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.

Figure DE102017120366A1_0000
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.
Figure DE102017120366A1_0000

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.
According to another optional embodiment, the set of assumptions comprises at least one of the following assumptions:
  • 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.
Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings. Show it:
  • 1 a flow diagram for motion planning,
  • 2 a visualization of states when executing a motion plan.

Die 1 zeigt ein Ablaufdiagram eines Programms zur Bewegungsplanung.The 1 shows a flow chart of a program for motion planning.

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 S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden können.The program will be in one step S1 started in which variables can be initialized if necessary.

In einem Schritt S3 wird ein Initialzustand ermittelt, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem initialen Zeitpunkt.In one step S3 an initial state is determined which is representative of a state of the system at an initial time.

In einem Schritt S5 wird abhängig von dem Initialzustand ein erstes invariantes Set ermittelt, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist.In one step S5 Depending on the initial state, a first invariant set is determined, which is representative of states in which the system is safe.

In einem Schritt S7 wird ein Endzustand ermittelt, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem Zielzeitpunkt.In one step S7 a final state is determined that is representative of a state of the system at a target time.

In einem Schritt S9 wird abhängig von dem Endzustand ein zweites invariantes Set ermittelt, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist. In one step S9 Depending on the final state, a second invariant set is determined, which is representative of states in which the system is safe.

In einem Schritt S11 wird abhängig von dem Initialzustand und dem Endzustand ein Bewegungsplan ermittelt, der repräsentativ ist für eine Bewegung von dem Initialzustand in den Endzustand.In one step S11 is determined depending on the initial state and the final state, a motion plan, which is representative of a movement from the initial state to the final state.

In einem Schritt S13 wird vor Durchführung des Bewegungsplans der Bewegungsplan verifiziert, wobei bei der Verifikation eine Überprüfung einer vorgegebenen Menge an Annahmen erfolgt.In one step S13 Before the execution of the movement plan, the movement plan is verified, whereby the verification results in a check of a predefined set of assumptions.

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.
The set of assumptions includes, for example, one or more of the following assumptions:
  • 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 S15 wird ein erstes Intervall 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. Weiterhin wird in dem Schritt S15 ein zweites Intervall 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. Der Schritt S15 kann mehrmals durchgeführt werden, insbesondere vor und während der Durchführung des Bewegungsplans. Beispielsweise werden die Intervalle vor Durchführung grob berechnet und während der Durchführung immer wieder überprüft und feiner berechnet.In one step S15 a first interval is determined in which a point without recurrence, 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. Furthermore, in the step S15 determines a second interval in which 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. The step S15 can be performed several times, especially before and during the execution of the movement plan. For example, the intervals are roughly calculated before implementation and repeatedly checked during the implementation and calculated finer.

In einem Schritt S17 wird, falls bei Durchführung des Bewegungsplans eine Annahme der Menge an Annahmen verletzt 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 one step S17 If, on execution of the movement plan, an assumption of the set of assumptions is violated, a trajectory to the first invariant set or to the second invariant set is determined as a function of the first interval and the second interval.

In einem Schritt S19 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder in dem Schritt S1 gestartet werden. In one step S19 the program terminates and may again be in the step S1 to be started.

