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Safe-by-construction autonomous vehicle overtaking using control barrier functions and model predictive control

超车 模型预测控制 控制(管理) 控制理论(社会学) 工程类 计算机科学 控制工程 人工智能 运输工程
作者
Dingran Yuan,Xinyi Yu,Shaoyuan Li,Xiang Yin
出处
期刊:International Journal of Systems Science [Taylor & Francis]
卷期号:55 (7): 1283-1303 被引量:1
标识
DOI:10.1080/00207721.2024.2304665
摘要

Ensuring safety for vehicle overtaking systems is one of the most fundamental and challenging tasks in autonomous driving. This task is particularly intricate when the vehicle must not only overtake its front vehicle safely but also consider the presence of potential opposing vehicles in the opposite lane that it will temporarily occupy. In order to tackle the overtaking task in such challenging scenarios, we introduce a novel integrated framework tailored for vehicle overtaking manoeuvres. Our approach integrates the theories of varying-level control barrier functions (CBF) and time-optimal model predictive control (MPC). The main feature of our proposed overtaking strategy is that it is safe-by-construction, which enables rigorous mathematical proof and validation of the safety guarantees. We show that the proposed framework is applicable when the opposing vehicle is either fully autonomous or driven by human drivers. To demonstrate our framework, we perform a set of simulations for overtaking scenarios under different settings. The simulation results show the superiority of our framework in the sense that it ensures collision-free and achieves better safety performance compared with the standard MPC-based approach without safety guarantees.
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