Distributed model predictive approach for vehicular coordination at intersections

Autonomous Vehicles are expected to penetrate the consumer market in the near future, potentially resolving many of difficult traffic situations encountered by everyday travellers and increasing safety of travel.In order to maximize their potential cooperation between vehicles offers a way to reach agreements without relying on traffic rules. One of the most critical areas in traffic is the urban intersection which requires efficient coordination strategies. This Thesis treats the problem of coordination at intersections in a distributed manner, where each vehicle is expected to compute its own trajectory. The proposed algorithms employ branches of optimal control and model predictive control in order to accomplish the safe passage of the vehicles through the intersection space. Two algorithms are presented, one that focuses on avoiding collisions in a distributed manner while the other aims at using the infrastructure for coordination. In the first algorithm, information is communicated between vehicles, where each vehicle's own MPC solves a constrained optimization problem to achieve safe passage. The second algorithm is composed of two stages, the first stage borrows from reservation based approaches and has an 'Intersection Manager' suggest times of arrival to the critical intersection space for vehicles entering the greater intersection area, while the second stage is the employment of the first algorithm in a smaller constrained space to ensure the ability to keep up with any changes in the environment. While both algorithms achieve the required safe passage, comparison between the two shows that the second algorithm shows improvements in performance, and robustness. Finally, a new priority scheme defining the crossing order for vehicles is defined to allow for emergency vehicles. This scheme shows the room for improvement in current heuristics that are in use in the literature when distributed approaches are employed to tackle the problem at hand.

I veicoli autonomi dovrebbero penetrare nel mercato dei consumatori nel prossimo futuro, risolvendo potenzialmente molte delle difficili situazioni del traffico incontrate dai viaggiatori quotidiani e aumentando la sicurezza dei viaggi. Al fine di massimizzare la loro potenziale cooperazione tra veicoli offre un modo per raggiungere accordi senza fare affidamento sul traffico regole. Una delle aree più critiche nel traffico è l'intersezione urbana che richiede strategie di coordinamento efficienti. Questa tesi tratta il problema del coordinamento agli incroci in modo distribuito, dove ogni veicolo dovrebbe calcolare la propria traiettoria. Gli algoritmi proposti utilizzano rami di controllo ottimale e controllo predittivo del modello al fine di realizzare il passaggio sicuro dei veicoli attraverso lo spazio di intersezione. Vengono presentati due algoritmi, uno che si concentra sull'evitare collisioni in modo distribuito, mentre l'altro mira a utilizzare l'infrastruttura per il coordinamento. Nel primo algoritmo, le informazioni vengono comunicate tra i veicoli, in cui il MPC di ciascun veicolo risolve un problema di ottimizzazione vincolata per ottenere un passaggio sicuro. Il secondo algoritmo è composto da due fasi, la prima fase prende in prestito da approcci basati sulla prenotazione e ha un "Intersection Manager" che suggerisce i tempi di arrivo nello spazio di intersezione critico per i veicoli che entrano nell'area di intersezione maggiore, mentre la seconda fase è l'impiego del primo algoritmo in uno spazio ristretto ridotto per garantire la capacità di tenere il passo con eventuali cambiamenti nell'ambiente. Mentre entrambi gli algoritmi raggiungono il passaggio sicuro richiesto, il confronto tra i due mostra che il secondo algoritmo mostra miglioramenti in termini di prestazioni e robustezza. Infine, viene definito un nuovo schema prioritario che definisce l'ordine di attraversamento dei veicoli per consentire i veicoli di emergenza. Questo schema mostra le possibilità di miglioramento delle euristiche attuali che sono in uso in letteratura quando vengono impiegati approcci distribuiti per affrontare il problema attuale.