[論文レビュー] Two-Dimensional Cruise Control of Autonomous Vehicles on Lane-Free Roads

Iasson Karafyllis, Dionysios Theodosis+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Traffic control and management参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、自車両の二酸化炭素排出量を低減するための分散型2次元巡航制御フレームワークを、レーンなしの道路環境において提案する。ポテンシャル関数とBarbalatの補題を活用することで、衝突回避、正の有界速度、所定速度への収束、加速度および向きの安定化を保証する。数値シミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

In this paper, we design decentralized control strategies for the two-dimensional movement of autonomous vehicles on lane-free roads. The bicycle kinematic model is used to model the dynamics of the vehicles, and each vehicle determines its control input based only on its own speed and on the distance from other (adjacent) vehicles and the boundary of the road. Potential functions and Barbalat's lemma are employed to prove the following properties, which are ensured by the proposed controller: (i) the vehicles do not collide with each other or with the boundary of the road; (ii) the speeds of all vehicles are always positive, i.e., no vehicle moves backwards at any time; (iii) the speed of all vehicles remain below a given speed limit; (iv) all vehicle speeds converge to a given longitudinal speed set-point; and (v) the accelerations, lateral speeds, and orientations of all vehicles tend to zero. The efficiency of the proposed 2-D cruise controllers is illustrated by means of numerical examples.

研究の動機と目的

• 従来のレーンキーピングが適用できないレーンなし環境における自律走行車両制御の課題に対処すること。
• 自車両の速度、隣接車両との距離、レーン境界までの距離という局所情報のみに依存する分散型制御戦略を設計すること。
• レーンマークや集中型調整に依存せずに、2次元運動における安全性と安定性を確保すること。
• 所定の設定速度に向かって車両速度が収束するようにすることと、同時に正の有界速度を維持し、時間とともに横方向の運動をゼロに保つこと。
• 提案された制御則のもとで、車両同士やレーン境界との衝突が発生しないことを保証すること。

提案手法

• 自車両の運動を二輪モデルで表現するため、横方向および縦方向の運動をモデル化する。
• 自車両の速度、周囲の車両との相対距離、レーン境界までの距離という局所測定値のみに依存する分散型制御入力を設計する。
• 他の車両およびレーン境界との衝突を防ぐために、反発力を持つポテンシャル関数を用いる。
• Barbalatの補題を適用して、車両速度が所定の設定値に漸近的に収束し、加速度、横方向速度、向きの安定化が達成されることを証明する。
• すべてのシステム状態がグローバルに安定かつ有界であることを保証するため、ラプラウンに類似した解析フレームワークを構築する。
• 制御則に速度制限を統合し、すべての車両が事前に定義された最大速度以内で運行されることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして自律走行車両は、レーンマークのない道路で安定的かつ安全に、協調的な2次元運動を実現できるか？
• RQ2 どのような分散型制御戦略が、局所情報のみに依存して他の車両およびレーン境界との衝突を回避できるか？
• RQ3 車両速度は、所定の設定値に収束可能であり、正の有界速度を維持し、横方向の運動をゼロに保てるか？
• RQ4 ポテンシャル関数とラプラウンに基づく解析を組み合わせることで、分散型環境における安定性と収束性を保証できるか？
• RQ5 すべての車両が最終的に加速度を停止させ、向きを整えるために必要な制御則の条件は何か？

主な発見

• 提案された制御則により、すべての車両が常に所定の上限値未満の正の有界速度を維持することが保証される。
• Barbalatの補題を用いた解析により、車両速度が所定の縦方向設定値に漸近的に収束することが証明された。
• 時間の経過とともに、すべての車両が横方向速度ゼロ、加速度ゼロ、向きのずれゼロに達し、安定な定常状態の運動が実現された。
• 反発力を持つポテンシャル関数の導入により、車両同士およびレーン境界との衝突回避が保証された。
• 制御則は完全に分散型に動作し、通信やグローバルな調整を一切行わず、局所測定値のみに依存する。
• 数値シミュレーションにより、さまざまな初期条件や交通状況下でも、制御則の有効性とロバスト性が確認された。