TU Darmstadt / ULB / TUprints

Silent Testing for Safety Validation of Automated Driving in Field Operation

Wang, Cheng (2021):
Silent Testing for Safety Validation of Automated Driving in Field Operation. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019819,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Silent Testing for Safety Validation of Automated Driving in Field Operation
Language: English
Abstract:

The safety validation of automated vehicles is currently a major challenge, even though substantial achievements have been made. The credibility of the results of conventional approaches such as the real-world testing or the simulation-based testing is questioned despite enormous testing effort. Therefore, new approaches for safety assurance with a high degree of credibility, adaptability and applicability are thus pursued. Under this circumstance, the approach “Virtual Assessment of Automation in Field Operation” (VAAFO) for testing automated vehicles is motivated. The key idea of this approach is that an instance is in charge of driving a vehicle, while a virtual automated vehicle runs in parallel in a virtual world, receiving real sensor inputs but separated from the real actuators. The instance in charge in the real world can be either a human driver or an automated precursor or representative system. Thus, the virtual automated vehicle and the instance in charge make decisions simultaneously but independently. Based on this working principle, the driving function of an automated vehicle can be tested under real conditions without bringing any additional risks. The goal of the work is to develop and implement the approach and finally to determine its contribution to the safety validation of automated vehicles. During the development and implementation of the approach, four research questions are studied. How to guarantee a valid environmental representation for the virtual vehicle is the first research focus. Since the objects detected by sensors are related to the instance in charge, they cannot be directly used for the virtual vehicle in the case of state deviations between the instance in charge and the virtual vehicle. Therefore, the mapping of the environmental representation in the virtual world is investigated. To answer this research question, a coordinate transformation is performed, and the lifetime and the birth cycle of virtual vehicles as two key parameters are introduced. How to evaluate the safety of the virtual vehicle and identify critical scenarios is the second research focus. To address the second research question, triggers are derived and substantiated by a developed criticality index. The third research focus is the development of a suitable ring buffer and a modular framework for the approach. The determination of the coverage degree of the approach is the last research focus. In order to derive the application scope of the approach, simulations and real-world tests are performed. Finally, considering the coverage degree and the limits of applicability, the role of the VAAFO approach in the whole family of approaches for the safety validation of automated vehicles is determined. Lastly, further studies for the future are pointed out.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Sicherheitsvalidierung von automatisierten Fahrzeugen ist derzeit eine große Herausforderung, auch wenn bereits viele Erfolge erzielt wurden. Die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse konventioneller Ansätze wie reale oder simulationsbasierte Tests wird trotz enormem Testaufwand in Frage gestellt. Daher werden neue Ansätze zur Absicherung mit einem hohen Maß an Glaubwürdigkeit, Anpassungsfähigkeit und Anwendbarkeit angestrebt. Vor diesem Hintergrund ist der Ansatz „Virtual Assessment of Automation in Field Operation“ (VAAFO) zum Testen von automatisierten Fahrzeuge motiviert. Die Kernidee dieses Ansatzes ist, dass eine Instanz das Führen eines realen Fahrzeugs übernimmt, während ein virtuelles automatisiertes Fahrzeug parallel in einer virtuellen Welt fährt und reale Sensoreingaben erhält, aber von den realen Aktoren getrennt ist. Die reale Führungsinstanz kann entweder ein menschlicher Fahrer oder ein automatisiertes Vorläufer- oder Stellvertretersystem sein. So treffen das virtuelle automatisierte Fahrzeug und die Führungsinstanz Entscheidungen gleichzeitig, aber unabhängig voneinander. Auf Basis dieses Arbeitsprinzips kann die automatisierte Fahrzeugführungsfunktion unter realen Bedingungen getestet werden, ohne zusätzliche Risiken zu bringen. Ziel der Arbeit ist die Entwickelung und Implementierung dieses Ansatzes sowie die Bestimmung seines Beitrags zur Sicherheitsvalidierung von automatisierten Fahrzeugen. Bei der Entwicklung und Umsetzung des Ansatzes werden vier Forschungsfragen untersucht. Wie eine gültige Umgebungsrepräsentation für das virtuelle Fahrzeug zu garantieren ist, ist der erste Forschungsschwerpunkt. Da die von Sensoren erfassten Objekte auf die Führungsinstanz bezogen sind, können sie bei Zustandsabweichungen zwischen Führungsinstanz und virtuellem Fahrzeug nicht direkt für das virtuelle Fahrzeug genutzt werden. Daher wird die Abbildung der Umgebungsrepräsentation in der virtuellen Welt untersucht. Zur Beantwortung dieser Forschungsfrage wird eine Koordinatentransformation durchgeführt und es werden die Lebensdauer und der Geburtszyklus der virtuellen Fahrzeuge als zwei Schlüsselparameter eingeführt. Wie die Sicherheit des virtuellen Fahrzeugs bewertet und kritische Szenarien identifiziert werden können, ist die zweite Forschungsfrage. Zur Adressierung der zweiten Forschungsfrage werden Trigger abgeleitet und durch einen entwickelten Kritikalitätsindex konkretisiert. Der dritte Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung eines geeigneten Ringpuffers sowie eines modularen Frameworks für diesen Ansatz. Die Bestimmung des Abdeckungsgrades des Ansatzes ist der letzte Forschungsschwerpunkt. Um den Anwendungsbereich des Ansatzes abzuleiten, werden Simulation und reale Tests durchgeführt. Schließlich wird unter Berücksichtigung des Abdeckungsgrades und der Grenzen der Anwendbarkeit die Rolle vom VAAFO-Ansatz in der gesamten Familie der Ansätze zur Sicherheitsvalidierung von automatisierten Fahrzeugen bestimmt. Abschließend wird auf weitere Studien für die Zukunft hingewiesen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XV, 163 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
Date Deposited: 16 Nov 2021 12:22
Last Modified: 16 Nov 2021 12:22
DOI: 10.26083/tuprints-00019819
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198199
Referees: Winner, Prof. Dr. Hermann ; Klingauf, Prof. Dr. Uwe
Refereed: 26 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19819
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