Predictor-based cooperative adaptive cruise control of vehicular platoons with actuation and communication delays

Abstract

Traffic flow efficiency and safety can be significantly improved via Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) of vehicular platoons. One critical property in vehicle platooning is string stability, which is essential for ensuring both safety and efficiency. String stability serves as a key indicator of how efficiently disturbances are attenuated as they propagate upstream in a platoon. However, the benefits of string (and vehicle) stability may be compromised in the presense of delays in actuation, sensing, or communication. This research aims to develop predictor-based CACC designs to compensate the negative effects of long actuation and communication delays in vehicular platoons. The proposed control design framework is applied to heterogeneous vehicular platoons, where each vehicle's dynamics are modeled by a third-order linear system with input delay. For each design we develop, we establish vehicle stability, string stability, and tracking of the desired speed/spacing. The proofs of individual vehicle stability, string stability, and regulation rely mainly on employment of an input-output approach on the frequency/time domains. We present consistent simulation results, including validations with real traffic data. We further provide experimental validation results, in a pair of real vehicles, of one of our predictor-based CACC designs.

Η αποδοτικότητα και η ασφάλεια της κυκλοφορίας μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά μέσω του Συνεργατικού Προσαρμοστικού Ελέγχου Ταχύτητας (Cooperative Adaptive Cruise Control – CACC) σε φάλαγγες οχημάτων. Μία κρίσιμη ιδιότητα στις φάλαγγες οχημάτων είναι η αλυσιδωτή ευστάθεια (string stability), η οποία είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση τόσο της ασφάλειας όσο και της αποδοτικότητας. Η αλυσιδωτή ευστάθεια λειτουργεί ως βασικός δείκτης του πόσο αποτελεσματικά αποσβένονται οι διαταραχές καθώς διαδίδονται προς τα πίσω μέσα στη φάλαγγα. Ωστόσο, τα οφέλη της αλυσιδωτής (και της επιμέρους οχηματικής) ευστάθειας μπορεί να υποβαθμιστούν παρουσία καθυστερήσεων στην ενεργοποίηση, στην αίσθηση ή στην επικοινωνία. Η παρούσα έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη σχεδιάσεων CACC με προβλεπτικούς ελεγκτές (predictor-based), με σκοπό την αντιστάθμιση των αρνητικών επιδράσεων μεγάλων καθυστερήσεων ενεργοποίησης και επικοινωνίας σε φάλαγγες οχημάτων. Το προτεινόμενο πλαίσιο σχεδίασης ελέγχου εφαρμόζεται σε ετερογενείς φάλαγγες οχημάτων, όπου η δυναμική κάθε οχήματος προσεγγίζεται από ένα γραμμικό σύστημα τρίτης τάξης με καθυστέρηση εισόδου. Για κάθε σχεδίαση που αναπτύσσουμε, τεκμηριώνουμε την ευστάθεια του οχήματος, την αλυσιδωτή ευστάθεια και την παρακολούθηση της επιθυμητής ταχύτητας/απόστασης. Οι αποδείξεις της ευστάθειας, της αλυσιδωτής ευστάθειας και της ρύθμισης βασίζονται κυρίως στη χρήση μιας προσέγγισης εισόδου-εξόδου στους τομείς της συχνότητας και του χρόνου. Παρουσιάζονται συνεπή αποτελέσματα προσομοιώσεων, συμπεριλαμβανομένων επικυρώσεων με πραγματικά δεδομένα κυκλοφορίας. Επιπλέον, παρέχονται πειραματικά αποτελέσματα επικύρωσης σε ένα ζεύγος πραγματικών οχημάτων, για μία από τις προβλεπτικές σχεδιάσεις CACC που προτείνονται.