Design of Cooperative Advanced Driver Assistance System based on Artificial Intelligence Models aware of driving profiles and the environment surrounding the vehicle.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
The design of driver assistance systems to improve road safety has been present since the beginning of the automotive industry itself. These systems have evolved, in close relationship with technological advances in the areas of electronics, computer systems and telecommunications. Different stages have marked this evolution, from the emergence of the first passive systems, the transition from these to the so-called active assistance systems and more recently the appearance of cooperative assistance systems, which incorporate communication elements. The design of these systems has a close and direct relationship with the main aspects related to road safety: the driver, the vehicle, and the environment. The absence of any of these elements or the failure to consider the interrelations between them contributes to a deterioration in road safety.
The driver is a relevant element for road safety. Although the first steps are being taken in the implementation of autonomous driving, the current transition stage that involves the coexistence and interaction of autonomous vehicles with traditional vehicles driven by a human driver seems to be far from being concluded in the short and medium term. Therefore, it is relevant to consider the study of the driver and his different driving profiles in the design of assistance systems, both to assist the driver in non-autonomous vehicles and to incorporate this information related to human drivers in autonomous vehicles, favoring their integration in the road scenario where they must coexist with the rest of the non-autonomous vehicles. The more autonomous vehicles know human drivers, the better they will be able to interact with them, which contributes to promoting road safety. One of the most widely used methods in the literature to address the study of driver profiles is the analysis of the vehicle’s trajectory. Lane-changing maneuvers on highways are particularly a risk factor for road safety, given the high driving speeds of these scenarios. These maneuvers allow the analysis of the bidirectional behavior of vehicle movement and thus enrich the study of bidirectional driving profiles of drivers.
In this thesis, we present a study on the design of Cooperative advanced driver assistance systems (C-ADAS) and propose a conceptual architecture that includes the main elements related to road safety: the driver, the vehicle, and the environment, as well as the interrelation between these through a holistic and systemic approach. In this architecture, the remote operation of this C-ADAS based on the Internet of vehicles (IoV) paradigm is also considered, as well as the enabling technologies involved, the main evaluation mechanisms, and the performance metrics used in these systems. From data on real trajectories, we analyze bidirectional driving profiles in lane-changing maneuvers on highways, grouped according to the vehicle’s longitudinal and lateral movement behavior. We obtain an analytical description of these driving profiles, through logistic models, which describe the drivers’ behaviors during the execution of these maneuvers. This information improves the prediction accuracy of the most probable trajectory of the vehicle when drivers change lanes. These models were evaluated for many time windows of historical trajectory data, right and left turn maneuvers, different driving profiles for each type of maneuver, and various traffic lane configurations, the results obtained showed an accuracy greater than 92% in the detection of driving profile and greater than 99.1% in the particular driver detection.
El diseño de sistemas de asistencia a la conducción para mejorar la seguridad vial ha estado presente desde los inicios de la propia industria automovilística. Estos sistemas han evolucionado en estrecha relación con los avances tecnológicos en las áreas de electrónica, informática y telecomunicaciones. Diferentes etapas han marcado esta evolución, desde la aparición de los primeros sistemas pasivos, la transición de estos a los llamados sistemas de asistencia activa y, más recientemente, la aparición de los sistemas de asistencia cooperativos, que incorporan elementos de comunicación. El diseño de estos sistemas guarda una relación estrecha y directa con los elementos principales relacionados con la seguridad vial: el conductor, el vehículo y el entorno. La ausencia de alguno de estos elementos o la no consideración de las diferentes interrelaciones entre ellos, tributan a una degradación de la seguridad vial. El conductor es a día de hoy un elemento relevante para la seguridad vial, si bien se están dando los primeros pasos en la implementación de la conducción autónoma, la etapa actual de transición que involucra la coexistencia e integración de los vehículos autónomos con los vehículos tradicionales conducidos por un conductor humano, parece estar lejos de concluir en el corto y mediano plazo. Por ello es relevante considerar el estudio del conductor y sus diferentes perfiles de conducción en el diseño de los sistemas de asistencia, tanto para asistir al mismo en los vehículos no autónomos como para incorporar esta información relacionada a los conductores humanos en los vehículos autónomos, lo cual favorecerá la integración de estos en el escenario vial donde deben coexistir con el resto de los vehículos no autónomos. En la medida en que los vehículos autónomos conozcan mejor a los conductores humanos, mejor podrán interactuar con estos, lo cual tributa a favorecer la seguridad vial. Una de las formas más empleadas en la literatura para abordar el estudio de los perfiles de un conductor, es mediante el análisis de la trayectoria del vehículo. Las maniobras de cambio de carril en autopistas, constituyen particularmente un elemento de riesgo para la seguridad vial, dadas las altas velocidades a las que se circula en estos escenarios. Estas maniobras, permiten analizar el comportamiento bidireccional del movimiento del vehículo y con ello, enriquecer el estudio de perfiles de conducción bidireccionales de los conductores. En esta tesis, presentamos un estudio sobre el diseño de C-ADAS y proponemos una arquitectura conceptual que incluye los elementos principales relacionados con la seguridad vial: el conductor, el vehículo y el entorno, así como la interacción entre estos mediante un enfoque holístico y sistémico. En esta arquitectura, se considera además la operación remota de este C-ADAS basado en el paradigma de IoV, así como las tecnologías facilitadoras involucradas, los principales mecanismos de evaluación y métricas de desempeño empleados en estos sistemas. Analizamos a partir de datos de trayectorias reales, perfiles de conducción bidireccionales en maniobras de cambio de carril en autopistas, agrupados según el comportamiento del movimiento longitudinal y lateral del vehículo. Obtenemos una descripción matemática de estos perfiles de conducción, mediante modelos logísticos, que describen el comportamiento de los conductores durante la ejecución de estas maniobras. Esta información mejora la precisión en la predicción de la trayectoria más probable del vehículo cuando los conductores cambian de carril. Estos modelos fueron evaluados para diferentes ventanas de tiempo de datos históricos de trayectoria, maniobras a la derecha y a la izquierda, diferentes perfiles de conducción para cada tipo de maniobra y distintas configuraciones de carril de circulación, los resultados obtenidos mostraron una precisión superior al 92% en la detección del perfil de conducción y superior al 99,1% en la detección de un conductor en particular.
