Multi-agent interaction and enhanced safety in autonomous overtaking with Backward Reachability Analysis

Safe and efficient autonomous driving in complex multi-agent traffic scenarios requires proactive decision-making that anticipates human vehicles behavior while maintaining robustness to uncertainty in human driver actions. A critical challenge lies in ensuring collision-free navigation for an autonomous vehicle without overly conservative motion planning. Hamilton-Jacobi Backward Reachability Analysis is a powerful safety verifica tion method in autonomous system, which leverages the definition of a metric towards the region where collisions become unavoidable despite the best effort. Although the Back ward Reachable Tube (BRT) proves effective in providing mathematical assurance in a two-players differential game, issues arise in real world transposition with multiple human vehicles interactions. The computational challenges deriving from the dynamic programming reliance of the Level Set Method to compute the BRT are addressed with grid selection analysis, ori ented for realistic scenario applications. Optimization techniques, scenario-oriented grids, symmetries and parallelization are combined to obtain an accurate and tractable back ward reachability analysis with multiple high-dimensional BRT calculations. In this work, safety is dually enforced into the Model Predictive Control framework firstly with a min imally interventional reachability-based constraint simultaneously present for each ego human vehicles pair and activated only in near-unsafe configurations. Secondly, with a novel attentive level module based on the reachability analysis, capable of dynamically assessing danger in presence of multiple human vehicles and preventing the autonomous vehicle from undertaking possible dangerous actions. The efficacy of the joint effect of the attentive level and the reactive level of the safety-preserving constraint is demonstrated in multiple simulations in two-lanes realistic road scenarios with both preceding human vehicles and oncoming traffic.

La guida autonoma sicura ed efficiente in scenari complessi con più agenti richiede una capacità decisionale proattiva, capace di anticipare il comportamento dei veicoli guidati da esseri umani e di garantire robustezza rispetto all’incertezza nelle loro azioni. Una sfida consiste nell’assicurare una navigazione priva di collisioni per un veicolo autonomo senza adottare una pianificazione del moto eccessivamente conservativa. L’Hamilton-Jacobi Backward Reachability Analysis è un metodo potente per la verifica della sicurezza nei sistemi autonomi, poiché permette di definire una metrica per individuare la regione in cui le collisioni diventano inevitabili nonostante il miglior controllo possibile. Sebbene il Backward Reachable Tube (BRT) sia efficace nel fornire una garanzia matematica nel contesto di un gioco differenziale a due giocatori, sorgono delle problematiche nella sua trasposizione al mondo reale con interazioni tra molteplici veicoli guidati da esseri umani. Le sfide computazionali derivanti dalla dipendenza della programmazione dinamica nel Level Set Method per il calcolo del BRT vengono affrontate attraverso un’analisi della selezione della griglia, orientata ad applicazioni in scenari realistici. Tecniche di ottimiz zazione, griglie adattate agli scenari, simmetrie e parallelizzazione vengono combinate per ottenere un’analisi accurata e trattabile, con molteplici calcoli di BRT ad alta dimension alità. In questo lavoro, la sicurezza è imposta nella struttura dell’MPC secondo un doppio approccio. In primo luogo, con un vincolo basato sulla raggiungibilità minimamente in vasivo, applicato simultaneamente a ciascuna coppia veicolo autonomo-veicolo umano e attivato solo in configurazioni prossime al pericolo. In secondo luogo, con un nuovo mod ulo di livello attentivo, in grado di valutare dinamicamente il pericolo in presenza di più veicoli umani ed evitare che il veicolo autonomo intraprenda azioni potenzialmente rischiose. L’efficacia dell’azione congiunta del livello attentivo e del livello reattivo del vincolo di sicurezza è dimostrata attraverso molteplici simulazioni in scenari realistici a due corsie, con veicoli umani sia precedenti sia in arrivo nella direzione opposta.