Human-Centric Control Design for Safe & Connected Vehicles

Abstract

Vägnätet för vägtransport är en av de främsta orsakerna till skador och dödsfall i världen. Jämfört med flyg- eller tågtrafik är vägtransport avsevärt farligare på grund av dess fortsatta beroende av mänskliga förare och den frekventa förekomsten av osäkra, komplexa trafiksituationer. Under det senaste decenniet har det skett en betydande satsning på att införa fordonsautomation inom vägtransport för att hantera dessa utmaningar. Genom att ersätta den mänskliga föraren har fordonsautomation potential att förbättra både säkerheten och effektiviteten i vägnätet. Under de senaste åren har dock denna utveckling saktat ner. Vi tillskriver denna inbromsning fordonsautomationens fortsatta svårigheter att hantera en lång svans av oväntade trafikproblem, ofta orsakade av skymd sikt, osäkerhet i sensorer eller till och med systemfel. Ett sätt att hantera oväntade trafikproblem är att integrera fjärrstyrda mänskliga operatörer som övervakar, assisterar och vid behov styr fordonen. Trots att ett centralt mål med fordonsautomation har varit att ta bort människor ur beslutsprocessen utgör dessa fjärrstyrda operatörer ett lager av motståndskraft som hjälper till att fylla automationsluckor och hantera fel under fordonets drift. Genom att integrera fjärrstyrda operatörer riskerar vi dock att införa nya mänskliga fel i vägtransportsystemet.

I denna avhandling strävar vi efter att hantera denna utmaning genom att utforma en ny styrningsram som på ett explicit och säkert sätt integrerar fjärrstyrda mänskliga operatörer i ingenjörskonsten och automatiseringen av uppkopplade fordon. Vår huvudsakliga designansats är att noggrant analysera de roller som fjärrstyrda operatörer spelar vid övervakning av uppkopplade fordon och anpassa traditionella styrningsprinciper till dessa roller. För denna anpassning presenterar vi en ny metodik som kombinerar formella metoder och räckbarhetsanalys för att möjliggöra verifiering i realtid. Vi visar att en operatörs specificering kan verifieras genom att konstruera en beräkningsstruktur kallad temporala logikträd, med hjälp av antingen hybrid zonotopbaserad eller Hamilton-Jacobi-räckbarhetsanalys. Genom sin modularitet säkerställer temporala logikträd att när ett uppkopplat fordons specifikation ändras kan verifieringsresultatet uppdateras i realtid. Vidare visar vi att när temporala logikträd konstrueras med Hamilton-Jacobi-räckbarhetsanalys kan vi effektivt syntetisera specifikationskompatibla styrningsmängder som innehåller de styrinmatningar ett fordon kan implementera för att säkerställa att det uppfyller sina krav. Med hjälp av dessa syntetiserade styrningsmängder designar vi ett delat autonomisystem som gör det möjligt för en fjärroperatör att på ett säkert sätt styra ett uppkopplat fordon i situationer där automationen är otillräcklig. Genom att utnyttja denna metodik utvecklar vi en ramverk som gör det möjligt för en fjärrstyrd operatör att ändra ett uppkopplat fordons körspecifikation, automatisera fordonet för att slutföra den uppdaterade specifikationen och vid behov ingripa i fordonets drift – allt med garantier för att fordonet kommer att följa specifikationen. Vi validerar både den tekniska genomförbarheten och fördelarna med det utvecklade ramverket på en småskalig testbädd för uppkopplade fordon, möjliggjord av ett 5G-mobilnät.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-360921