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 (PNR) und Punkte der garantierten Ankunft (PGA) ermittelt werden. Die Eigenschaften von PNR und PGA erlauben eine effiziente Beurteilung der Sicherheit wie nachfolgend beschrieben. In zeitkritischen Situationen, in welchen ein vorausgehend verifizierter Bewegungsplan plötzlich unsicher wird während der Ausführung, liefert oben genannter Ansatz folgende Vorteile:
zusätzliche Sicherheitsgarantien können angegeben werden um eine machbare Trajektorie zu sicheren Zuständen zu finden. PNR und PGA können genutzt werden um eine nützliche Funktion anzugeben um die Sicherheit mehrere Bewegungspläne vor ihrer Ausführung zu beurteilen. Die Sicherheit während der Ausführung kann erhöht werden auch wenn unvorhergesehene Situationen eintreten (Annahmen werden gebrochen).
The following is an approach for verifying the security of systems in dynamic environments using invariant sets. An extension to an original definition of set invariance for time-dependent security areas is proposed. By using these sets, points of no return ( PNR ) and Points of Guaranteed Arrival (PGA). The properties of PNR and PGA allow an efficient safety assessment as described below. In time-critical situations where a previously verified motion plan suddenly becomes unsafe during execution, the above approach provides the following benefits:
additional security guarantees can be provided to find a feasible trajectory to safe states. PNR and PGA can be used to specify a useful function to assess the safety of multiple motion plans prior to their execution. Safety during execution can be increased even if unforeseen situations occur (assumptions are broken).

Präliminarienpreliminaries

Im Folgenden bezeichnen X n

Figure DE102017120366A1_0001
Set machbarer Zustände x und U m
Figure DE102017120366A1_0002
ein Set zulässiger Steuereingaben u eines Systems f, welches der Differentialgleichung folgt x ˙ ( t ) = f ( x ( t ) , u ( t ) ) .
Figure DE102017120366A1_0003
Um eine Traj ektorie u ( t ) U ,   t [ 0, t h ]
Figure DE102017120366A1_0004
aus (1) zu beschreiben, wird im Folgenden die Notation u([0,th]) verwendet. Des Weiteren bezeichnet X ( t h , x ( 0 ) , u ( [ 0, t h ] ) ) X
Figure DE102017120366A1_0005
die Lösung von (1) zum Zeitpunkt th für x(0)=x0 und u([0,th]).Describe below X n
Figure DE102017120366A1_0001
Set of feasible states x and U m
Figure DE102017120366A1_0002
a set permissible control inputs u of a system f, which follows the differential equation x ˙ ( t ) = f ( x ( t ) . u ( t ) ) ,
Figure DE102017120366A1_0003
To a Traj ektorie u ( t ) U . t [ 0 t H ]
Figure DE102017120366A1_0004
from (1), the notation u ([0, t h ]) is used below. Further referred to X ( t H . x ( 0 ) . u ( [ 0 t H ] ) ) X
Figure DE102017120366A1_0005
the solution of (1) at time t h for x (0) = x 0 and u ([0, t h ]).

Definition 1 (Sicherer Zustand)Definition 1 (safe state)

Unter der Annahme, es existiert ein Set sicherer Zustände F t

Figure DE102017120366A1_0006
zum Zeitpunkt t, welches pfadverbunden ist, ist ein Zustand x ( t )
Figure DE102017120366A1_0007
sicher falls x ( t ) F t .
Figure DE102017120366A1_0008
Die Definition des Sets sicherer Zustände F t
Figure DE102017120366A1_0009
hängt vom System und seiner Umgebung ab.Assuming there is a set of safe states F t
Figure DE102017120366A1_0006
at time t, which is path-connected, is a state x ( t )
Figure DE102017120366A1_0007
certainly if x ( t ) F t ,
Figure DE102017120366A1_0008
The definition of the set of safe states F t
Figure DE102017120366A1_0009
depends on the system and its environment.

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 r [ 0, t ] : X ( τ , x ( 0 ) , u ( [ 0, τ ] ) )

Figure DE102017120366A1_0010
ein sicherer Zustand ist. Definition 2 erlaubt die Sicherheit eines Regelungsgesetztes Φ zu beurteilen.An input trajectory u ([0, t]), 0 <t is called a safe input trajectory if r [ 0 t ] : X ( τ . x ( 0 ) . u ( [ 0 τ ] ) )
Figure DE102017120366A1_0010
a safe state. Definition 2 allows to assess the safety of a control law Φ.