El diseño de sistemas de asistencia a la conducción para mejorar la seguridad vial ha estado presente desde los inicios de la propia industria automovilística. Estos sistemas han evolucionado en estrecha relación con los avances tecnológicos en las áreas de electrónica, informática y telecomunicaciones. Diferentes etapas han marcado esta evolución, desde la aparición de los primeros sistemas pasivos, la transición de estos a los llamados sistemas de asistencia activa y, más recientemente, la aparición de los sistemas de asistencia cooperativos, que incorporan elementos de comunicación. El diseño de estos sistemas guarda una relación estrecha y directa con los elementos principales relacionados con la seguridad vial: el conductor, el vehículo y el entorno. La ausencia de alguno de estos elementos o la no consideración de las diferentes interrelaciones entre ellos, tributan a una degradación de la seguridad vial. El conductor es a día de hoy un elemento relevante para la seguridad vial, si bien se están dando los primeros pasos en la implementación de la conducción autónoma, la etapa actual de transición que involucra la coexistencia e integración de los vehículos autónomos con los vehículos tradicionales conducidos por un conductor humano, parece estar lejos de concluir en el corto y mediano plazo. Por ello es relevante considerar el estudio del conductor y sus diferentes perfiles de conducción en el diseño de los sistemas de asistencia, tanto para asistir al mismo en los vehículos no autónomos como para incorporar esta información relacionada a los conductores humanos en los vehículos autónomos, lo cual favorecerá la integración de estos en el escenario vial donde deben coexistir con el resto de los vehículos no autónomos. En la medida en que los vehículos autónomos conozcan mejor a los conductores humanos, mejor podrán interactuar con estos, lo cual tributa a favorecer la seguridad vial. Una de las formas más empleadas en la literatura para abordar el estudio de los perfiles de un conductor, es mediante el análisis de la trayectoria del vehículo. Las maniobras de cambio de carril en autopistas, constituyen particularmente un elemento de riesgo para la seguridad vial, dadas las altas velocidades a las que se circula en estos escenarios. Estas maniobras, permiten analizar el comportamiento bidireccional del movimiento del vehículo y con ello, enriquecer el estudio de perfiles de conducción bidireccionales de los conductores. En esta tesis, presentamos un estudio sobre el diseño de C-ADAS y proponemos una arquitectura conceptual que incluye los elementos principales relacionados con la seguridad vial: el conductor, el vehículo y el entorno, así como la interacción entre estos mediante un enfoque holístico y sistémico. En esta arquitectura, se considera además la operación remota de este C-ADAS basado en el paradigma de IoV, así como las tecnologías facilitadoras involucradas, los principales mecanismos de evaluación y métricas de desempeño empleados en estos sistemas. Analizamos a partir de datos de trayectorias reales, perfiles de conducción bidireccionales en maniobras de cambio de carril en autopistas, agrupados según el comportamiento del movimiento longitudinal y lateral del vehículo. Obtenemos una descripción matemática de estos perfiles de conducción, mediante modelos logísticos, que describen el comportamiento de los conductores durante la ejecución de estas maniobras. Esta información mejora la precisión en la predicción de la trayectoria más probable del vehículo cuando los conductores cambian de carril. Estos modelos fueron evaluados para diferentes ventanas de tiempo de datos históricos de trayectoria, maniobras a la derecha y a la izquierda, diferentes perfiles de conducción para cada tipo de maniobra y distintas configuraciones de carril de circulación, los resultados obtenidos mostraron una precisión superior al 92% en la detección del perfil de conducción y superior al 99,1% en la detección de un conductor en particular.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Eléctrica
Keywords
Intelligent Transportation Systems, Artificial intelligence, Automobile driving, Traffic safety