[论文解读] SAILing CAVs: Speed-Adaptive Infrastructure-Linked Connected and Automated Vehicles

Matthew Nice, Matt Bunting+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2023

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)被引用 4

一句话总结

本文提出了一套低成本、开源的系统，使联网与自动驾驶车辆（CAVs）能够通过LTE连接动态跟随基于基础设施的可变速度限制（VSLs）。该系统部署于纳什维尔I-24高速公路上的一辆改装2020款丰田RAV4上，与人工驾驶车辆相比，将速度波动降低了最多25%，展示了利用现有蜂窝网络基础设施、每辆车成本低于500美元的可扩展、真实世界VSL合规性。

ABSTRACT

This work demonstrates a new capability in roadway control: Speed-adaptive, infrastructure-linked connected and automated vehicles. We develop and deploy a lightly modified vehicle that is able to dynamically adjust the vehicle speed in response to posted variable speed limit messages generated by the infrastructure using LTE connectivity. This work describes the open source hardware and software platform that enables integration between infrastructure-based variable posted speed limits, and existing vehicle platforms for automated control. The vehicle is deployed in heavy morning traffic on I-24 in Nashville, TN. The control vehicle follows the posted variable speed limits, resulting in as much as a 25% reduction in speed variability compared to a human-piloted vehicle in the same traffic stream.

研究动机与目标

• 使联网与自动驾驶车辆（CAVs）能够在真实高速公路条件下动态遵守公开广播的可变速度限制（VSLs）。
• 解决现有系统中基础设施VSL遵守率低的问题，该问题削弱了交通流与安全效益。
• 开发一种低成本、开源的软硬件平台，扩展原厂自适应巡航控制（ACC）系统以实现VSL跟随功能。
• 通过使用现有LTE网络且无需5G或专用DSRC无线电设备，在真实交通中重型路况下证明VSL跟随CAV的可行性和性能。
• 通过实地部署并与人工驾驶车辆对比，评估VSL跟随CAV对交通稳定性、能效和安全的影响。

提出的方法

• 系统使用低成本、开源的硬件模块连接至车辆的CAN总线，接收并解析路边基础设施通过LTE广播的VSL消息。
• 车辆的自适应巡航控制（ACC）被扩展，以将VSL指令作为期望速度参考，仅在指定的VSL区域内覆盖驾驶员设定的速度。
• 监督式安全控制器确保前向防撞和安全停车，即使在遵循VSL指令时也能实现。
• 系统实施“设定并保持”控制逻辑，在每个龙门架区域更新期望速度，并在收到下一次更新前保持该速度。
• 通过斜坡函数平滑速度变化，确保乘客舒适度，速度变化范围为-4.47 m/s至+8.9 m/s。
• 系统利用现有LTE网络和有线连接的移动电话，避免了对5G或高带宽专用通信系统的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、开源的CAV系统是否能够在真实高速公路交通中可靠且安全地跟随基础设施广播的可变速度限制？
• RQ2 单辆CAV在相同交通流中跟随VSL时，与人工驾驶车辆相比，能将速度波动降低多少？
• RQ3 在实际驾驶过程中，系统在适应动态VSL变化时的乘坐舒适度和响应时间表现如何？
• RQ4 使用现有LTE基础设施在现有车辆车队中部署此类系统的实际成本和可扩展性如何？
• RQ5 在混合交通条件下，VSL跟随CAV的存在对交通流稳定性与能效有何影响？

主要发现

• 与同一交通流中的人工驾驶车辆相比，VSL跟随CAV将速度波动降低了最多25%，表明交通流稳定性得到改善。
• 该自车保持了与测试车辆几乎相同的平均速度和行程时间，但速度的标准差显著降低，表明运行更加平稳。
• 速度变化平滑舒适，变化范围为-4.47 m/s至+8.9 m/s，平均下降时间达6.79秒，与系统设计一致。
• 系统在每个龙门架区域的地理范围内实现了可靠的VSL合规，对速度限制更新反应准确且迅速，且在行驶中也能实现。
• 硬件与软件总成本低于每辆车500美元，利用现有LTE连接和有线连接的移动电话，实现了可扩展部署。
• 附近驾驶员在CAV于高速交通中显著减速时表现出不满，凸显了在实际应用中面临的心理与行为挑战。