Sistema de conducción autónoma aplicado a rotondas simulado en Gazebo y Controlado en ROS 2

Abstract

Desde que existe el mundo de la automoción, se ha aspirado a que el transporte de bienes y personas se realice de manera autónoma para gozar de los beneficios que ello supone, tanto a nivel de seguridad, como de comodidad y de optimización de recursos. Sin embargo, esta ha sido una ardua tarea a nivel tecnológico que a lo largo del último siglo ha derivado en una gran cantidad de avances de los cuales se beneficia la sociedad en su conjunto.

En el presente trabajo se han estudiado los orígenes y avances de la conducción autónoma hasta la actualidad, donde aparecen ligados los términos conectada y cooperativa. De entre los retos existentes, se ha decidido proponer un sistema para la circulación de vehículos autónomos, conectados y cooperativos en rotondas. Para llevarlo a cabo, se han investigado los métodos más recientes y se han aplicado aquellos que mejor se adaptan a la circulación en rotondas.

Estos métodos se han creado e integrado cuatro sistemas: el control del vehículo para seguir una trayectoria, detección de obstáculos mediante una nube de puntos generada por un sensor LIDAR (mediante la adaptación del algoritmo Point-GNN), seguimiento de la normativa de tráfico actual en lo concerniente a las rotondas y un gestor de tráfico para optimizar el acceso a la rotonda en situaciones de gran flujo de tráfico en el interior de la rotonda. Mientras que los dos primeros elementos han constituido la creación de un banco de pruebas para la conducción autónoma en general, los dos últimos elementos ofrecen un avance: en los estudios disponibles no hay una base clara en cuanto a seguimiento de la normativa en rotondas por parte de los vehículos autónomos, ya que se centran más en la creación de la trayectoria y su seguimiento, y no se ha encontrado una literatura extensa sobre gestores del tráfico dinámicos que empleen comunicación V2I para posicionar y coordinar a todos los vehículos.

Concretamente, el seguimiento de la normativa se ha basado en el cumplimiento de unas reglas fijas, de manera que sea más fácilmente aceptado por la sociedad y los legisladores, mientras que el gestor de tráfico aplica una lógica First In First Out, de forma que aquellos vehículos que llevan más tiempo esperando sean capaces de entrar a la rotonda tras un tiempo de espera mínimo (para evitar interrupciones continuas), mientras que los otros vehículos no llegan a parar, ya que adaptan su velocidad en función de las órdenes del gestor de tráfico.

Estos sistemas se han probado en un entorno de simulación diseñado en Gazebo, mientras que la arquitectura del control de todos los sistemas se ha implementado en ROS 2.

Finalmente, se han realizado una serie de pruebas para certificar que se cumple el objetivo de que un vehículo circule de manera cooperativa, coordinada, autónoma y segura en un entorno lo más realista posible, con otros vehículos simulados y controlados para que sean obstáculos dinámicos.

Como resultado final, el sistema propuesto es capaz de moverse a través de la rotonda para llegar a su destino siguiendo la normativa actual y sin colisionar con otros vehículos, además de ser capaz de comunicarse para solicitar el acceso y que los vehículos del interior de la rotonda cooperen para dejarle pasar, aumentando el flujo del tráfico en el interior de la rotonda en un 18%.

ABSTRACT
Since the automotive world exists, it has been intended to transport goods and people through an autonomous system, so that society can benefit, both in terms of safety, comfort, and the optimization of resources. Nevertheless, creating a complete autonomous driving system has been a tough technological challenge that has developed many applications for specific driving tasks during the last century.

The present thesis has studied the origins and progress of autonomous driving up to the present day, where the terms connected and cooperative appear linked to the autonomous driving. Among the existing challenges, it has been decided to propose a system for the movement of autonomous, connected, and cooperative vehicles on roundabouts. To accomplish this task, the most recent methods have been investigated and those that best adapt driving around roundabouts have been applied.

These methods have been created and joined in four systems: vehicle control to follow a given trajectory, obstacle detection given a pointcloud generated by a LIDAR sensor (through the adaptation of the Point-GNN algorithm), follow the current traffic regulations regarding roundabouts and a traffic manager to optimize roundabout access in situations of high traffic flow inside the roundabout. While the first two has been part of the creation of the simulation benchmark, the other two have been a progress for autonomous driving: among the available studies, there is no clear basis about autonomous cars following the current driving regulations on roundabouts, because they focus on creating the path to follow and how to follow it. Also, there are very few studies about a traffic flow manager that uses V2I communication to be able to know the realtime position and coordinate all the vehicles.

Specifically, following the current regulation has been design as ruled-based, so can be easily accepted by regulators and the society. Meanwhile, the traffic manager is based on a First In First Out logic, where those vehicles that had been waiting more time will be able to come inside the roundabout after a minimum waiting time (to avoid constant interruptions). While these vehicles are coming inside, the other vehicles will not stop, they will adapt their speed following the traffic manager orders.

To check these systems, a simulation benchmark has been designed on Gazebo simulator tool, meanwhile the control architecture of these systems has been implemented on ROS 2.

Finally, a series of tests have been made to certify that the objective of having a vehicle driving in a cooperative, connected, autonomous way while still being safe is met by a realistic simulation, with several vehicles simulated and controlled so they would function as dynamic obstacles.

As a final outcome, the system proposed is able to move across a roundabout to reach its final destination, whilst following the current traffic regulations and without colliding with other vehicles. Also, it is possible to communicate a request to access to the roundabout and the vehicles inside cooperate and allow it to enter, increasing the traffic flow inside the roundabout an 18%.