As autonomous vehicles (AVs) become more prevalent on public roads, they will inevitably interact with human-driven vehicles (HVs) in mixed traffic scenarios. To ensure safe interactions between AVs and HVs, it is crucial to account for the uncertain behaviors of HVs when developing control strategies for AVs. In this paper, we propose an efficient learning-based modeling approach for HVs that combines a first-principles model with a Gaussian process (GP) learning-based component. The GP model corrects the velocity prediction of the first-principles model and estimates its uncertainty. Utilizing this model, a model predictive control (MPC) strategy, referred to as GP-MPC, was designed to enhance the safe control of a mixed vehicle platoon by integrating the uncertainty assessment into the distance constraint. We compare our GP-MPC strategy with a baseline MPC that uses only the first-principles model in simulation studies. We show that our GP-MPC strategy provides more robust safe distance guarantees and enables more efficient travel behaviors (higher travel speeds) for all vehicles in the mixed platoon. Moreover, by incorporating a sparse GP technique in HV modeling and a dynamic GP prediction in MPC, we achieve an average computation time for GP-MPC at each time step that is only 5% longer than the baseline MPC, which is approximately 100 times faster than our previous work that did not use these approximations. This work demonstrates how learning-based modeling of HVs can enhance safety and efficiency in mixed traffic involving AV-HV interaction.


翻译:随着自主车辆(AV)在公共道路上越来越普遍,在混合交通情况中,它们不可避免地会与人驱动车辆(HV)发生互动。为了确保AV和HV之间安全互动,在为AV制定控制战略时,必须说明HV的不确定行为。在本文件中,我们建议对HV采用一种有效的基于学习的建模方法,将第一原则模型与高斯进程(GP)学习基础部分结合起来。GP-MPC战略纠正了第一个原则模型的速度预测,并估计了它的不确定性。使用这个模型,即GP-MPC模型预测控制(MPC)战略,目的是通过将不确定性评估纳入远程限制,加强混合车辆排的安全控制。我们把我们的GP-MPC战略与仅使用第一个原则模型进行模拟研究的基线MPC战略作比较。我们GP-MP战略提供了更可靠的安全距离保障,并且能够提高旅行行为的效率(更高的旅行速度模型),这个模型被称为GV-MPC的模型(MP)战略,旨在增强混合机动车辆(HMP)的每步数周期工作比我们的平均GPMPML)的每步都能够提高速度。</s>

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