[논문 리뷰] Two-Dimensional Cruise Control of Autonomous Vehicles on Lane-Free Roads

Iasson Karafyllis, Dionysios Theodosis외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Traffic control and management참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자동주행 차량을 차선이 없는 도로에서 주행시키기 위해 자전거 운동학 모델을 사용하여 탈중앙화된 이차원 크루즈 컨트롤 프레임워크를 제안한다. 잠재력 함수와 Barbalat의 보조정리의 활용을 통해 컨트롤러는 충돌 회피, 양의 유한 속도 유지를, 설정 속도로의 수렴, 가속도 및 방향 안정화를 보장한다. 이는 수치 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 차선 유지 제어가 적용되지 않는 차선이 없는 환경에서 자동차 주행 제어의 과제를 해결하기 위해.
• 자신의 속도, 인접 차량과의 거리, 도로 경계와의 거리와 같은 국소 정보만을 기반으로 하는 탈중앙화된 제어 전략을 설계하기 위해.
• 차선 표시 또는 중앙집중식 조율 없이도 2차원 운동에서의 안전성과 안정성을 확보하기 위해.
• 차량 속도가 목표 설정점으로 수렴하면서도 양의 유한 속도를 유지하고 시간이 지남에 따라 횡방향 운동이 0이 되도록 하기 위해.
• 제안된 제어 법칙 하에 차량 간 충돌이나 도로 경계와의 충돌을 보장하기 위해.

제안 방법

• 횡방향 및 종방향 운동을 표현하기 위해 자전거 운동학 모델을 사용하여 차량 동역학을 모델링하기 위해.
• 자신의 속도, 인접 차량과의 상대적 거리, 도로 경계와의 거리를 포함한 국소 측정값만을 기반으로 탈중앙화된 제어 입력을 설계하기 위해.
• 다른 차량과 도로 경계와의 충돌을 방지하기 위해 반발력이 작용하는 잠재력 함수를 적용하기 위해.
• Barbalat의 보조정리를 적용하여 차량 속도가 설정점으로 점점 수렴하고 가속도, 횡방향 속도 및 방향이 안정화됨을 증명하기 위해.
• 모든 시스템 상태의 전역 안정성과 유한성을 보장하기 위해 르아프노프 유사 분석 프레임워크를 구축하기 위해.
• 모든 차량이 정해진 최대 속도 이내에서 운행하도록 하기 위해 속도 제한을 제어 법칙에 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차선이 없는 도로에서 차선 표시가 없는 환경에서 자동차가 안정적이고 안전하며 조율된 2차원 운동을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 국소 정보만을 사용하여 다른 차량과 도로 경계와의 충돌을 방지하는 탈중앙화된 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 차량 속도가 목표 설정점으로 수렴하면서도 양의 유한 속도를 유지하고 횡방향 운동이 0이 되는가?
• RQ4 잠재력 함수와 르아프노프 기반 분석을 어떻게 조합하여 탈중앙화된 환경에서 안정성과 수렴성을 보장할 수 있는가?
• RQ5 모든 차량이 결국 가속도를 멈추고 방향을 정렬하도록 하기 위해 제어 법칙이 충족해야 할 필수 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 컨트롤러는 모든 차량이 언제나 정해진 한도 이내의 양의 유한 속도를 유지함을 보장한다.
• Barbalat의 보조정리를 통해 증명된 바와 같이 차량 속도는 목표 종방향 설정점으로 점점 수렴한다.
• 시간이 지남에 따라 모든 차량은 횡방향 속도 0, 가속도 0, 방향 이탈 0을 달성하여 안정된 정상 상태 운동을 나타낸다.
• 반발 잠재력 함수의 적용을 통해 차량 간 충돌과 도로 경계와의 충돌이 보장된다.
• 컨트롤러는 완전히 탈중앙화된 방식으로 작동하며, 통신이나 전역 조율 없이 국소 측정값에만 의존한다.
• 수치 시뮬레이션은 다양한 초기 조건과 교통 상황에서 컨트롤러의 효과성과 강건성을 확인한다.