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 x ( t ) S t τ > t : X ( τ , x ( t ) , Φ S I S ( x ( [ t , τ ] ) ) ) S t

Figure DE102017120366A1_0011
gilt.A time-dependent secure invariant set (SIS) S t for a time t and the safe control law u (t) = Φ SIS (x (t)) is defined as the set of states x at time t, such that x ( t ) S t τ > t : X ( τ . x ( t ) . Φ S I S ( x ( [ t . τ ] ) ) ) S t
Figure DE102017120366A1_0011
applies.

Proposition 1 (Beziehung von S und F

Figure DE102017120366A1_0012
) τ 0 : S t F t .
Figure DE102017120366A1_0013
Proposition 1 (Relationship of S and F
Figure DE102017120366A1_0012
) τ 0 : S t F t ,
Figure DE102017120366A1_0013

Beweis: x(t)∈St und X ( τ , x ( t ) ,   Φ S I S ( x ( [ t , τ ] ) ) ) S t ,   τ > t

Figure DE102017120366A1_0014
sind Zustände einer sicheren Trajektorie x ( t ) F t .
Figure DE102017120366A1_0015
Proof: x (t) ∈S t and X ( τ . x ( t ) . Φ S I S ( x ( [ t . τ ] ) ) ) S t . τ > t
Figure DE102017120366A1_0014
are states of a safe trajectory x ( t ) F t ,
Figure DE102017120366A1_0015

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.Proposition 1 implies that S t is path-connected, which implies that (1) is capable of traversing the various S t over time t.

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 subsequent Theorem 1 it follows that safety is maintained for an infinite time horizon.

Im Gegensatz dazu werden die Zustände x ( t ) ( F t / S t ) : = { x | x F t x S t }

Figure DE102017120366A1_0016
als sicher betrachtet, jedoch nur für einen finiten Zeithorizont. Im Folgenden wird zur Übersichtlichkeit bei der Notation S auf die betrachtete Zeit t verzichtet.In contrast, the states become x ( t ) ( F t / S t ) : = { x | x F t x S t }
Figure DE102017120366A1_0016
considered safe, but only for a finite time horizon. In the following, for the sake of clarity in the notation S, the time t considered is dispensed with.

Verifizierung von BewegungsplänenVerification of movement plans

Im Folgenden wird die Aufgabe betrachtet, dass das das System (1) von einem Initialzustand x ( 0 ) S p r e 0

Figure DE102017120366A1_0017
zu einem Endzustand x ( t h ) S p o s t t h
Figure DE102017120366A1_0018
übergehen muss. Sowohl S p r e 0
Figure DE102017120366A1_0019
als auch S p o s t t h
Figure DE102017120366A1_0020
sind SIS gemäß Definition 4. Es können Situationen auftreten, in denen S p r e 0 S p o s t t h =
Figure DE102017120366A1_0021
(in Kombination mit τ [ 0, t h ] : S p r e t S p o s t t =
Figure DE102017120366A1_0022
wodurch die Möglichkeit eliminiert wird nur das dedizierte sichere Regelungsgesetz ΦSIS zu verwenden. Daraus ergibt sich, dass nicht garantiert werden kann, ob die Trajektorie u([0,th]) für eine gegebene Aufgabe sicher ist gemäß Definition 2. Um die übergehende Trajektorie als kollisionsfrei zu verifizieren im Falle von umgebenden Hindernissen wird eine Erreichbarkeitsanalyse angewandt.In the following, the object is considered that the system (1) of an initial state x ( 0 ) S p r e 0
Figure DE102017120366A1_0017
to a final state x ( t H ) S p O s t t H
Figure DE102017120366A1_0018
has to go over. Either S p r e 0
Figure DE102017120366A1_0019
as well as S p O s t t H
Figure DE102017120366A1_0020
are SIS as defined in 4. Situations may occur in which S p r e 0 S p O s t t H =
Figure DE102017120366A1_0021
(in combination with τ [ 0 t H ] : S p r e t S p O s t t =
Figure DE102017120366A1_0022
thereby eliminating the possibility of using only the dedicated safe control law Φ SIS . As a result, it can not be guaranteed whether the trajectory u ([0, t h ]) is safe for a given task according to Definition 2. In order to verify the passing trajectory as collision-free in the case of surrounding obstacles, a reachability analysis is used.

