[논문 리뷰] Decentralized Optimal Control for Connected Automated Vehicles at Intersections Including Left and Right Turns

Yue Zhang, Andreas A. Malikopoulos외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 20.

Traffic control and management인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 도심 교차로에서 연결된 자율 주행 차량(CAVs)을 위한 탈중앙화된 최적 제어 프레임워크를 제안하며, 이전 연구를 확장하여 좌회전 및 우회전을 포함하면서도 경직된 안전 제약 조건을 유지한다. 가중치를 적용한 최적화를 통해 연료 소비와 승객의 불편을 동시에 최소화하여 신호등 없이도 부드럽고 안전하며 효율적인 교차로 통과를 실현한다.

ABSTRACT

In prior work, we addressed the problem of optimally controlling on line connected and automated vehicles crossing two adjacent intersections in an urban area to minimize fuel consumption while achieving maximal throughput without any explicit traffic signaling and without considering left and right turns. In this paper, we extend the solution of this problem to account for left and right turns under hard safety constraints. Furthermore, we formulate and solve another optimization problem to minimize a measure of passenger discomfort while the vehicle turns at the intersection and we investigate the associated tradeoff between minimizing fuel consumption and passenger discomfort.

연구 동기 및 목표

• 교차로에서 CAVs의 탈중앙화된 최적 제어를 좌회전 및 우회전까지 확장하면서도 안전성과 통과 능력을 유지한다.
• 합류 구역(MZ)에서의 합류 구역에서의 연료 소비를 최소화하기 위해 먼저 도착한 차량이 먼저 통과하는(FIFO) 큐잉 메커니즘을 사용한다.
• 승객의 불편을 최소화하기 위한 새로운 최적화 문제를 수립하고 해결한다. 이는 합류 구역(MZ)에서의 회전 운전 동안의 불편을 고려한다.
• 다중 목적 최적화를 통해 합류 구역(MZ)에서의 연료 소비 최소화와 승객 불편 최소화 사이의 트레이드오프를 조사한다.
• 충돌 방지 제약 조건에서 도출된 종단 조건을 통해 계산 부담을 증가시키지 않으면서도 온라인 적용 가능성을 확보한다.

제안 방법

• 이전 연구 [12]의 탈중앙화 제어 프레임워크를 확장하여 좌회전 및 우회전 운전을 포함하기 위해, 좌우회전에 대한 새로운 충돌 회피 종단 조건을 도입한다.
• 위치, 속도, 가속도를 상태 및 제어 변수로 사용하는 2차원 차량 동역학을 사용하며, 식 (1)과 (2)에 의해 제어된다.
• 합류 구역(MZ)을 한 변의 길이가 S인 정사각형으로 정의하며, 직진, 좌회전, 우회전에 대한 경로 길이를 각각 S, S_L = (3/8)πS, S_R = (1/8)πS로 설정한다.
• FIFO 큐잉 및 간격 유지 규칙에서 유도된 시간 및 위치 제약 조건을 통해 경직된 안전 제약 조건을 도입하여 횡방향 충돌을 방지한다.
• 두 개의 최적화 문제를 해결한다: 하나는 가속도의 L²-노름을 최소화하는(연료 소비 최소화), 다른 하나는 급진도의 L²-노름을 최소화하는(승객 불편 최소화), 가중치 합을 통해 트레이드오프 분석을 수행한다.
• 가중치 w를 변화시켜 통합 목표 함수 (28)에 대한 파레토 경계를 활용하며, 차원이 없는 다중 목적 비교를 보장하기 위해 정규화를 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 교차로에서 좌회전 및 우회전을 포함하면서도 경직된 안전 제약 조건을 유지하는 탈중앙화된 최적 제어를 확장할 수 있는가?
• RQ2 합류 구역(MZ)에서 회전 운전을 수행하는 CAVs의 연료 소비를 최소화하는 최적 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 급진도를 지표로 사용하여 회전 운전 중 승객의 불편을 정량적으로 최소화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 합류 구역(MZ)에서 연료 소비 최소화와 승객 불편 최소화 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 제안된 제어 프레임워크는 기본 비회전 케이스와 동일한 계산 복잡도로 온라인 적용이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 제어 프레임워크는 기본 케이스를 초과하는 계산 복잡도 없이도 좌우회전을 포함한 탈중앙화된 최적 제어 솔루션을 성공적으로 확장한다.
• 최적 제어 솔루션은 FIFO 큐잉 및 간격 제약 조건에 기반한 정밀하게 정의된 종단 조건을 통해 충돌 회피를 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 첫 30 辆의 CAVs에 대해 MZ 경로가 분리되어 있으며 충돌 없이 운행되며, 각각의 회전 운전에 맞는 고유한 위치 프로파일을 보인다.
• 가속도 및 급진도 프로파일(그림 5)은 급진도 최소화만을 고려할 경우 더 부드럽고 편안한 운전이 가능하며, 반대로 연료 소비 최소화만을 고려할 경우 더 높은 급진도 값이 나타남을 보여준다.
• 파레토 경계(그림 3)는 연료 소비와 승객 불편 사이에 명확한 트레이드오프가 있음을 시각화하며, 가중치 w=0.95일 때 두 지표를 효과적으로 균형 잡는다.
• 종단 가속도는 0으로 설정하고, 초기 가속도는 CZ 솔루션에서 유도하여 연속성과 MZ로의 매끄러운 전환을 확보함으로써 온라인 구현을 지원한다.