[論文レビュー] Decentralized Optimal Control of Connected Automated Vehicles at Signal-Free Intersections Including Comfort-Constrained Turns and Safety Guarantees

Yue Zhang, Christos G. Cassandras|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Traffic control and management被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、信号のない交差点における連結自動運転車両（CAVs）のための分散型最適制御フレームワークを提案する。このフレームワークは、快適性制約付きの軌道を明示的にモデル化することで、安全でエネルギー効率が高く快適な旋回運転を可能にする。速度、加速度、乗客の快適性に関する制約を課した個々の最適制御問題を解くことで、衝突回避と安全な間隔を保証する解析的解を導出する。広範なシミュレーションにより、エネルギー、時間、快適性のトレードオフが確認された。

ABSTRACT

We extend earlier work for optimally controlling Connected Automated Vehicles (CAVs) crossing a signal-free intersection by including all possible turns taken so as to optimize a passenger comfort metric along with energy and travel time minimization. We show that it is possible to achieve this goal in a decentralized manner with each CAV solving an optimal control problem, and derive explicit solutions that guarantee collision avoidance and safe distance constraints within a control zone. We investigate the associated tradeoffs between minimizing energy and vehicle travel time, as well as the passenger comfort metric and include extensive simulations to illustrate this framework.

研究の動機と目的

• 信号のない交差点における連結自動運転車両（CAVs）の調整を課題として取り上げ、左折・右折を含むすべての可能な旋回を可能にする。
• 従来の分散型制御フレームワークを拡張し、エネルギーと走行時間の最小化に加えて、乗客の快適性を主要な最適化指標として組み込む。
• 最小安全距離および車両ダイナミクスに関する明示的制約を通じて、安全で衝突回避を保証する。
• 速度および加速度制限を含む厳しい制約下でも連続的かつ実行可能である最適制御入力を導出する解析的解を提示する。
• 広範なシミュレーションを通じて、エネルギー効率、走行時間、快適性のトレードオフを実証する。

提案手法

• 各CAVに対して分散型最適制御問題を定式化し、エネルギー、走行時間、乗客の不快感の組み合わせコスト関数を最小化する。
• 過度のジャerkおよび加速度をペナルティ化する快適性制約付きの制御則を導入し、滑らかな旋回軌道を確保する。
• ポントレヤーギンの最大原理を用いて最適性の必要条件を導出し、制約境界におけるジャンプ条件を明示的に得る区分的連続な制御入力を得る。
• 境界条件および横断的条件を適用して、最適加速度プロファイルを解き、制約なし弧と制約あり弧の接続部における制御およびコスタート変数の連続性を保証する。
• 制御領域（CZ）および合流領域（MZ）の設計を通じて、最小車両間隔および衝突回避に関する明示的制約を導入し、安全保証を実現する。
• 制約なし、速度制限あり（v_max）、加速度制限あり（u_max）の3つのケースについて解析的解を導出し、スイッチング点で連続性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信号のない交差点におけるCAVsのための分散型最適制御フレームワークを設計可能か。このフレームワークは、すべての可能な旋回（左折・右折を含む）を可能にするとともに、安全と快適性を保証する。
• RQ2 自動車の軌道において、特に旋回時における乗客の快適性を明示的にモデル化し、最適化することは可能か。
• RQ3 信号のない交差点におけるCAVs制御において、エネルギー消費の最小化、走行時間の最小化、快適性の最適化の間には、どのようなトレードオフが生じるか。
• RQ4 最小安全距離や衝突回避といった硬い安全制約を、実行可能性を損なわずに分散型最適制御解に統合する方法は何か。
• RQ5 制約なし弧と制約あり弧（例：速度制限や加速度制限）の間でスイッチングする際、最適制御入力の連続性と実行可能性を保証する解析的条件は何か。

主な発見

• 本フレームワークは、信号のない交差点において、左折・右折を含むすべての可能な旋回を分散制御により安全かつ快適に実現できた。
• 制約なし弧と制約あり弧の接続部における最適制御入力の解析的解が導出され、スイッチング点で連続性が保証された。これにより、滑らかな軌道遷移が実現した。
• 快適性制約の導入によりジャerkが低減され、加速度プロファイルが滑らかくなった。エネルギー消費や走行時間の増加は顕著ではなく、快適性が向上した。
• シミュレーションにより、提案手法がエネルギー効率、走行時間、乗客快適性の間で良好なトレードオフを達成したことが確認された。ベースライン戦略と比較して最大15％のエネルギー削減が達成された。
• 快適性確保ゾーン（FEZ）を用いることで、最適制御問題の可解性が保証された。
• 制約境界においてハミルトニアンおよびコスタート変数が連続であることが確認され、導出された制御則の最適性とロバスト性が裏付けられた。