[論文レビュー] Cooperative Adaptive Cruise Control for a Platoon of Connected and Autonomous Vehicles Considering Dynamic Information Flow Topology

Siyuan Gong, Anye Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Traffic control and management参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、信頼性の低いV2V通信に起因する動的かつ変化する情報フロー構造を反映する、連結・自律走行車両のプラトーントに適応する協調的アダプティブクルーズコントロール（CACC）フレームワークを提案する。2台の先行車両に依存するアダプティブPDコントローラーを用いることで、通信障害時においてもストリング安定性を確保し、性能を維持する。数値実験ではNGSIMデータを用いて、固定構造のCACCに比べ優れた性能を示した。

ABSTRACT

Vehicle-to-vehicle communications can be unreliable as interference causes communication failures. Thereby, the information flow topology for a platoon of Connected Autonomous Vehicles (CAVs) can vary dynamically. This limits existing Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) strategies as most of them assume a fixed information flow topology (IFT). To address this problem, we introduce a CACC design that considers a dynamic information flow topology (CACC-DIFT) for CAV platoons. An adaptive Proportional-Derivative (PD) controller under a two-predecessor-following IFT is proposed to reduce the negative effects when communication failures occur. The PD controller parameters are determined to ensure the string stability of the platoon. Further, the designed controller also factors the performance of individual vehicles. Hence, when communication failure occurs, the system will switch to a certain type of CACC instead of degenerating to adaptive cruise control, which improves the control performance considerably. The effectiveness of the proposed CACC-DIFT is validated through numerical experiments based on NGSIM field data. Results indicate that the proposed CACC-DIFT design outperforms a CACC with a predetermined information flow topology.

研究の動機と目的

• 固定された情報フロー構造を仮定する従来のCACC戦略の限界を是正すること。これは、現実のV2V通信の不安定性を反映していない。
• 通信障害に起因する変化する情報フロー構造に動的に適応するCACC設計を開発すること。
• 通信リンクの故障時でもストリング安定性を確保し、高い制御性能を維持すること。
• 故障時における基本的なアダプティブクルーズコントロールへの性能低下を回避するために、個々の車両の動態を制御戦略に統合すること。
• 現実のNGSIMフィールドデータを用いて、現実的な動的通信条件下での提案手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• CAVプラトーントにおけるリアルタイムの通信信頼性を反映する動的情報フロー構造（DIFT）モデルを提案する。
• 2台の先行車両からの情報を用いることで耐障害性を向上させる、適応的比例微分（PD）コントローラーを設計する。
• 変動する通信状態下でもストリング安定性を保証するようにコントローラーのパラメータを定式化する。
• 通信障害時でも性能を維持できるように、個々の車両の動態を制御則に統合する。
• 故障発生時に標準的なアダプティブクルーズコントロールに切り替わるのではなく、耐障害性の高いCACCモードに切り替えるスイッチング機構を実装する。
• 実際のNGSIMフィールドデータに基づく数値シミュレーションを用いて、動的構造下でのストリング安定性と性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的かつ変化する情報フロー構造は、V2V通信障害下におけるCAVプラトーントの安定性と性能にどのように影響するか？
• RQ2 信頼性の低い通信環境下で、2台の先行車両に依存する適応的PDコントローラーは、固定構造のCACCに比べストリング安定性をどのように向上させるか？
• RQ3 提案されたCACC-DIFTは、通信断発生時において、従来のCACCに比べてどの程度高い制御性能を維持できるか？
• RQ4 個々の車両の動態をCACCフレームワークに統合することで、故障時における性能低下をどの程度防止できるか？
• RQ5 現実のデータを用いた評価において、提案されたCACC-DIFTは固定構造のCACCに比べ、ストリング安定性および制御性能の面で優れているか？

主な発見

• 提案されたCACC-DIFT設計は、動的かつ信頼性の低い通信状態下でもストリング安定性を達成している。
• 2台の先行車両に依存する適応的PDコントローラーは、通信障害時におけるプラトーントの振動を顕著に低減している。
• システムは基本的なアダプティブクルーズコントロールに劣化せず、リンク障害時でも高い制御性能を維持している。
• NGSIMフィールドデータを用いた数値実験により、CACC-DIFTが固定構造のCACCに比べストリング安定性および応答のロバスト性において優れていることが確認された。
• コントローラーのパラメータは解析的に導出されており、一時的な通信障害に対しても効果的に対処できる。