TU Darmstadt / ULB / TUprints

Collaborative Sensing in Automotive Scenarios : Enhancement of the Vehicular Electronic Horizon through Collaboratively Sensed Knowledge

Burgstahler, Daniel-Maurice :
Collaborative Sensing in Automotive Scenarios : Enhancement of the Vehicular Electronic Horizon through Collaboratively Sensed Knowledge.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
DBu_Dissertation_pub.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (7MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Collaborative Sensing in Automotive Scenarios : Enhancement of the Vehicular Electronic Horizon through Collaboratively Sensed Knowledge
Language: English
Abstract:

Modern vehicles are equipped with a variety of advanced driver assistance systems that increase driving comfort, economy and safety. Respective information sources for these systems are local sensors, like cameras, radar or lidar. However, the next generation of assistant systems will require information above the local sensing range. An extension of the local perception can be provided by the use of appro- priate communication mechanisms. Hence, other vehicles can serve as an informa- tion source by providing their local perception data, but also any other information source, such as cloud services. Required communication can take place directly be- tween vehicles via mobile ad-hoc communication or via a backend by the use of cellu- lar communication. The appropriate technology depends on the respective use case, that determines information content, granularity and tolerated latency. Based on liter- ature, we derived a categorization of use case dependent information demands, with respect to communication. The resulting three zones, namely safety zone, awareness zone and information zone, refer to the tolerated latency between the occurrence of an information and the point in time the information has to be processed at the receiver side. While communication mechanisms for the safety zone, i. e., the ego-vehicle’s di- rect surroundings with a remaining driving time of less than 2 − 5 seconds, have been focus in research and standardization in the past, respective mechanisms for larger distances have not been sufficiently considered. In this thesis, we examine in- formation distribution mechanisms in context of the previously mentioned use case categories. As the first key contribution, we consider the gathering of vehicular sensed data with regard to the information zone, i. e., more than 30 seconds remaining driving time to the point of the information origin. We developed a probabilistic data collection model that is able to reduce data traffic up to 85 % compared to opportunistic trans- mission and still sticks to certain quality metrics, e. g., a maximum detection latency. A central adaption of transmission probabilities to the density of transmitting vehi- cles is applicable for cellular use and copes with sparse traffic situations. Moreover, we have extended this approach by hybrid communication, i. e., the parallel use of cellular and mobile ad-hoc communication. This allows to further reduce cellular based data traffic, in particular in case of dense traffic. As the second key contribution, we examine the efficient distribution of the pre- viously gathered information. Information is structured and prioritized according to the most probable driving path, as so-called electronic horizon. The transmission towards the vehicles is performed in small data packets, according to the given pri- orities. The aim is to transmit only information relevant for road segments that will be used. Concerning this, we developed a mechanism for most probable travel path estimation and a data structure for efficient mapping of the electronic horizon. As the third key contribution, we examine the information exchange in the aware- ness zone, an area between the safety zone and the information zone with about 5 to 30 seconds remaining driving time to the point of the information origin. Derived from the respective use cases, this data is not directly safety relevant, but it is still about dynamic position information of neighboring vehicles. Due to the relatively