Definition 5 (Erreichbares Set)Definition 5 (reachable set)

Das erreichbare Set R X

Figure DE102017120366A1_0023
aus (1) ist das Set an Zuständen, welche erreichbar sind an einem bestimmten Zeitpunkt r aus einem Set Initialzustände X 0
Figure DE102017120366A1_0024
zum Zeitpunkt t0 unter Berücksichtigung des Sets an Eingaben U : R ( r ) = { 0 r f ( x ( t ) , u ( t ) ) d t | x ( 0 ) X 0 , t : u ( t ) U } .
Figure DE102017120366A1_0025
Des Weiteren wird eine Zuordnung eingeführt des Zustandsraums auf das Set an Punkten im kartesischen Raum besetzt durch ein System (zusammen mit seinen Dimensionen).The achievable set R X
Figure DE102017120366A1_0023
from (1) is the set of states which can be reached at a certain point in time r from a set of initial states X 0
Figure DE102017120366A1_0024
at time t 0 taking into account the set of inputs U : R ( r ) = { 0 r f ( x ( t ) . u ( t ) ) d t | x ( 0 ) X 0 . t : u ( t ) U } ,
Figure DE102017120366A1_0025
Furthermore, an assignment of state space to the set of points in Cartesian space is introduced by a system (along with its dimensions).

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 m a p ( x ) : X P ( m ) , m 3,

Figure DE102017120366A1_0026
wobei P ( m )
Figure DE102017120366A1_0027
die Potenzmenge aus ℝm bezeichnet. Bei einem gegebenen Set an Zuständen X
Figure DE102017120366A1_0028
ist die Zuordnung definiert als m a p ( X ) : = ( m a p ( x ) | x X ) .
Figure DE102017120366A1_0029
The operator map (x) projects the state vector into Cartesian space according to world coordinates m a p ( x ) : X P ( m ) . m 3,
Figure DE102017120366A1_0026
in which P ( m )
Figure DE102017120366A1_0027
denotes the power set of ℝ m . For a given set of states X
Figure DE102017120366A1_0028
is the assignment defined as m a p ( X ) : = ( m a p ( x ) | x X ) ,
Figure DE102017120366A1_0029

Definition 7 (Besetzungs-Set)Definition 7 (cast set)

Basierend auf Definition 5 und Definition 6 beschreibt das Besetzungs-Set ( t )

Figure DE102017120366A1_0030
das Set erreichbarer besetzter Punkte im kartesischen Raum: ( t ) = m a p ( ( t ) ) .
Figure DE102017120366A1_0031
Based on Definition 5 and Definition 6 describes the cast set ( t )
Figure DE102017120366A1_0030
the set of achievable occupied points in Cartesian space: ( t ) = m a p ( ( t ) ) ,
Figure DE102017120366A1_0031

Unter Anwendung von Besetzungs-Sets kann ein Bewegungsplan unter Berücksichtigung des Sets umgebender dynamischer Hindernisse B

Figure DE102017120366A1_0032
als kollisionsfrei verifiziert werden.Using cast sets, a motion plan can be designed taking into account the set of surrounding dynamic obstacles B
Figure DE102017120366A1_0032
be verified as collision-free.

