[論文レビュー] Cooperative Extended State Observer Based Control of Vehicle Platoons With Arbitrarily Small Time Headway

Anquan Liu, Tao Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2020

Traffic control and management参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、定常時頭巾ポリシーの下で、任意に小さな時頭巾を有する車両列進のための協調拡張状態観測器に基づく制御則を提案する。この方法により、閉ループ安定性および$\mathcal{L}_{2}$列安定性を両立可能となる。本手法は、車両内センサによる測定値（距離、速度、加速度、相対速度）のみを用いて、分散型観測器により車両間の加速度差を推定し、無線通信に依存せず、遅延、ノイズ、不確実性に対してもロバスト性を確保する。

ABSTRACT

We study platoon control of vehicles with linear third-order longitudinal dynamics under the constant time headway policy. The controller of each follower vehicle is only based on its own velocity, acceleration, inter-vehicle distance and velocity difference with respect to its immediate predecessor, which are all obtained by on-board sensors. We develop distributed cooperative extended state observers for followers to estimate the acceleration differences between adjacent vehicles. Based on estimates of the acceleration differences, distributed cooperative control laws are designed. By using the stability theory of perturbed linear systems, we show that the control parameters can be properly designed to ensure the closed-loop and L2 string stabilities for any given positive time headway. We further show that the proposed control law based on the ideal vehicle model can guarantee the closed-loop and L2 string stabilities even if there are small model parameter uncertainties. Also, simulation results demonstrate the robustness of the proposed control law against sensing noises, input delays and parameter uncertainties.

研究の動機と目的

• 無線通信に依存せずに、任意に小さな時頭巾においても安定性を保証する分散型制御則を設計すること。
• 車両列進における無線通信の信頼性の欠如や通信不能という実用的制限に対処するため、車両内センサデータのみを用いること。
• 定常時頭巾ポリシーの下で、線形3次元車両動力学に対して、閉ループ安定性および$\mathcal{L}_{2}$列安定性を保証すること。
• すべての正の時頭巾値に対して安定性を保証するための制御パラメータの明示的かつ定量的な範囲を提供すること。
• 理論的解析とシミュレーションを通じて、測定ノイズ、入力遅延、モデルパラメータの不確実性に対するロバスト性を実証すること。

提案手法

• 車両内センサによる局所的測定値のみを用いて、隣接車両間の加速度差を推定する分散型協調拡張状態観測器を構築する。
• 各フォロワー車両に対して、距離誤差およびその微分に基づくフィードバック項と、先行車両の推定加速度に基づくフィードフォワード項を組み合わせた分散型制御則を設計する。
• 閉ループシステム行列をノミナル部分と摂動部分に分解し、摂動線形システムの安定性理論を適用する。
• 伝達関数の周波数領域解析を用いて、$\mathcal{L}_{2}$列安定性の条件を導出する。
• 任意の正の時頭巾に対して安定性を保証するための制御パラメータ（例：$\mu_p$, $\mu_v$, $\mu_a$）の明示的かつ定量的な境界を、システムパラメータの関数として確立する。
• 測定ノイズ、入力遅延、パラメータ不確実性の下で、理論的解析と数値シミュレーションを用いてロバスト性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 車両内センサデータのみを用いて、任意に小さな時頭巾を有する車両列進に対して、閉ループ安定性および$\mathcal{L}_{2}$列安定性を両立する分散型制御則を設計可能か？
• RQ2 無線通信が利用できない状況下で、車両間の加速度差をどのように高精度に推定できるか？
• RQ3 線形3次元車両モデルにおいて、任意の正の時頭巾に対して安定性を保証するための明示的かつ定量的な制御パラメータの範囲は何か？
• RQ4 従来の通信依存型手法と比較して、本手法は測定ノイズ、入力遅延、モデル不確実性の下でも安定性をどのように維持するか？
• RQ5 摂動線形システム理論および周波数領域伝達関数解析を用いて、安定性解析を厳密に証明可能か？

主な発見

• 提案された制御則は、任意の正の時頭巾（任意に小さな値を含む）に対して、閉ループ安定性および$\mathcal{L}_{2}$列安定性を両立することを保証する。
• システムパラメータの関数として、制御パラメータ（$\mu_p$, $\mu_v$, $\mu_a$）の明示的かつ定量的な範囲が導出され、すべての正の時頭巾に対して安定性を保証する。
• 無線通信に依存せず、協調拡張状態観測器を用いて車両内センサのみで加速度差を推定することで、安定性を達成する。
• 理論的解析により、測定ノイズ、入力遅延、および小さなモデルパラメータ不確実性の下でも、システムが安定であることが確認された。
• シミュレーション結果は、さまざまな現実的な摂動下でも優れたロバスト性能を示しており、理論的主張を裏付けた。
• 伝達関数解析により、$\|G_{ei}(s)\|_{\infty} \leq 1$ が証明され、すべての周波数において$\mathcal{L}_{2}$列安定性が確認された。