On the Safety of Connected Cruise Control: Analysis and Synthesis with Control Barrier Functions

要約

コネクテッド自動運転車両は、乗客の快適性、燃費、運転行動の安定性、交通渋滞の緩和といった点で、交通システムの効率を改善する大きな可能性を示している。しかし、これらの車両を配備し、その利点を活用するためには、基盤となるアルゴリズムが安全な運転を保証する必要がある。本論文では、制御バリア機能（CBF）理論を用いて、縦列追従のコネクテッド・クルーズ・コントロール戦略の安全性を議論する。特に、最小車間距離、前進車間距離、衝突までの時間など、様々な安全尺度を検討し、CBFのレンズを通してこれらの尺度の正式な分析を提供する。さらに、安定性チャートが安定した制御器設計を促進することに動機づけられ、制御器パラメータの安全な選択を特定するために、既存のコネクテッドクルーズ制御器の安全性チャートを導出する。最後に、安全尺度の解析と対応する安定チャートを組み合わせ、CBFを用いたセーフティクリティカルなコネクテッドクルーズコントローラを合成する。数値シミュレーションにより理論結果を検証する。

要約(オリジナル)

Connected automated vehicles have shown great potential to improve the efficiency of transportation systems in terms of passenger comfort, fuel economy, stability of driving behavior and mitigation of traffic congestions. Yet, to deploy these vehicles and leverage their benefits, the underlying algorithms must ensure their safe operation. In this paper, we address the safety of connected cruise control strategies for longitudinal car following using control barrier function (CBF) theory. In particular, we consider various safety measures such as minimum distance, time headway and time to conflict, and provide a formal analysis of these measures through the lens of CBFs. Additionally, motivated by how stability charts facilitate stable controller design, we derive safety charts for existing connected cruise controllers to identify safe choices of controller parameters. Finally, we combine the analysis of safety measures and the corresponding stability charts to synthesize safety-critical connected cruise controllers using CBFs. We verify our theoretical results by numerical simulations.

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