Definition 8 (Kollisionsfreie Trajektorie)Definition 8 (collision-free trajectory)

Unter Vorgabe der möglichen Besetzungen aller umgebender Hindernisse o b s ( t ) = U b B b ( t )

Figure DE102017120366A1_0033
und der Besetzung des Ego-Systems e g o ( t )
Figure DE102017120366A1_0034
neben seiner geplanten Trajektorie u([0,th]) ist diese Trajektorie kollisionsfrei, falls t [ 0, t h ] : e g o ( t ) o b s ( t ) = Ø .
Figure DE102017120366A1_0035
Given the possible occupations of all surrounding obstacles O b s ( t ) = U b B b ( t )
Figure DE102017120366A1_0033
and the occupation of the ego system e G O ( t )
Figure DE102017120366A1_0034
In addition to its planned trajectory u ([0, t h ]), this trajectory is collision-free, if t [ 0 t H ] : e G O ( t ) O b s ( t ) = O ,
Figure DE102017120366A1_0035

Die Besetzung b ( t )

Figure DE102017120366A1_0036
jedes Hindernisses b B
Figure DE102017120366A1_0037
wird dabei basierend auf seinem Set an Initialzuständen X b 0
Figure DE102017120366A1_0038
und dem Set zulässiger Steuereingaben U b
Figure DE102017120366A1_0039
(vgl. Definition 5) ermittelt.The occupation b ( t )
Figure DE102017120366A1_0036
every obstacle b B
Figure DE102017120366A1_0037
is based on its set of initial states X b 0
Figure DE102017120366A1_0038
and the set of valid control inputs U b
Figure DE102017120366A1_0039
(see definition 5).

Um das Set erreichbarer Zustände einzugrenzen werden nachfolgend erläuterte, beschränkende Annahmen bzgl. X b

Figure DE102017120366A1_0040
und U b
Figure DE102017120366A1_0041
getroffen, da sich sonst o b s ( t )
Figure DE102017120366A1_0042
oftmals mit e g o ( t )
Figure DE102017120366A1_0043
überschneiden würde und das System daher nicht länger befähigt wäre, die Aufgabe sicher zu erfüllen.In order to limit the set of achievable states, restrictive assumptions are explained below. X b
Figure DE102017120366A1_0040
and U b
Figure DE102017120366A1_0041
met, because otherwise O b s ( t )
Figure DE102017120366A1_0042
often with e G O ( t )
Figure DE102017120366A1_0043
would overlap and therefore the system would no longer be able to perform the task safely.

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 Spre und Spost basieren auf A. Um die Besetzungs-Sets o b s ( t )

Figure DE102017120366A1_0044
zu beschränken, werden ferner folgende Annahmen getroffen.For example, A includes physical constraints, such as limited acceleration, or general safety assumptions, such as dynamic obstacles that do not seek to force a collision with the ego system. The sets S pre and S post are based on A . To the cast sets O b s ( t )
Figure DE102017120366A1_0044
Furthermore, the following assumptions are made.

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 Spre und Spost vorgeschlagen (vgl. 2) .To restore security to the system when time-varying assumptions have been violated, security-relevant points along u ([0, t h ]) using S pre and S post proposed (see. 2 ).

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: t [ 0, t P N R ] : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p r e r

Figure DE102017120366A1_0045
t ] t P N R , t h ] : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p r e r .
Figure DE102017120366A1_0046
As a point of no return (PNR), the state x (t PNR ), t PNR ∈ [0, t h ] is defined along u ([0, t h ]), for which a return to S pre last and safely possible Application of the collision-free trajectory u ([t, r]), t <r <t h : t [ 0 t P N R ] : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p r e r
Figure DE102017120366A1_0045
t ] t P N R . t H ] : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p r e r ,
Figure DE102017120366A1_0046

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 (PGA) ist der Zustand x(tPGA), tPGA ≤ th der Trajektorie u([0,th]), von dem Punkt aus Sicherheit unter Anwendung der kollisionsfreien Trajektorie u([t,r]), t<r<th garantiert ist: t [ 0, t P G A [ : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p o s t r

