[논문 리뷰] Cooperative Adaptive Cruise Control for a Platoon of Connected and Autonomous Vehicles Considering Dynamic Information Flow Topology

Siyuan Gong, Anye Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 06.

Traffic control and management참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 신뢰할 수 없는 V2V 통신으로 인한 동적 정보 흐름 상호작용 구조를 반영하는 연결형 및 자율주행 차량 단체를 위한 협동 적응형 크루즈 컨트롤(CACC) 프레임워크를 제안한다. 두 전방 차량을 참조하는 적응형 PD 제어기를 사용함으로써, 통신 장애 발생 시에도 줄줄이 안정성(스트링 스테이빌리티)을 확보하고 성능을 유지하며, 고정된 상호작용 구조를 가진 기존 CACC보다 수치 실험에서 뛰어난 성능을 보인다. NGSIM 데이터를 기반으로 한 실험 결과가 이를 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정된 정보 흐름 상호작용 구조를 전제로 하는 기존 CACC 전략의 한계를 해결하기 위해, 실제 V2V 통신의 불안정성과 현실을 반영하지 못하는 점을 다루기 위해.
• 통신 장애로 인한 변화하는 정보 흐름 상호작용 구조에 동적으로 적응할 수 있는 CACC 설계를 개발하기 위해.
• 통신 링크 장애 발생 시에도 줄줄이 안정성과 높은 제어 성능을 유지하기 위해.
• 장애 발생 시 기본 적응형 크루즈 컨트롤 성능이 저하되지 않도록 개별 차량 성능을 제어 전략에 통합하기 위해.
• 실제 NGSIM 현장 데이터를 기반으로, 현실적인 동적 통신 조건 하에서 제안된 접근법을 검증하기 위해.

제안 방법

• CAV 단체 내 실시간 통신 신뢰도를 반영하는 동적 정보 흐름 상호작용 구조(DIFT) 모델을 제안하기 위해.
• 두 전방 차량의 정보를 활용하여 내구성을 향상시키는 적응형 비례-미분(PD) 제어기를 설계하기 위해.
• 다양한 통신 조건 하에서도 줄줄이 안정성을 보장할 수 있도록 제어기 파라미터를 수식화하기 위해.
• 통신 장애 발생 시 성능을 유지하기 위해 개별 차량의 동역학을 제어 법칙에 통합하기 위해.
• 장애 발생 시 표준 적응형 크루즈 컨트롤로 되돌아가지 않고, 내성적인 CACC 모드로 전환하는 스위칭 메커니즘을 구현하기 위해.
• 실제 NGSIM 현장 데이터를 기반으로 한 수치 시뮬레이션을 통해 동적 상호작용 구조 하에서의 줄줄이 안정성과 성능을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 정보 흐름 상호작용 구조는 V2V 통신 장애 발생 시 CAV 단체의 안정성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 신뢰할 수 없는 통신 환경 하에서 두 전방 차량을 참조하는 적응형 PD 제어기는 고정된 상호작용 구조 CACC보다 줄줄이 안정성 측면에서 향상된 성능을 보일 수 있는가?
• RQ3 제안된 CACC-DIFT는 기존 CACC 대비 통신 장애 발생 시 제어 성능을 어느 정도 유지할 수 있는가?
• RQ4 장애 발생 시 성능 저하를 방지하기 위해 개별 차량의 동역학은 CACC 프레임워크에 어떻게 통합될 수 있는가?
• RQ5 실제 데이터 기반으로 볼 때, 제안된 CACC-DIFT는 고정된 상호작용 구조 CACC보다 줄줄이 안정성과 제어 성능 측면에서 뛰어난가?

주요 결과

• 제안된 CACC-DIFT 설계는 동적이고 불안정한 통신 조건 하에서도 줄줄이 안정성을 달성한다.
• 두 전방 차량을 참조하는 적응형 PD 제어기는 통신 장애 발생 시 단체의 진동을 크게 감소시킨다.
• 기본 적응형 크루즈 컨트롤로 성능이 저하되지 않으며, 링크 장애 발생 시에도 높은 제어 성능을 유지한다.
• NGSIM 현장 데이터를 기반으로 한 수치 실험 결과, CACC-DIFT는 고정된 상호작용 구조 CACC보다 줄줄이 안정성과 반응 내성 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 제어기 파라미터는 안정성을 보장하기 위해 해석적으로 유도되었으며, 일시적인 통신 장애에도 효과적으로 대응한다.