Distributed control and reorganization of heterogeneous vehicle platoons subject to time delay and limited communication range

Abstract

A cooperação entre veículos autônomos no tráfego urbano e no transporte em estradas, dispostos em comboios, constitui uma solução para um trânsito mais seguro e organizado, promovendo maior eficiência energética. Neste contexto, este trabalho aborda o controle distribuído e a reorganização de comboios heterogêneos de veículos, considerando restrições de comunicação, incluindo limitação do alcance e atrasos fixos e heterogêneos, bem como eventos de reconfiguração ao longo do deslocamento. Os veículos são equipados com sensores, atuadores e unidades de processamento e controle, o que possibilita a formação e a manutenção dos comboios por meio do consenso sobre as posições relativas entre veículos conectados. Este trabalho propõe soluções para o problema de controle distribuído aplicado à formação de comboios heterogêneos, adotando uma política de espaçamento constante e alcance de comunicação limitado. Como principais resultados, são apresentadas estratégias para a recuperação automática da distância desejada, garantindo a resiliência do comboio independentemente do número de veículos. O controle dos veículos é projetado segundo uma estrutura hierárquica de dois níveis. No primeiro nível, a lei de controle implementada em um sistema de automação regula o movimento do veículo a partir de dados de posição, velocidade e aceleração recebidos dos veículos à sua frente, caracterizando uma topologia de comunicação do tipo predecessor–seguidor. O segundo nível da hierarquia é regido por protocolos que modificam entradas de dados e a estrutura de controle diante de mudanças na configuração do comboio, abrangendo a reconfiguração para eventos de entrada e saída de veículos e a recuperação após perda completa de comunicação e segmentação, viabilizando a recomposição do sistema. Os resultados obtidos são aplicáveis a sistemas lineares invariantes no tempo. O modelo de cada veículo é obtido por meio de uma técnica de linearização aplicada a um modelo não linear da dinâmica longitudinal. A conectividade entre os veículos é descrita utilizando a teoria de grafos. A estabilidade do sistema é assegurada pela convergência da distância de espaçamento em relação aos veículos vizinhos para valores desejados. As análises consideram cenários de comunicação sem atraso e com atraso fixo e heterogêneo, utilizando a teoria de controle clássica, com ganhos de controle selecionados de acordo com o critério de Routh–Hurwitz, o qual garante a estabilidade assintótica. Os resultados demonstram que a estabilização de todos os veículos do comboio heterogêneo é assegurada pela estabilidade individual de cada veículo, utilizando apenas variáveis locais. Exemplos numéricos, implementados em linguagem Python, e testes realizados no simulador CARLA, emulando condições realistas de condução dos veículos, demonstram a eficácia das metodologias propostas.