[论文解读] Two-Dimensional Cruise Control of Autonomous Vehicles on Lane-Free Roads

Iasson Karafyllis, Dionysios Theodosis+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Traffic control and management参考文献 22被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于自行车运动学模型的去中心化二维巡航控制框架，适用于无车道线道路的自动驾驶车辆。通过利用势函数和Barbalat引理，控制器确保了防撞、正速度有界、速度收敛至设定值，以及加速度和朝向的稳定——并通过数值仿真得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决在传统车道保持不可行的无车道线环境中自动驾驶车辆控制的挑战。
• 设计一种仅依赖本地信息（自身速度、与相邻车辆的距离、与道路边界的距离）的去中心化控制策略。
• 在不依赖车道线或集中协调的情况下，确保二维运动中的安全与稳定。
• 在保持速度有界且为正、并随时间趋于零侧向动力学的前提下，实现车辆速度收敛至期望设定值。
• 保证在所提出的控制律下，车辆之间以及与道路边界之间不会发生碰撞。

提出的方法

• 使用自行车运动学模型对车辆动力学进行建模，以表征横向和纵向运动。
• 仅基于本地测量值（自身速度、与邻近车辆的相对距离、与道路边界的距离）设计去中心化控制输入。
• 采用势函数生成排斥力，以防止与其它车辆及道路边界发生碰撞。
• 应用Barbalat引理，证明车辆速度渐近收敛至设定值，且加速度、侧向速度和朝向实现稳定。
• 构建类似李雅普诺夫的分析框架，以确保所有系统状态的全局稳定性和有界性。
• 将速度限制整合至控制律中，确保所有车辆始终在预设最大速度范围内运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 自动驾驶车辆如何在无车道线道路上实现稳定、安全且协调的二维运动，而无需依赖车道线？
• RQ2 何种去中心化控制策略可仅利用本地信息确保与其它车辆及道路边界的防撞？
• RQ3 车辆速度能否收敛至期望设定值，同时保持正速度有界且侧向动力学趋于零？
• RQ4 如何将势函数与基于李雅普诺夫的分析相结合，以在去中心化环境中保证稳定性和收敛性？
• RQ5 控制律需满足何种必要条件，才能确保所有车辆最终停止加速并对其朝向实现对齐？

主要发现

• 所提出的控制器确保所有车辆在任何时候均保持正速度且有界，且低于预设上限。
• 通过Barbalat引理证明，车辆速度渐近收敛至期望的纵向设定值。
• 随着时间推移，所有车辆均实现侧向速度为零、加速度为零、朝向偏差为零，表明进入稳定稳态运动。
• 通过使用排斥势函数，确保了车辆之间以及与道路边界的防撞。
• 控制器完全去中心化，仅依赖本地测量，无需通信或全局协调。
• 数值仿真验证了控制器在各种初始条件和交通场景下的有效性与鲁棒性。