long distance, direct vehicle to vehicle communication is not possible. Respective data has to be forwarded by intermediate vehicles. However, position beacons with- out data forwarding can already cause channel congestion in dense traffic situations. The use of cellular networks would require absolute total network coverage with permanent free channel resources. To enable forwarding of dynamic vehicle infor- mation anyhow, we developed at first a mechanism to reduce the channel load for position beacons. Next, we use the freed-up bandwidth to forward dynamic informa- tion about neighboring vehicle positions. With this mechanism, we are able to more than double the range of vehicular perception, with respect to moving objects. In extension to standardized communication mechanisms for the safety relevant direct proximity, our three mentioned contributions provide the means to complete the long range vehicular perception for future advanced driver assistance systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen ausgestat- tet, welche das Fahren in Bezug auf Komfort, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit ver- bessern. Informationsbasis sind hierfür Sensorinformationen lokal verbauter Senso- ren, wie beispielsweise Kameras, Radarsensoren oder Lidar. Die nächste Stufe von Fahrerassistenzsystemen benötigt Informationen über die Sichtweite lokal verbau- ter Sensoren hinaus. Diese Informationen können mittels geeigneter Kommunikati- onsmechanismen bereitgestellt werden. Zur Erfassung dieser Informationen können andere Fahrzeuge als mobile Sensorknoten dienen, aber auch beliebige andere Infor- mationsquellen, wie beispielsweise Cloud Dienste. Die Kommunikation kann direkt zwischen den Fahrzeugen oder über ein Backend erfolgen. Als Kommunikations- technologie kann hierbei Mobilfunk, aber auch direkte Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen eingesetzt werden. Welcher Kommunikationsweg und ent- sprechender Kommunikationsmechanismus geeignet ist, hängt vom jeweiligen An- wendungsfall ab, welcher den Informationsinhalt, die Granularität der Daten und die tolerierbare Latenz bestimmt. Dazu wurde aus der Literatur eine Klassifikati- on von Anwendungsfällen bezüglich der Kommunikationsanforderungen abgelei- tet. Die daraus resultierenden Bereiche Sicherheitszone, Achtsamkeitszone und Informa- tionszone beziehen sich auf die tolerierbare Latenz zwischen dem Auftreten einer Information und der Verarbeitung auf der Empfängerseite. Kommunikationsmecha- nismen für die Sicherheitszone, also den direkten Nahbereich um das Ego-Fahrzeug mit einer Restfahrzeit bis zum Ereignispunkt von weniger als 2-5 Sekunden, wur- den in den letzten Jahren intensiv in Forschung und Standardisierung behandelt. Im Gegensatz dazu wurden geeignete Informationsverteilmechanismen für entfern- tere Bereiche nicht hinreichend behandelt. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu geeignete Informationsverteilmechanismen im Kontext der zuvor genannten Anwen- dungsfälle untersucht. Der erste Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem effizienten Erfassen von Informationen für den Bereich Informationszone, mit mehr als 30 Sekunden Restfahr- zeit bis zum Ort der Information. Das entwickelte probabilistische Erfassungsmodell ermöglicht das Einhalten bestimmter Qualitätsmetriken, wie eine maximale Erken- nungslatenz, bei gleichzeitiger Reduktion des Datenvolumens um bis zu 85% ge- genüber einem opportunistischen Übertragungsmodell. Die zentrale Adaption der Übertragungswahrscheinlichkeiten an die Dichte der sendenden Fahrzeuge ist ge- eignet für eine mobilfunkbasierte Erfassung und auch für geringe Fahrzeugdichten anwendbar. Durch eine Erweiterung um hybride Kommunikation, d.h. die parallele Verwendung von Mobilfunk und mobiler Ad-hoc Kommunikation, kann eine weitere Verringerung des mobilfunkbasierten Datenvolumens gezeigt werden. Besonders in dichtem Verkehr bietet dies ein großes Einsparpotential. Der zweite Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem effizienten Verteilen der zuvor gesammelten Informationen. Basierend auf dem wahrscheinlichsten Fahr- pfad werden die Informationen als so genannter elektronischer Horizont aufgebaut und priorisiert. Die Übertragung zum Fahrzeug erfolgt in kleinen Paketen, gemäß den Prioritäten. Ziel ist es möglichst nur Informationen zu den Streckenabschnit- ten zu übertragen, welche auch befahren werden. Dazu wurde ein Verfahren zur Abschätzung des Fahrpfades und eine Datenstruktur zur effizienten Abbildung des elektronischen Horizonts entwickelt. Der dritte Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem Informationsaustausch in der Achtsamkeitszone, einem Bereich zwischen der Sicherheitszone und der Infor- mationszone mit etwa 5 bis 30 Sekunden Restfahrzeit bis zum Ort der Information. Abgeleitet aus den Anwendungsfällen handelt es sich hierbei zwar nicht um sich- heitskritische Informationen, aber dennoch vorwiegend um dynamische Informatio- nen zur Position von Nachbarfahrzeugen. Aufgrund der relativ großen Distanz ist eine direkte Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation nicht möglich. Entsprechende Daten müssen hierfür von dazwischenfahrenden Fahrzeugen weitergeleitet werden. Bei dichtem Verkehr kann der Funkkanal durch die Positionsnachrichten der Fahr- zeuge bereits ohne Weiterleitung vollständig ausgelastet sein. Eine entsprechende Realisierung über Mobilfunk würde eine absolut flächendeckende Netzabdeckung und stetige Kanalressourcen voraussetzen. Um dennoch eine Weiterleitung dyna- mischer Fahrzeuginformationen zu ermöglichen, wurde zunächst ein Verfahren zur Reduzierung der durch die Positionsnachrichten der Fahrzeuge erzeugten Kanallast entwickelt. Die so frei gewordene Kanalkapazität kann nun für die Weiterleitung von dynamischen Positionsinformationen benachbarter Fahrzeuge verwendet wer- den. Durch diesen Mechanismus kann die Reichweite des lokalen Wissens über dy- namische Informationen von Nachbarfahrzeugen mehr als verdoppelt werden. In Ergänzung zu den bereits standardisierten Kommunikationsmechanismen für den direkten sicherheitskritischen Nahbereich, ermöglichen die drei genannten Bei- träge die Vervollständigung des für zukünftige Fahrerassistenzsystemen notwendi- gen Wahrnehmungsbereichs durch effiziente, anwendungsfallspezifische Kommuni- kation.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > t Multimedia Communications
Date Deposited: 17 Jul 2017 11:48
Last Modified: 17 Jul 2017 11:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65541
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf and David, Prof. Dr. Klaus
Refereed: 19 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6554
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year