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Interaction-aware model predictive control for autonomous highway driving

dc.affiliation.instituteInstitut für Medizinische Elektrotechnik
dc.contributor.authorZhang, Xiaorong
dc.contributor.refereeSchildbach, Georg
dc.contributor.refereeErnst, Floris
dc.date.accepted2026-05-13
dc.date.accessioned2026-06-01T09:37:31Z
dc.date.available2026-06-01T09:37:31Z
dc.date.issued2026
dc.descriptionDie Technologie des automatisierten Fahrens hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt und traditionelle Verkehrsmittel grundlegend verändert. Sie bietet enorme Vorteile, indem sie menschliche Fahrer in einfachen Szenarien ersetzt, und erhöht die Sicherheit durch Fahrerassistenzsysteme. Trotz dieser Fortschritte gibt es bei der vollständigen Automatisierung noch einige große Herausforderungen. Eine wichtige Herausforderung ist es, die Bewegungen der anderen Fahrzeuge in Echtzeit genau vorherzusagen und diese Vorhersagen in die Steuerung der autonomen Fahrzeuge einzubeziehen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Die Vielfalt individueller Fahrweisen, kombiniert mit der Komplexität, Interaktionen zwischen Verkehrsteilnehmern unter Unsicherheiten zu modellieren, macht dieses Problem besonders schwierig. Um neue Einblicke in diese Herausforderungen zu gewinnen, konzentriert sich diese Arbeit auf interaktionsbewusste Verkehrsprognosen und die sichere Steuerung autonomer Fahrzeuge auf Autobahnen. Autobahnen werden als Untersuchungsumgebung gewählt, da sie über strukturierte Fahrspuren und eine geringere Verkehrsdichte verfügen. Ziel ist es, eine Forschungsgrundlage in diesem Umfeld zu schaffen, die auf komplexere Verkehrsumgebungen, wie innerstädtische Straßen, erweitert werden kann. Konkret untersucht diese Arbeit zwei zentrale Forschungsrichtungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Die erste Richtung trennt die Aufgaben der interaktionsbewussten Verkehrsprognose und der sicheren Steuerung autonomer Fahrzeuge. Die zweite Richtung zielt darauf ab, diese Aufgaben in einer einheitlichen Steuerungsarchitektur zu integrieren, um größere Einfachheit und Effizienz zu erreichen. In der ersten Forschungsrichtung werden verschiedene absichtsbasierte Modelle zusammen mit dem Interacting Multiple Model Kalman Filter (IMM-KF) Algorithmus eingesetzt, um Fahrzeugbewegungszustände unter Berücksichtigung von Interaktionen zu schätzen und vorherzusagen. Mögliche Fahrzeugmanöver werden durch eine endliche Anzahl normaler Szenarien dargestellt. Zusätzlich wird ein ``worst-case'' Szenario zusammen mit den normalen Szenarien in einer Scenario-based Model Predictive Control (SCMPC) Architektur berücksichtigt, um die Sicherheit autonomer Fahrzeuge zu gewährleisten. Um die mit der Berücksichtigung des ``worst-case'' Szenarios verbundene Vorsicht der Steuerungsstrategie zu verringern, wird außerdem ein neuartiges Contingency Model Predictive Control (CMPC) Schema mit zeitlich variablen Vorhersagehorizonten und einem erweiterten Terminalset untersucht. In der zweiten Forschungsrichtung wird das Modell Minimizing Overall Braking Induced by Lane Change (MOBIL) verwendet, um mögliche Fahrspuren zu ermitteln, die Fahrzeuge basierend auf Interaktionen einnehmen könnten. Mit einer solchen lateralen Verkehrsprognose werden die longitudinalen Zustände umliegender Fahrzeuge gleichzeitig mit denen des autonomen Fahrzeugs innerhalb einer Model Predictive Control (MPC) Struktur modelliert. Diese Zustände werden durch Minimierung der kollektiven Steuerungskosten aller Fahrzeuge mittels dynamischer, interaktionsbewusster Mechanismen bestimmt. Die vorgeschlagenen Steuerungsarchitekturen werden in einer hochauflösenden IPG CarMaker Simulationsumgebung validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen die Effektivität dieser Ansätze bei der sicheren Steuerung autonomer Fahrzeuge unter Berücksichtigung der Interaktionen von Fahrzeugen auf Autobahnen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten neue Perspektiven zur Bewältigung der Herausforderungen beim autonomen Fahren auf Autobahnen und schaffen die Grundlage für die Erweiterung sicherer Steuerungsstrategien auf komplexere Verkehrsszenarien mit interaktiven Verhaltensweisen. Diese Forschung trägt zum Verständnis der Interaktionsmodellierung in Multi-Agenten-Verkehrsumgebungen bei und liefert strukturierte Ansätze zur Darstellung und Nutzung von Fahrzeuginteraktionen für eine sicherere autonome Steuerung. Das modulare Design der vorgeschlagenen Frameworks erleichtert die Integration in umfassendere autonome Fahrsysteme, wie Wahrnehmungs- und Planungsmodule. Darüber hinaus liefert die Validierung in einer hochauflösenden Umgebung einen praktischen Bezug für eine potenzielle Umsetzung in der realen Welt.