Figure DE102017120366A1_0047
t [ t P N R , t h ] : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p o s t r .
Figure DE102017120366A1_0048
The point of guaranteed arrival ( PGA ) is the state x (t PGA ), t PGA ≤ t h of the trajectory u ([0, t h ]), from the point of safety using the collision-free trajectory u ([t, r]), t <r < t h is guaranteed: t [ 0 t P G A [ : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p O s t r
Figure DE102017120366A1_0047
t [ t P N R . t H ] : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p O s t r ,
Figure DE102017120366A1_0048

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 S p r e 0  und  S p o s t t h

Figure DE102017120366A1_0049
wird definiert als das Set an Zuständen x entlang u([0,th]) zwischen dem PNR und dem PGA: S C P = { x ( t ) | t P N R < t < t P G A } .
Figure DE102017120366A1_0050
The Safety Critical Corridor (SCP) between S p r e 0 and S p O s t t H
Figure DE102017120366A1_0049
is defined as the set of states x along u ([0, t h ]) between the PNR and the PGA: S C P = { x ( t ) | t P N R < t < t P G A } ,
Figure DE102017120366A1_0050

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,t] ihrer möglichen Positionen x(t), t E [t,t] bestimmt werden. Für den PNR kann eine obere Grenze mittels Erreichbarkeitsanalyse und eine untere Grenze mittels Abtastverfahren, wie nachfolgend demonstriert, ermittelt werden.Instead of the exact position of points like the PNR and the PGA, only one time interval [ t , t ] of their possible positions x (t), t E [ t , t ] be determined. For the PNR, an upper bound can be determined by reachability analysis and a lower bound by sampling as demonstrated below.

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 t PNR wird ermittelt durch Annäherung von oben an erreichbare Sets (vgl. Definition 5) durch Ermittlung der minimalen t PNR so dass ( t h ) S p r e t h =

Figure DE102017120366A1_0051
unter Berücksichtigung von X 0 = { x ( t ¯ P N R ) } .
Figure DE102017120366A1_0052
The upper limit t PNR is determined by approximating sets that can be reached from above (see definition 5) by determining the minimum t PNR so that ( t H ) S p r e t H =
Figure DE102017120366A1_0051
considering X 0 = { x ( t ¯ P N R ) } ,
Figure DE102017120366A1_0052

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 Spre zurückzukehren von der ermittelten oberen Grenze.Proof: The proposition follows directly from the application of the approximated achievable sets of (1), which assures that the system is not capable of S pre return from the determined upper limit.

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 PNR- und des PGA-Intervalls kann für vordefinierte Aufgabe vorab berechnet werden. Diese vorberechnete Annäherung kann genutzt werden als Ausgangspunkt, welcher nachfolgend weiter verfeinert werden kann. Zusätzlich können beide Suchen beschleunigt werden, indem eine binäre Suchstrategie eingesetzt wird, um die optimalen Grenzen zu bestimmen. Vorteil dieser Strategie ist, dass sie jederzeit angewendet werden kann um die Grenzen in Laufzeit zu verfeinern.A sufficient approximation of PNR - and of PGA Interval can be calculated in advance for a predefined task. This precalculated approach can be used as a starting point, which can be further refined below. In addition, both searches can be sped up by using a binary search strategy to determine the optimal bounds. Advantage of this strategy is that it can be applied at any time to refine the limits in term.

Sicherheitsbeurteilungsafety assessment

Innerhalb von [t,t] lassen sich keine Aussagen über die Sicherheit des Systems treffen.Within [ t , t ], no statements can be made about the safety of the system.

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 o b s .

Figure DE102017120366A1_0053
Daher ist der Korridor SCP, welcher basierend auf dem Initialset an Annahmen errechnet wurde, möglichen Kollisionen ausgesetzt (vgl. 1).It is advantageous to make assumptions to verify the motion plan u ([0, t h ]). A violation of the assumptions results in larger achievable sets of obstacles O b s ,
Figure DE102017120366A1_0053
Therefore, the corridor SCP, which has been calculated based on the initial set of assumptions, is exposed to possible collisions (cf. 1 ).

