Provably safe and human-like car-following behaviors: Part 2. A parsimonious multi-phase model with projected braking

要約

現実世界の不確実性の中で自動化された車両の安全で人間のような軌道計画を確保することは、依然として重要な課題です。
既存の自動車フォローモデルは、人間のような加速と減速パターンとともに、一貫して厳密な安全証明を提供するのに苦労していますが、新しい多相投影ベースの自動車フォローモデルを導入します。
このモデルは、主要な人間の運転原則をエミュレートしながら、限界加速度と減速速度を組み込むことにより、安全性とパフォーマンスのバランスをとるように設計されています。
基本的な駆動原則と多相動的システム分析の基礎に基づいて（この研究のパート1で詳述されています\ citep {jin2025wa20-02_part1}）、最初に、newellのような標準モデルの拡張の制限を単純な境界減速で強調します。
人間のドライバーの予測行動に触発されて、私たちはリーダー車とフォロワー車両の両方の予測されるブレーキプロファイルを数学的に定義および分析し、予測されるブレーキ鉛車両の問題に基づいて安全基準と新しい位相定義を確立します。
提案されているpar約的なモデルは、拡張されたNewellの名目運転のモデルを組み合わせて、予測されるブレーキを必要とするシナリオの新しい制御法と新しい制御法則を組み合わせています。
速度間隔の位相平面分析を使用して、合理的な初期条件下で、衝突のない操作、境界の減速、許容可能な安全停止距離など、定義された安全で人間のような運転原則に対するモデルの遵守の厳密な数学的証拠を提供します。
数値シミュレーションは、静止した鉛車両問題の安全性と人間のようなブレーキプロファイルの両方を達成する上で、モデルの優れたパフォーマンスを検証します。
最後に、モデルの意味と将来の研究の方向性について説明します。

要約(オリジナル)

Ensuring safe and human-like trajectory planning for automated vehicles amidst real-world uncertainties remains a critical challenge. While existing car-following models often struggle to consistently provide rigorous safety proofs alongside human-like acceleration and deceleration patterns, we introduce a novel multi-phase projection-based car-following model. This model is designed to balance safety and performance by incorporating bounded acceleration and deceleration rates while emulating key human driving principles. Building upon a foundation of fundamental driving principles and a multi-phase dynamical systems analysis (detailed in Part 1 of this study \citep{jin2025WA20-02_Part1}), we first highlight the limitations of extending standard models like Newell’s with simple bounded deceleration. Inspired by human drivers’ anticipatory behavior, we mathematically define and analyze projected braking profiles for both leader and follower vehicles, establishing safety criteria and new phase definitions based on the projected braking lead-vehicle problem. The proposed parsimonious model combines an extended Newell’s model for nominal driving with a new control law for scenarios requiring projected braking. Using speed-spacing phase plane analysis, we provide rigorous mathematical proofs of the model’s adherence to defined safe and human-like driving principles, including collision-free operation, bounded deceleration, and acceptable safe stopping distance, under reasonable initial conditions. Numerical simulations validate the model’s superior performance in achieving both safety and human-like braking profiles for the stationary lead-vehicle problem. Finally, we discuss the model’s implications and future research directions.

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