[논문 리뷰] Cooperative Extended State Observer Based Control of Vehicle Platoons With Arbitrarily Small Time Headway

Anquan Liu, Tao Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 21.

Traffic control and management참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일정 시간 간격 정책 하에서 차량 편대에 대해 협업적 확장 상태 관측기 기반 제어 법칙을 제안하며, 무선 통신에 의존하지 않고도 임의로 작은 시간 간격에서도 폐쇄형 루프 안정성과 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성을 확보한다. 이 방법은 차량 간 거리, 속도, 가속도 및 상대 속도와 같은 차량 내 센서 측정값만을 사용하여 분산 관측기를 통해 차량 간 가속도 차이를 추정함으로써 무선 통신 의존도를 제거하고 지연, 노이즈 및 불확실성에 대한 강건성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 무선 통신에 의존하지 않고도 임의로 작은 시간 간격에서도 안정성을 보장하는 분산 제어 법칙을 설계하는 것.
• 차량 편대에서 무선 통신이 불안정하거나 존재하지 않을 수 있는 실용적 제약을 해결하기 위해 차량 내 센서 데이터만을 사용하는 것.
• 일정 시간 간격 정책 하에서 선형 제3차 차량 동역학 모델에 대해 폐쇄형 루프 안정성과 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성을 보장하는 것.
• 모든 양의 시간 간격 값에서 안정성을 보장하는 제어 파라미터의 명시적이고 정량적인 범위를 제공하는 것.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 측정 노이즈, 입력 지연 및 모델 파라미터 불확실성에 대한 강건성을 입증하는 것.

제안 방법

• 차량 내 국소적 측정값만을 사용하여 인접 차량 간 가속도 차이를 추정하기 위한 분산 협업적 확장 상태 관측기를 개발한다.
• 각 후행 차량에 대해 피드백 항(차량 간 거리 오차 및 그 도함수 기반)과 피드포워드 항(예측 차량의 가속도 추정 기반)으로 구성된 분산 제어 법칙을 설계한다.
• 폐쇄형 루프 시스템 행렬을 명시적 부분과 교란 부분으로 분해하여 교란 선형 시스템 이론을 적용한다.
• 전달 함수의 주파수 도메인 분석을 통해 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성 조건을 유도한다.
• 모든 양의 시간 간격 값에서 안정성을 보장하기 위해 제어 파라미터(예: $\mu_p$, $\mu_v$, $\mu_a$)의 명시적이고 정량적인 경계를 시스템 파라미터 기반으로 설정한다.
• 측정 노이즈, 입력 지연 및 파라미터 불확실성 하에서 이론적 분석과 수치 시뮬레이션을 통해 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 통신 없이 차량 내 센서 데이터만을 사용하여 임의로 작은 시간 간격에서도 폐쇄형 루프 안정성과 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성을 보장하는 분산 제어 법칙을 설계할 수 있는가?
• RQ2 무선 통신이 없는 상황에서 차량 간 가속도 차이를 정확하게 추정하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 선형 제3차 차량 모델에서 임의의 양의 시간 간격 값에 대해 안정성을 보장하는 제어 파라미터의 명시적이고 정량적인 범위는 무엇인가?
• RQ4 기존의 통신에 의존하는 접근 방식과 비교해 볼 때, 제안된 방법은 측정 노이즈, 입력 지연 및 모델 불확실성 하에서도 안정성을 유지하는가?
• RQ5 교란 선형 시스템 이론과 주파수 도메인 전달 함수 분석을 사용하여 안정성 분석을 엄밀하게 증명할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제어 법칙은 주어진 양의 시간 간격, 즉 임의로 작은 값에서도 폐쇄형 루프 안정성과 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성을 보장한다.
• 모든 양의 시간 간격 값에서 안정성을 보장하기 위해 시스템 파라미터 기반으로 제어 파라미터($\mu_p$, $\mu_v$, $\mu_a$)의 명시적이고 정량적인 범위를 유도하였다.
• 무선 통신에 의존하지 않고, 협업적 확장 상태 관측기를 통해 차량 내 센서만을 사용하여 가속도 차이를 추정함으로써 안정성을 확보한다.
• 이론적 분석을 통해 시스템이 측정 노이즈, 입력 지연 및 작은 모델 파라미터 불확실성 하에서도 안정성을 유지함을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과는 다양한 현실적인 교란 상황에서도 뛰어난 성능을 보이며 이론적 주장의 타당성을 검증하였다.
• 전달 함수 분석을 통해 $\|G_{ei}(s)\|_{\infty} \leq 1$임을 증명하여 모든 주파수에서 $\mathcal{L}_{2}$ 편대 안정성이 확보됨을 확인하였다.