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. 1) t ∈ [0,tPNR]: eine machbare und kollisionsfreie Trajektorie in einen sicheren Zustand x S p r e
    Figure DE102017120366A1_0054
    ist garantiert bis hin zu dem PNR: t [ 0, t _ P N R ] [ : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p o s t r .
    Figure DE102017120366A1_0055
  2. 2) t ∈ [t PNR, tPGA]: es muss keine kollisionsfreie Traj ektorie innerhalb des SCP existieren.
  3. 3) t ∈ [t PGA,th]: eine machbare und kollisionsfreie Traj ektorie in einen sicheren Zustand x S p o s t
    Figure DE102017120366A1_0056
    ist garantiert ab dem PGA: t [ 0, t ¯ P G A , t h ] : u ( [ t , r ] ) : X ( r , x ( t ) , u ( [ t , r ] ) ) S p o s t r .
    Figure DE102017120366A1_0057
The movement plan u ([0, t h ]) can be subdivided into safe and safety-critical stages using the PNR and PGA:
  1. 1) t ∈ [0, t PNR ]: a feasible and collision-free trajectory in a safe state x S p r e
    Figure DE102017120366A1_0054
    is guaranteed right down to the PNR: t [ 0 t _ P N R ] [ : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p O s t r ,
    Figure DE102017120366A1_0055
  2. 2) t ∈ [ t PNR , t PGA ]: there must be no collision-free trajectory within the SCP.
  3. 3) t ∈ [ t PGA , t h ]: a feasible and collision-free traj ectorie in a safe condition x S p O s t
    Figure DE102017120366A1_0056
    is guaranteed from the PGA: t [ 0 t ¯ P G A . t H ] : u ( [ t . r ] ) : X ( r . x ( t ) . u ( [ t . r ] ) ) S p O s t r ,
    Figure DE102017120366A1_0057

Beweis: Theorem 2 folgt direkt aus Definition 11 bis Definition 13. Sobald das System in Spre oder Spost eintritt kann es in ein bestimmungsgemäßes sicheres Regelungsgesetz ΦSIS wechseln und sicher verbleiben für einen infiniten Zeithorizont.Proof: theorem 2 follows directly from definition 11 to definition 13 , Once the system is in S pre or S post it can change into a proper safe control law Φ SIS and remain safe for an infinite time horizon.

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 i Kosten zugeordnet werden und diese Kosten mit einer Kostenfunktion c(u([0,th])) : SCPu → ℝ verglichen werden.The certainty of k different motion plans u i ([0, t h ]), i ≤ k can be evaluated by using the corridors SCP u i Costs are assigned and these costs are compared with a cost function c (u ([0, t h ])): SCP u → ℝ.

Proposition 4 ist von Definition 13 abgeleitet und erlaubt eine Charakterisierung und Vergleichen der Korridore SCPu i verschiedener Bewegungspläne ui([0,th]). Die Kosten c müssen modelliert werden abhängig von spezifischen Aufgaben und dem genutzten System. Zum Beispiel können die Kosten c zu einer Zeitspanne korrespondieren, wenn das System in dem Korridor angeordnet ist. Die sicherste Bewegungshypothese u*([0,th]) korrespondiert zu der mit den geringsten Kosten c, also z.B. u * ( [ 0, t h ] ) = arg  min i k  c ( u i ( [ 0, t h ] ) ) .

Figure DE102017120366A1_0058
Proposition 4 is by definition 13 derived and allows a characterization and comparison of the corridors SCP u i different movement plans u i ([0, t h ]). The costs c have to be modeled depending on specific tasks and the system used. For example, the cost c may correspond to a time period when the system is located in the corridor. The safest movement hypothesis u * ([0, t h ]) corresponds to the one with the lowest cost c, eg u * ( [ 0 t H ] ) = bad min i k c ( u i ( [ 0 t H ] ) ) ,
Figure DE102017120366A1_0058

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 Spre und Spost kollisionsfrei einzutreten, unabhängig von zeitvariierenden Annahmen.SCP = ∅ of a motion plan u ([0, t h ]) guarantees that the system is always capable of S pre and S post collision-free, regardless of time-varying assumptions.

