Analysis of lane changes for vehicle strings on highways: String stability, driving safety and comfort

Abstract

Akıllı ulaştırma sistemlerinin önemli amaçlarından biri insan sürücü fonksiyonalitesinikısmi veya tümüyle devralabilmektir. Kooperatif otomatik seyir kontrolü (CACC)boylamsal araç hareketinin otomasyonu için yeni sayılabilecek bir teknolojidir. Dizikararlılığı koşulunu sağlamak kaydıyla, CACC küçük araç arası boşluklarda güvenliaraç takibini mümkün kılmakta ve yol kapasitesini iyileştirmek hedefiyle sıkı araçdizilerinin oluşumunu desteklemektedir. Klasik gerçeklenişiyle düşündüğümüzde,CACC araç dizilerinin oluşmuş olduğu ve tüm araçların yolun aynı şeridinde birbirinitakip ettiği durumlarla sınırlandırılmıştır. Bununla birlikte pratik öngörülen sürüşdurumları diziye giren ve çıkan araçları içermekte olup dizide sadece öndeki aracıtakip etmenin yanı sıra farklı manevralar icra etmeyi gerektirir.Bu tez araç dizilerindeki (araçlar girerken ve çıkarken) şerit değişikliklerinden dolayıyapılan ek manevraların araç dizileri üzerindeki emniyet etkileri ile ilgilenmektedir.boşluk açma ve kapama manevralarını içerecek şekilde şerit değişikliklerinidüzenleyen kontrolcüler araç lokasyonunun değişiminden dolayı ölçüm hataları vesensör bozulmalarına maruz kalabilmektedir. Uygun şekilde, bu manevraların aracınboylamsal hareketi üzerine etkileri analiz edilmelidir.İlk önemli katkısı olarak bu tez, şerit değişikliği sırasında tanımlanan bu ölçümhatalarının ilgili aracın girdi sinyal impulse'ları olarak modellenebildiğinitartışmaktadır. Bunun yanında, takip boşluğu açma/kapama manevraları uyguntanımlanmış, sınırlı bir süre sıfır-dışı olan ileribesleme girdi sinyallerinin üretimi ilegerçekleştirilebilmektedir. Bir araç dizisinde birden fazla şerit değişikliği olabileceğifikrine sadık kalarak, bu tez tekrar eden girdi sinyallerinin (impulse'lar veya zamansınırlıgirdi sinyalleri) LTI sistemlerin sinyal çıktı normları üzerindeki etkilerininçalışılmasını önermektedir. Bu tezin ikinci katkısı dizi kararlığı tanımına herhangi biraraç üzerindeki ek bozulmaları uygulayarak genişletmesidir. Aynı fikre sadık kalarakbu tezin yaptığı üçüncü katkıysa, eğer tekrar eden girdi sinyalleri (impulse veyazaman-sınırlı sinyaller) sıfır-harici bir ikamet-zamanı ile ayrılmışsa kararlı LTIsistemlerin çıktı sinyal normu üzerinde bir sınır göstermesidir. Ek olarak, çıktı sinyalnormu üzerinde orijinal şekilde, sıkı bir sınır hesaplama prosedürü sunmaktadır.Dördüncü katkısı ise, bu hesaplama yöntemlerini kararlı çok-girdili çok-çıktılı LTIsistemler üzerine adapte edebilmesidir. Beşinci katkısıysa, elde edilen sonuçlarınaraç dizilerine uygulanabilmesidir. Mesafe hatası, ivme hatası gibi çıktı sinyallerinuygun analitik sınırlarını belirlenebildiği gösterilmekte ve sonuçlar simülasyonlarlageçerli kılınmaktadır. Son büyük katkısıysa, büyük LTI sistemler için matriseksponansiyel fonksiyonların Jordan kanonik form ve Schur kırılımı temelinde yeninumerik metodlar geliştirmesidir. Bu normların değerlendirme ihtiyacı, uzun araçdizileri gibi büyük LTI sistemlerin çıktı sinyal normunun hesaplanması sırasındaortaya çıkmıştır.

An important aim of intelligent transportation systems (ITS) is the full or partialreplacement of human driver functionality. Cooperative adaptive cruise control(CACC) is a recent technology for automating the longitudinal vehicle motion.Fulfilling the condition of string stability, CACC enables safe vehicle following atsmall inter-vehicle spacings and hence supports the formation of tight vehicle stringsfor improving the road capacity. In its classical realization, CACC is limited to thecase where vehicle strings are already formed and all vehicles in a string follow eachother on the same lane of a road. However, practical driving situations include the caseof vehicles entering or leaving a string and performing maneuvers different from onlyvehicle following.This thesis is concerned with the effect of additional maneuvers due to lane changes(vehicles entering or leaving) on the safety of vehicle strings. Lane changes includegap opening and closing maneuvers and are subject to measurement inaccuracies andsensor errors due to changes of the vehicle locations. Accordingly, the effect of thesemaneuvers on the longitudinal vehicle motion has to be analyzed.As the first contribution, the thesis argues that the described measurementinaccuracies during lane changes can be modeled by input signal impulses of therespective vehicle. Moreover, opening/closing gap maneuvers can be realized by thegeneration of suitable feedforward input signals that are nonzero for a limited time.Respecting that multiple lane changes can occur in a vehicle string, the thesisproposes to study the effect of repeated input signals (impulses or time-limited inputsignals) on the output signal norm of LTI systems. The second contribution of thethesis is extending the definition of string stability to additional disturbances that canbe applied to any vehicle in the string. Respecting the same idea, the thirdcontribution of the thesis shows that a bound on the output signal norm of stable LTIsystems exists if the repeated input signals (impulses or time-limited signals) areseparated by a non-zero dwell-time. Additionally, an original computationalprocedure for finding a tight bound on the output signal norm is provided. The fourthcontribution is the adaptation of these computational methods to the case of stableLTI systems with multiple inputs and outputs. The fifth contribution is theapplication of the obtained results to vehicle strings. It is shown that suitableanalytical bounds for the relevant output signals such as distance error oracceleration can be determined and the results are validated by simulations. The lastmajor contribution is the development of new numerical methods for bounding thematrix exponential function for large LTI systems based on the Jordan canonicalform and the Schur decomposition. The evaluation of such norms is needed whencomputing the output signal norm of large LTI systems such as long vehicle strings.