Networked model predictive control for vehicle collision avoidance

• Vernetzte modellbasierte prädiktive Regelung zur Kollisionsvermeidung von Fahrzeugen

Alrifaee, Bassam; Abel, Dirk (Thesis advisor); Ament, Christoph (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung vernetzter modellbasierter prädiktiver Regelung (Net-MPC) für großskalige vernetzte Regelungssysteme (NCS). Die entwickelten Net-MPC Strategien werden für die Kollisionsvermeidung vernetzter Fahrzeuge angewandt. Ziel der Arbeit ist die Verteilung der Regelung eines NCS durch verteilte MPC (DMPC). Betrachtet wird ein NCS mit dynamisch entkoppelten Agenten. Die Kopplung der Agenten erfolgt in der Zielfunktion oder in den Nebenbedingungen des Optimierungsproblems. Dafür werden die Net-MPC Strategien zentrale MPC (CMPC), kooperative DMPC (Coop. DMPC) und nicht-kooperative DMPC (Non-Coop. DMPC) untersucht. Anschließend wird eine neuartige Strategie, genannt prioritäten-basierte nicht-kooperative DMPC (PB-Non-Coop. DMPC), entwickelt und mit obigen Strategien verglichen. Im Vergleich zu aktuell nach Stand der Forschung existierenden Strategien zu Non-Coop. DMPC reduziert diese Strategie die Rechenzeit des NCS und verbessert damit seine Leistungsfähigkeit. Die automatische Kollisionsvermeidung von vernetzten Fahrzeugen erfordert die Regelung eines großskaligen vernetzten Regelungssystems. Es werden Lenkwinkel berechnet, die die Fahrzeuge entlang vorgegebener Referenztrajektorien mit gleichzeitiger Kollisionsvermeidung führen. Das resultierende Optimierungsproblem ist nicht-konvex, weil es nicht-konvexe Nebenbedingungen zur Kollisionsvermeidung beinhaltet. Diese Arbeit präsentiert unterschiedliche Verfahren zur Lösung dieses nicht-konvexen Optimierungsproblems. Die Rechenzeit zur Lösung eines solchen zentralen nicht-konvexen Optimierungsproblems steigt mit der Anzahl der Fahrzeuge dermaßen, dass seine direkte Anwendung praktisch unmöglich ist. Folglich werden die Optimierungsverfahren im Rahmen der Net-MPC Strategien CMPC, Coop. DMPC und PB-Non-Coop. DMPC implementiert. Die Effektivität der entwickelten Net-MPC Strategien und Optimierungsverfahren wird sowohl in Simulationen als auch experimentell mit Modell-Fahrzeugen validiert.