dc.description.abstractAutomated driving technology has developed rapidly over the past decades, profoundly transforming traditional modes of transportation. It offers significant conveniences by replacing human drivers in simple scenarios and improves safety through driver assistance systems. However, despite these advances, achieving full automation still faces substantial challenges. One critical challenge is accurately predicting the motion of surrounding vehicles in real time and incorporating these predictions into the control of autonomous vehicles to ensure safety. The diversity in individual driving behaviors, coupled with the complexity of modeling interactions among traffic participants under uncertainties, makes this problem particularly difficult. To provide insights into these challenges, this thesis focuses on interaction-aware traffic prediction and the safe control of autonomous vehicles on highways. Highways are chosen as the study environment due to their structured lanes and lower traffic density. The aim is to establish a research foundation in this setting that can later be extended to more complex traffic environments, such as urban roads. Specifically, this thesis investigates two primary research directions to address these challenges. The first direction separates the tasks of interaction-aware traffic prediction and safe control of autonomous vehicles. The second direction aims to integrate these tasks into a unified control architecture for greater simplicity and efficiency. In the first research direction, diverse intention-based models along with the Interacting Multiple Model Kalman Filter (IMM-KF) algorithm are employed to estimate and predict vehicle motion states while considering interactions. Possible vehicle motion maneuvers are represented by a finite number of normal scenarios. Additionally, a “worst-case” scenario is considered along with normal scenarios in a Scenario-based Model Predictive Control (SCMPC) architecture to ensure the safety of the autonomous vehicle. Moreover, to reduce the conservatism of the control strategy associated with considering the “worst-case” scenario, a new Contingency Model Predictive Control (CMPC) scheme is explored with time-varying prediction horizons and an enlarged terminal set. In the second research direction, the Minimizing Overall Braking Induced by Lane Change (MOBIL) model is employed to find out the possible lanes that vehicles may occupy based on vehicle interactions. With this lateral traffic prediction, the longitudinal states of surrounding vehicles are modeled simultaneously with those of the autonomous vehicle within a Model Predictive Control (MPC) structure. They are determined by minimizing the collective control costs of all vehicles through dynamic interaction-aware mechanisms. All proposed control architectures are validated in a high-fidelity IPG CarMaker simulation environment. Simulation results demonstrate the effectiveness of these approaches in safely controlling autonomous vehicles while considering vehicles’ interactions on highways. The findings of this thesis provide new perspectives on addressing challenges in high way autonomous driving and establish the foundation for extending safe control strate gies to more complex traffic scenarios involving interactive behaviors. This research advances the understanding of interaction modeling in multi-agent traffic environments, contributing structured approaches to represent and leverage vehicle interactions for safer autonomous control. The modular design of the proposed frameworks facilitates their integration with broader automated driving systems, such as perception and planning modules. Moreover, validation in a high-fidelity simulation environment offers a practical reference for a potential real-world implementation.
dc.identifier.urihttps://epub.uni-luebeck.de/handle/zhb_hl/3664
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:841-202606011
dc.language.isoen
dc.subjectInteraction-aware
dc.subjectTraffic Prediction
dc.subjectModel Predictive Control
dc.subjectSafety
dc.subjectIPG CarMaker Validation
dc.subject.ddc004
dc.titleInteraction-aware model predictive control for autonomous highway driving
dc.typethesis.doctoral

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