کنترل جریان‌های ترافیکی هوشمند ناهمگن با ساختار دوسویه و در حضور داده‌های ازدست‌رفته، تاخیر ارتباطی زمان-متغیر و تاخیر عملگری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آیت ا... بروجردی، بروجرد، ایران

چکیده

در این مقاله به تحلیل پایداری داخلی، رشته‌ای و کنترل جریان‌های ترافیکی هوشمند با ساختار ارتباطی دوسویه درحضور تاخیر زمانی ارتباطی، تاخیر عملگری و داده‌های ازدست‌رفته پرداخته می‌شود. در جریان‌های ترافیکی، پدیده داده‌های از دست‌رفته به واسطه حجم زیاد اطلاعات در حال تبادل بسیار محتمل می‌باشد. از سویی دیگر، پدیده تاخیر زمانی ارتباطی نیز از مشخصه‌های سیستم‌های ارتباطی به شمار می‌آید. همچنین، به دلیل اینرسی بالا تاخیر عملگری یک ویژگی ذاتی موتور خودرو می‌باشد. در این تحقیق، یک مدل دینامیکی مرتبه سه برای توصیف حرکت طولی خودروهای هوشمند در جریان ترافیکی درنظرگرفته‌می‌شود. استراتژی فاصله ثابت برای تنظیم فاصله بین‌خودرویی استفاده می‌شود. با لحاظ همزمان داده‌های ازدست‌رفته، تاخیر زمانی ارتباطی و تاخیر عملگری و بر اساس ساختار دوسویه، کنترل‌کننده‌ای خطی برای هر خودرو در نظر گرفته شده و دینامیک حلقه‌بسته سیستم استخراج می‌گردد. با استفاده از قضیه لیاپانوف- کراسوفسکی به تحلیل پایداری سیستم حلقه‌بسته پرداخته می‌شود و شرایط کافی برای تضمین پایداری داخلی جریان ترافیکی معرفی می‌گردد. در ادامه، با تحلیل معادله حلقه بسته هر خودرو در حوزه فرکانس، قیود لازم روی ضرایب کنترلی که تضمین‌کننده پایداری رشته‌ای هستند بدست می‌آید. در پایان، روش‌های ارائه‌شده در این مقاله، به کمک شبیه‌سازی‌های متعدد مورد اعتبارسنجی قرار خواهند گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Control of heterogeneous traffic flows in presence of pocket loss, time-varying communication delay and actuator lag

نویسنده [English]

  • Hossein Chehardoli
PhD assistant, Department of Mechanical Engineering, Ayatollah Boroujerdi University
چکیده [English]

This paper deals with the control design and internal and string stability analysis of heterogeneous traffic flows with bi-directional communication topology under random data loss, time-varying communication delay, and actuator lag. A third-order linear model is employed to describe the longitudinal dynamics of each vehicle and the constant spacing policy is employed to adjust the inter-vehicle spacing. In the practical implementation of vehicular networks, due to the high amount of different exchanged information between vehicles and infrastructures, data loss and communication delay are unavoidable effects that may cause adverse effects on the closed-loop performance. Moreover, the actuator lag is an inherent characteristic of the engine which causes delay in implementing the control commands. Therefore, all these issues are considered in system modeling and stability analysis, simultaneously. A linear control protocol using the relative position and velocity measurements with respect to predecessor and subsequent vehicles is introduced for each following vehicle. The Lyapunov-Krassovskii theorem is employed to derive the necessary conditions on control parameters assuring internal stability. Afterward, by performing the error propagation analysis in the frequency domain, sufficient conditions on control parameters assuring string stability are obtained. Finally, several simulation results are provided to show the effectiveness of the presented algorithm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heterogeneous traffic flow
  • Internal stability
  • String stability
  • Data loss
  • Time delay

