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

Abstract

Günümüzde akıllı ulaşım sistemlerine (AUS) olan ilgi giderek artmaktadır.Akıllıulaşım sistemlerinin geliştirilmesinin ana amacı emniyetli bir şekilde araç yolundakitrafik akışını devam ettirmektir. Kooperatif Adaptif Araç Kontrolü (KAAK), araçdizininde araçlar arası güvenilir bir mesafede trafik akışının devam etmesiniamaçlayan bir metottur. KAAK yöntemiyle araçlar arası en kısa uzaklığı eldeedebilmek için her araçtan uzaklık ölçülerini alınır ve araçtan araca haberleşmeyöntemiyle araçlar arası uzaklık verileri hesaplanır. KAAK yönteminde dizi boyuncaaraçta her hangi bir satürasyon ya da dalgalanma olmadan dizi kararlılığınınkorunması amaçlanmaktadır. Bundan dolayı, KAAK modelleri literatürde aynıdinamik özellikleri gösteren araçlar için kısıtlı bir konudur. Tezin ilk bölümünde,heterojen araçlarda dizi kararlılığını sağlamak için orijinal KAAK H∞ kontrol dizaynyöntemi geliştirilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, KAAK kontrol modeli araçdizinindeki gecikme konusu ile ilgili çalışmaları içermektedir. Zaman-gecikmesistemleri için birkaç H∞ kontrol dizayn yöntemi hem haberleşme hem de araçgecikme modeli için uygulanmıştır. Her yöntem için, dizi kararlılığı korunarak araçgrubunda 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 belirtmeliyizki bildiğimiz kadarıyla, heterojen araçlar ve gecikme ile KAAK yöntemi, buçalışmada ilk defa kullanılmıştır

The subject of intelligent transportation systems (ITS) began to take worldwideattention in the last decade. One main purpose of deploying ITS is the improvementof traffic flow capacity on highways while ensuring safety. Cooperative AdaptiveCruise Control (CACC) is a method used to support the flow of road vehicles at asafe distance in the form of vehicle strings. In order to enable small inter-vehiclespacing, CACC is implemented on each vehicle by the use of vehicle distancemeasurements as well as information from other vehicles via vehicle-to-vehiclecommunication. An important goal of CACC is the achievement of string stability inorder to attenuate fluctuations in the vehicle motion along vehicle strings. Hereby,CACC designs in the literature are lmited to the case of homogeneous vehiclestrings, where all vehicles have identical dynamic properties.In the first part of this thesis, an original CACC H∞ controller design method isdeveloped for the practical case of heterogeneous vehicle strings while achieving vstring stability. The second part of this thesis considers the issue of delay in theCACC control design for platoons of vehicles. Several H∞ control design methods fortime-delay systems are applied to address both communication and vehicle plantdelay. For each method, a longitudinal controller for a platoon of vehicles is obtainedwhich results in the achievement of string stability. In addition, a comparison of thedifferent methods regarding the supported delay and inter-vehicle spacings isperformed. The findings of the thesis are supported by representative simulationexperiments. We note that, to the best of our knowledge, no research has consideredthe CACC design for heterogeneous vehicles and CACC design with delay.