title: Decentralized coordination of autonomous vehicles for Lane-Free driving under restricted communication

title: Αποκεντρωμένος συγχρονισμός αυτόνομων οχημάτων για οδήγηση χωρίς τη χρήση λωρίδων κυκλοφορίας και υπό περιορισμούς επικοινωνίας
Creators: name: Γερωνυμακης Παυλος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: In recent years, there are significant advancements in the field of autonomous
vehicles, due to progress in sensor technology, detection systems, computing
power, and artificial intelligence algorithms. All together generated a greater
acceptance of autonomous vehicles in the public eye and have widen the
horizon of research in this field. One recently introduced concept currently
explored is lane-free traffic, which studies vehicles moving in roads without
being subjected to traditional lane-based restrictions and are free to move
across the width of the road. In this domain, existing research has employed
the Max-plus message-passing algorithm in order to enable coordination of
vehicles in the environment. For that research endeavor, it is assumed that
all vehicles moving along the lane-free highway are connected, can commu-
nicate and coordinate with each other. Max-plus is an iterative algorithm for
coordination in multi-agent environments, where connected agents exchange
local maximization messages until convergence or a timeout.
However, when allowing for the realistic perspective that there exist inde-
pendent agents (vehicles) that are unable or unwilling to communicate with
others, a certain level of uncertainty is created that renders the aforemen-
tioned coordination approach ineffective. For the new independent agents
introduced to the lane-free environment, we consider that their observational
information (position, speed) is known to the agents coordinating with Max-
plus, but not their intended actions. To combat this, in the present diploma
thesis we adjust the Max-plus algorithm accordingly, so that coordinating
agents can observe and take into consideration independent agents via emu-
lated messages.
These emulated messages are formed through the employment of vari-
ous methods from the literature of Multiagent Decision Making under Un-
certainty, namely the Maximax, Maximin, Hurwicz, Minimax Regret and
Laplace criteria. Moreover, we formulate a simple opponent model that pre-
dicts the actions of the observed agents. Finally, we provide a thorough eval-
uation of our approach, including a detailed comparison of all criteria used
for calculation of messages. Our experimental evaluation examines the per-
formance across various situations, with ranging penetration rates for inde-
pendent agents and under different levels of added noise in their behavior.
description: Τα τελευταία χρόνια έχει επιτευχθεί μεγάλη πρόοδος στον τομέα των αυτόνομων οχημάτων, η οποία πηγάζει από τις σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία αισθητήρων, στα συστήματα ανίχνευσης, την υπολογιστική ισχύ και τους αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης. Συνολικά, οδήγησαν σε μεγαλύτερη αποδοχή των αυτόνομων οχημάτων από το κοινό και σε διεύρυνση του ορίζοντα της έρευνας σε αυτόν τον τομέα. Μία από τις ιδέες που πρόσφατα ερευνάται είναι η κυκλοφορία σε περιβάλλοντα χωρίς λωρίδες, η οποία μελετά οχήματα που κινούνται σε δρόμους χωρίς να υπόκεινται στους περιορισμούς της παραδοσιακής λωρίδας και είναι ελεύθερα να κινούνται σε όλο το πλάτος του δρόμου. Σε αυτόν τον τομέα, υπάρχουσες έρευνες έχουν χρησιμοποιήσει τον αλγόριθμο διαβίβασης μηνυμάτων Max-plus, προκειμένου να επιτρέπεται ο συντονισμός των οχημάτων στο περιβάλλον αυτό. Για αυτήν την ερευνητική κατεύθυνση, θεωρείται ότι όλα τα οχήματα που κινούνται κατά μήκος του αυτοκινητόδρομου είναι συνδεδεμένα, μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους και να συντονίζονται. Ο Max-plus είναι ένας επαναληπτικός αλγόριθμος για την επίτευξη του συντονισμού συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων, όπου συνδεδεμένοι πράκτορες ανταλλάσσουν τοπικά μηνύματα μεγιστοποίησης μέχρι να επιτευχθεί σύγκλιση ή κάποιος χρονικός περιορισμός.

στόσο, μια πιο ρεαλιστική υπόθεση είναι η συνύπαρξη των παραπάνω αυτόνομων πρακτόρων με οχήματα που δεν μπορούν ή δεν επιθυμούν να επικοινωνήσουν. Αυτό δημιουργεί ένα επίπεδο αβεβαιότητας που καθιστά την προαναφερθείσα προσέγγιση συντονισμού ακατάλληλη. Για τους νέους ανεξάρτητους πράκτορες που εισάγονται στον αυτοκινητόδρομο, οι παρατηρήσιμές τους πληροφορίες (θέση, ταχύτητα) είναι γνωστές στους πράκτορες που συντονίζονται με τον Max-plus, αλλά όχι και οι επιθυμητές ενέργειές τους. Για να το καταπολεμήσουμε αυτό, στην παρούσα διπλωματική εργασία προσαρμόσαμε τον αλγόριθμο Max-plus ανάλογα, έτσι ώστε οι πράκτορες που συντονίζονται με αυτόν να μπορούν επίσης να παρατηρούν και να λαμβάνουν υπόψη ανεξάρτητους πράκτορες μέσω προσομοιωμένων μηνυμάτων.
Αυτά τα προσομοιωμένα μηνύματα διαμορφώνονται μέσω της χρήσης διάφορων μεθόδων από την βιβλιογραφία που σχετίζεται με την λήψη αποφάσεων σε περιβάλλοντα πολλαπλών πρακτόρων υπό αβεβαιότητα, συγκεκριμένα τα κριτήρια Maximax, Maximin, Hurwicz, Minimax Regret και Laplace. Αναπτύξαμε επίσης μια απλή μοντελοποίηση αντιπάλων που προβλέπει τις ενέργειες των ανεξάρτητων πρακτόρων. Τέλος, παρέχουμε μια πειραματική αξιολόγηση της προσέγγισής μας, συμπεριλαμβανομένης μιας λεπτομερούς σύγκρισης όλων των κριτηρίων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των μηνυμάτων. Η αξιολόγηση των πειραμάτων μας εξετάζει και συγκρίνει την απόδοση των κριτηρίων που χρησιμοποιήσαμε σε διαφορετικά σενάρια, με ποικίλα ποσοστά ανεξάρτητων πρακτόρων στον αυτοκινητόδρομο χωρίς λωρίδες και κάτω από διαφορετικά επίπεδα πρόσθετου θορύβου στη συμπεριφορά τους.