Priority-guided autonomous driving and enhanced safety in mixed traffic environment through Backward Reachability Analysis

The widespread adoption of autonomous vehicles hinges on guaranteeing robust safety and socially-accepted behaviour, particularly in complex multi-agent interactions such as encounters with high-priority emergency vehicles. While predictive methods like Model Predictive Control (MPC) are effective for performance optimization, they often lack the ability to provide formal safety guarantees in worst-case scenarios. Conversely, communication-dependent strategies face significant practical and security-related implementation hurdles. This thesis proposes a decentralized control framework that combines the predictive capabilities of MPC with the formal safety guarantees of Hamilton-Jacobi reachability analysis. Central to this approach is the offline computation of Backward Reachable Tubes (BRTs), which, in this work, represent the set of states from which a collision is unavoidable under worst-case assumptions. These pre-computed BRTs are stored as look-up tables and are used online to embed mathematically rigorous, safety-preserving constraints directly within the real-time MPC optimization problem. The control logic strategically employs two distinct BRTs: a high-priority BRT for interactions with emergency vehicles and a low-priority BRT to manage interactions with other autonomous agents. This dual-BRT approach provides robust safety assurances without relying on external communication networks and is designed to mitigate overly conservative behaviour. The efficacy and generality of the controller were validated through three distinct and challenging simulation scenarios. The results demonstrate that the framework enables emergent cooperative behaviours, such as autonomous gap creation for a yielding vehicle. The controller proved adaptable to different road types, including a two-way road, and all safety verification criteria were met.

L'adozione diffusa dei veicoli autonomi dipende dalla capacità di garantire una sicurezza robusta e comportamenti socialmente accettabili, in particolare nelle interazioni complesse multi-agente, come gli incontri con veicoli di emergenza ad alta priorità. Sebbene i metodi predittivi come il Model Predictive Control (MPC) siano efficaci per l'ottimizzazione delle prestazioni, spesso non sono in grado di fornire garanzie di sicurezza formali negli scenari peggiori. Al contrario, le strategie dipendenti dalla comunicazione esterna, affrontano ostacoli significativi implementativi, pratici e legati alla privacy. Questa tesi propone un'architettura di controllo decentralizzato che combina le capacità predittive dell'MPC con le garanzie di sicurezza formali della Reachability Analysis di Hamilton-Jacobi. In questo approccio è fondamentale il calcolo offline dei Backward Reachable Tubes (BRT), che in questo lavoro corrispondono all'insieme degli stati da cui, nello scenario peggiore, una collisione è inevitabile. Questi BRT pre-calcolati sono memorizzati come tabelle che vengono consultate in tempo reale per incorporare vincoli matematicamente rigorosi e che preservano la sicurezza direttamente nel problema di ottimizzazione MPC. La logica di controllo impiega strategicamente due distinti BRT: un BRT ad alta priorità per le interazioni con i veicoli di emergenza e un BRT a bassa priorità per gestire le interazioni con altri agenti autonomi a bassa priorità. Questo approccio a doppio BRT è progettato per mitigare comportamenti eccessivamente conservativi, e fornisce solide garanzie di sicurezza, senza dipendere da reti di comunicazione esterne. L'efficacia e la generalità del controllore sono state validate attraverso tre scenari di simulazione distinti. I risultati dimostrano che l'architettura consente comportamenti cooperativi, come la creazione autonoma di varchi per un veicolo che deve essere sorpassato. Tutti i criteri di verifica della sicurezza sono stati soddisfatti, ed il controllore si è dimostrato versatile e adatto a diversi tipi di strada, inclusa una strada a doppio senso di marcia.