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 Spre oder Spost endet.Proposition 5 implies that the security of the system can be guaranteed for an infinite time horizon. This is due to the fact that, from each state x (t) along the trajectory u ([0, t h ]), a feasible and collision-free trajectory can be determined that is either in S pre or S post ends.

Claims (8)

Verfahren zur Bewegungsplanung eines Systems, bei dem - ein Initialzustand ermittelt wird, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem initialen Zeitpunkt, - abhängig von dem Initialzustand ein erstes invariantes Set ermittelt wird, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist, - ein Endzustand ermittelt wird, der repräsentativ ist für einen Zustand des Systems zu einem Zielzeitpunkt, - abhängig von dem Endzustand ein zweites invariantes Set ermittelt wird, das repräsentativ ist für Zustände in denen das System sicher ist, - abhängig von dem Initialzustand und dem Endzustand ein Bewegungsplan ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine Bewegung von dem Initialzustand in den Endzustand, - vor Durchführung des Bewegungsplans der Bewegungsplan verifiziert wird, wobei bei der Verifikation eine Überprüfung einer vorgegebenen Menge an Annahmen erfolgt, - ein erstes Intervall ermittelt wird, 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 ermittelt wird, 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 wird.A motion planning method of a system, comprising: - determining an initial state representative of a state of the system at an initial time, - determining, based on the initial state, a first invariant set 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 Finally, a motion plan is determined, which is representative of a movement from the initial state to the final state, - is verified prior to execution of the movement plan of the movement plan, wherein the verification is carried out a check of a predetermined set of assumptions, - a first interval is determined in which is a point of no return, PNR t, that 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, - determining a second interval in which a guaranteed arrival point, PGA, is representative of one State 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, depending on the first interval and the second interval, a trajectory to the first invariant set or to the second invariant set is determined. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Bewegungsplan bei der Verifikation abhängig von dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall in sichere und sicherheitskritische Phasen unterteilt wird.Method according to Claim 1 in which the movement plan during the verification is subdivided into safe and safety-critical phases depending on the first interval and the second interval. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Bewegungsplan abhängig von einer Kostenfunktion ermittelt wird, wobei bei der Kostenfunktion eine sicherste Bewegungshypothese zu einer Bewegungshypothese mit den geringsten Kosten korrespondiert.Method according to Claim 2 in which 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. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trajektorie zu dem ersten invarianten Set oder zu dem zweiten invarianten Set autonom abgefahren wird.Method according to one of the preceding claims, in which the trajectory is traveled autonomously to the first invariant set or to the second invariant set. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei dem die vorgegebene Menge an Annahmen mindestens eine der folgenden Annahmen umfasst: - 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.Method according to one of Claims 1 to 4 in which the predetermined set of assumptions comprises at least one of the following assumptions: - a given maximum absolute acceleration is not exceeded by other systems, - if a given maximum speed is reached, no further acceleration from other systems takes place in the direction of travel, - if a given maximum parameterized speed is reached, there is at most one further predetermined acceleration 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 tracks in the same direction and not on tracks of oncoming traffic, - reversing from other systems are not allowed on a track. Vorrichtung zur Bewegungsplanung, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Motion planning device, wherein the device is adapted to a method according to one of Claims 1 to 5 perform. Computerprogramm zur Bewegungsplanung, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.Computer program for motion planning, wherein the computer program is formed by a method according to one of Claims 1 to 5 when executed on a data processing device. Computerprogrammprodukt umfassend ausführbaren Programmcode, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.Computer program product comprising executable program code, wherein the program code when executed by a data processing device, the method according to one of Claims 1 to 5 performs.
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