2) t ∈ [
t PNR, tPGA]: es muss keine kollisionsfreie Traj ektorie innerhalb des SCP existieren. - 3) t ∈ [
t PGA,th]: eine machbare und kollisionsfreie Traj ektorie in einen sicheren Zustand
- 1) t ∈ [0, t PNR ]: a feasible and collision-free trajectory in a safe state
- 2) t ∈ [
t PNR , t PGA ]: there must be no collision-free trajectory within the SCP. - 3) t ∈ [
t PGA , t h ]: a feasible and collision-free traj ectorie in a safe condition
Beweis: Theorem
Der Bewegungsplaner kann sicherheitskritische Stufen nutzen, um Trajektorien zu evaluieren.The motion planner can use safety critical stages to evaluate trajectories.
Proposition 4 (Sicherheitskosten)Proposition 4 (security costs)
Die Sicherheit von k verschiedenen Bewegungsplänen ui([0,th]), i ≤ k kann bewertet werden, indem den Korridoren SCPu
Proposition
Im Stand der Technik sind Bewegungsplaner nicht befähigt, den SCP zu berücksichtigen, was in Trajektorien mit großen sicherheitskritischen Korridoren resultieren kann. Durch Integration der Kosten der Korridore als separate Kosten in der Optimierung kann der Bewegungsplaner die sicherste Trajektorie u*([0,th]) bezüglich der Korridore bestimmen. Folglich kann der Bewegungsplaner befähigt sein, eine Trajektorie mit einem Korridor der Größe Null zu ermitteln.In the prior art, motion planners are incapable of considering the SCP, which can result in trajectories with large safety-critical corridors. By integrating the costs of the corridors as separate costs in the optimization, the motion planner can determine the safest trajectory u * ([0, t h ]) with respect to the corridors. Thus, the motion planner may be capable of determining a trajectory with a zero-size corridor.
Proposition 5 (Null-Korridor)Proposition 5 (zero corridor)
SCP = ∅ eines Bewegungsplans u([0,th]) garantiert, dass das System immer befähigt ist, in
Proposition 5 impliziert, dass die Sicherheit des Systems garantiert werden kann für einen infiniten Zeithorizont. Dies ist bedingt durch die Tatsache, dass von jedem Zustand x(t) entlang der Trajektorie u([0,th]) eine machbare und kollisionsfreie Trajektorie ermittelt werden kann, die entweder in
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