Design and evaluation of cooperative adaptive cruise control (CAAC) for the improvement of highway traffic flow

Abstract

The subject of intelligent transportation systems (ITS) began to take worldwide attention in the last decade. One main purpose of deploying ITS is the improvement of traffic flow capacity on highways while ensuring safety. Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) is a method used to support the flow of road vehicles at a safe distance in the form of vehicle strings. In order to enable small inter-vehicle spacing, CACC is implemented on each vehicle by the use of vehicle distance measurements as well as information from other vehicles via vehicle-to-vehicle communication. An important goal of CACC is the achievement of string stability in order to attenuate fluctuations in the vehicle motion along vehicle strings. Hereby, CACC designs in the literature are lmited to the case of homogeneous vehicle strings, where all vehicles have identical dynamic properties. In the first part of this thesis, an original CACC H∞ controller design method is developed for the practical case of heterogeneous vehicle strings while achieving v string stability. The second part of this thesis considers the issue of delay in the CACC control design for platoons of vehicles. Several H∞ control design methods for time-delay systems are applied to address both communication and vehicle plant delay. For each method, a longitudinal controller for a platoon of vehicles is obtained which results in the achievement of string stability. In addition, a comparison of the different methods regarding the supported delay and inter-vehicle spacings is performed. The findings of the thesis are supported by representative simulation experiments. We note that, to the best of our knowledge, no research has considered the CACC design for heterogeneous vehicles and CACC design with delay.

Günümüzde akıllı ulaşım sistemlerine (AUS) olan ilgi giderek artmaktadır.Akıllı ulaşım sistemlerinin geliştirilmesinin ana amacı emniyetli bir şekilde araç yolundaki trafik akışını devam ettirmektir. Kooperatif Adaptif Araç Kontrolü (KAAK), araç dizininde araçlar arası güvenilir bir mesafede trafik akışının devam etmesini amaçlayan bir metottur. KAAK yöntemiyle araçlar arası en kısa uzaklığı elde edebilmek için her araçtan uzaklık ölçülerini alınır ve araçtan araca haberleşme yöntemiyle araçlar arası uzaklık verileri hesaplanır. KAAK yönteminde dizi boyunca araçta her hangi bir satürasyon ya da dalgalanma olmadan dizi kararlılığının korunması amaçlanmaktadır. Bundan dolayı, KAAK modelleri literatürde aynı dinamik özellikleri gösteren araçlar için kısıtlı bir konudur. Tezin ilk bölümünde, heterojen araçlarda dizi kararlılığını sağlamak için orijinal KAAK H∞ kontrol dizayn yöntemi geliştirilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, KAAK kontrol modeli araç dizinindeki gecikme konusu ile ilgili çalışmaları içermektedir. Zaman-gecikme sistemleri için birkaç H∞ kontrol dizayn yöntemi hem haberleşme hem de araç gecikme modeli için uygulanmıştır. Her yöntem için, dizi kararlılığı korunarak araç grubunda uzunlamasına kontrolör elde edilmiştir. Aynı zamanda, farklı yöntemler kullanarak gecikme ve araçlar arası uzaklık ile ilgili karşılaştırmalar yapılmıştır. Tezde bulunan sonuçlar yapılan simülasyonlar ile desteklenmiştir. Şunu belirtmeliyiz ki bildiğimiz kadarıyla, heterojen araçlar ve gecikme ile KAAK yöntemi, bu çalışmada ilk defa kullanılmıştır