[论文解读] Cooperative Extended State Observer Based Control of Vehicle Platoons With Arbitrarily Small Time Headway

Anquan Liu, Tao Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2020

Traffic control and management参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于合作扩展状态观测器的控制律，用于在恒定时间 headway 策略下实现车辆队列的闭环稳定性和 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性，且时间 headway 可任意小。该方法仅使用车载传感器测量值（距离、速度、加速度及相对速度）通过分布式观测器估计车辆间的加速度差，无需依赖无线通信，从而确保对时延、噪声和不确定性具有鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 设计一种分布式控制律，用于车辆队列，在不依赖车辆间通信的前提下，确保任意小时间 headway 下的稳定性。
• 通过仅使用车载传感器数据，解决车辆队列中无线通信不可靠或缺失的实际限制。
• 在恒定时间 headway 策略下，针对线性三阶车辆动力学，保证闭环稳定性和 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性。
• 为控制参数提供明确且量化的范围，确保在所有正时间 headway 值下均保持稳定。
• 通过理论分析与仿真，验证方法在感知噪声、输入时延和模型参数不确定性下的鲁棒性。

提出的方法

• 开发分布式合作扩展状态观测器，仅利用本地车载测量值估计相邻车辆间的加速度差。
• 为每个跟车车辆设计分布式控制律，由反馈项（基于车距误差及其导数）和前馈项（基于前车加速度估计值）组成。
• 将闭环系统矩阵分解为名义部分和扰动部分，以应用扰动线性系统稳定性理论。
• 通过传递函数的频域分析推导 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性的条件。
• 建立控制参数（如 $\mu_p$、$\mu_v$、$\mu_a$）的显式、量化边界，以系统参数表示，确保对任意正时间 headway 值均保持稳定。
• 通过理论分析与数值仿真验证鲁棒性，涵盖感知噪声、输入时延和参数不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种分布式控制律，仅使用车载传感器数据，在任意小时间 headway 下确保车辆队列的闭环稳定性和 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性？
• RQ2 在无无线通信条件下，如何准确估计车辆间的加速度差？
• RQ3 在线性三阶车辆模型中，控制参数的显式、量化范围应如何确定，以确保对任意正时间 headway 值均保持稳定？
• RQ4 与以往依赖通信的方法相比，所提方法在感知噪声、输入时延和模型不确定性下如何保持稳定性？
• RQ5 能否通过扰动线性系统理论和频域传递函数分析，严格证明稳定性分析？

主要发现

• 所提控制律可确保任意给定正时间 headway（包括任意小值）下的闭环稳定性和 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性。
• 基于系统参数，推导出控制参数（$\mu_p$、$\mu_v$、$\mu_a$）的显式、量化范围，以保证系统稳定。
• 该方法无需依赖无线通信，仅通过车载传感器和合作扩展状态观测器估计加速度差，实现系统稳定。
• 理论分析表明，系统在感知噪声、输入时延和小模型参数不确定性下仍保持稳定。
• 仿真结果表明，系统在多种实际干扰下表现出鲁棒性能，验证了理论结论。
• 传递函数分析证明 $\|G_{ei}(s)\|_{\infty} \leq 1$，确认了在所有频率下均满足 $\mathcal{L}_{2}$ 队列稳定性。