مراجع

[1] D. Helbing, B. Tilch, Generalized force model of traffic dynamics, Physical review E, 58(1) (1998) 133-139.
[2] A.A. Ganin, A.C. Mersky, A.S. Jin, M. Kitsak, J.M. Keisler, I. Linkov, Resilience in Intelligent Transportation Systems (ITS), Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 100 (2019) 318-329.
[3] G.J. Naus, R.P. Vugts, J. Ploeg, M.J. van de Molengraft, M. Steinbuch, String-stable CACC design and experimental validation: A frequency-domain approach, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 59(9) (2010) 4268-4279.
[4] H. Chehardoli, A. Ghasemi, Adaptive centralized/decentralized control and identification of 1-D heterogeneous vehicular platoons based on constant time headway policy, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 19 (2018) 3376-3386.
[5] H. Chehardoli, A. Ghasemi, Formation control of longitudinal vehicular platoons under generic network topology with heterogeneous time delays, Journal of vibration and control, 25(3) (2019) 655-665.
[6] A. Ghasemi, R. Kazemi, S. Azadi, Stable decentralized control of a platoon of vehicles with heterogeneous information feedback, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 62(9) (2013) 4299-4308.
[7] S. Santini, A. Salvi, A.S. Valente, A. Pescapé, M. Segata, R.L. Cigno, A consensus-based approach for platooning with intervehicular communications and its validation in realistic scenarios, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(3) (2017) 1985-1999.
[8] Q. Xia, F. Gao, J. Duan, Y. He, Decoupled H∞ control of automated vehicular platoons with complex interaction topologies, IET Intelligent Transport Systems, 11(2) (2017) 92-101.
[9] A.A. Peters, R.H. Middleton, O. Mason, Leader tracking in homogeneous vehicle platoons with broadcast delays, Automatica, 50(1) (2014) 64-74.
[10] X. Guo, J. Wang, F. Liao, R.S.H. Teo, Distributed adaptive integrated-sliding-mode controller synthesis for string stability of vehicle platoons, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(9) (2016) 2419-2429.
[11] A. Ghasemi, R. Kazemi, S. Azadi, Stability analysis of bidirectional adaptive cruise control with asymmetric information flow, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 229(2) (2015) 216-226.
[12] Y. Zheng, S.E. Li, J. Wang, D. Cao, K. Li, Stability and scalability of homogeneous vehicular platoon: Study on the influence of information flow topologies, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(1) (2016) 14-26.
[13] H. Chehardoli, M.R. Homaeinezhad, Third-order safe consensus of heterogeneous vehicular platoons with MPF network topology: constant time headway strategy, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 232(10) (2017) 1402–1413.
[14] M.B. Younes, A. Boukerche, Safety and efficiency control protocol for highways using intelligent vehicular networks, Computer Networks, 152 (2019) 1-11.
[15] A. Petrillo, A. Salvi, S. Santini, A.S. Valente, Adaptive multi-agents synchronization for collaborative driving of autonomous vehicles with multiple communication delays, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 86 (2018) 372-392.
[16] J. Gong, Y. Zhao, Z. Lu, Sampled-data vehicular platoon control with communication delay, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 232(1) (2018) 39-49.
[17] Y. Zheng, S.E. Li, K. Li, F. Borrelli, J.K. Hedrick, Distributed model predictive control for heterogeneous vehicle platoons under unidirectional topologies, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 25(3) (2017) 899-910.
[18] H. Chehardoli, M.R. Homaeinezhad, Third-order leader-following consensus protocol of traffic flow formed by cooperative vehicular platoons by considering time delay: constant spacing strategy, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 232(3) (2017) 285-298.
[19] F. Gao, S.E. Li, Y. Zheng, D. Kum, Robust control of heterogeneous vehicular platoon with uncertain dynamics and communication delay, IET Intelligent Transport Systems, 10(7) (2016) 503-513.
[20] S. Feng, Y. Zhang, S.E. Li, Z. Cao, H.X. Liu, L. Li, String stability for vehicular platoon control: Definitions and analysis methods, Annual Reviews in Control,  (2019).
[21] I. Herman, M. Sebek, Optimal distributed control with application to asymmetric vehicle platoons, in:  IEEE 55th Conference onDecision and Control (CDC), IEEE, 2016, pp. 4340-4345.
[22] R. Rakkiyappan, B. Kaviarasan, J. Cao, Leader-following consensus of multi-agent systems via sampled-data control with randomly missing data, Neurocomputing, 161 (2015) 132-147.
[23] A. Seuret, F. Gouaisbaut, Jensen's and Wirtinger's inequalities for time-delay systems, IFAC Proceedings Volumes, 46(3) (2013) 343-348.
[24] R. Rajamani, Vehicle dynamics and control, Springer Science & Business Media, 2011.
[25] S.E. Li, X. Qin, Y. Zheng, J. Wang, K. Li, H. Zhang, Distributed platoon control under topologies with complex eigenvalues: stability analysis and controller synthesis, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 27(1) (2019) 206 - 220.
[26] P. Seiler, A. Pant, K. Hedrick, Disturbance propagation in vehicle strings, IEEE Transactions on Automatic Control, 49(10) (2004) 1835-1842.
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 4
تیر 1400
صفحه 2155-2170

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار