Platooning of vehicles in intelligent transportation systems

Abstract

Intelligent transportation systems aim at improving the efficiency and safety of transportation. In dense traffic, vehicles are aggregated to vehicle strings that travel on thesame lane, whereby it is desired to maintain a small but safe distance between the vehicles. In the literature, this task is captured by the notion of string stability: fluctuations thatare introduced by maneuvers of the leader vehicle should be attenuated by the follower vehicles. The literature provides various methods for achieving string stability underthe assumption that a vehicle string is already formed and remains unchanged. Nevertheless, in practice, it is necessary to account for vehicles entering or leaving a platoon when performing lane changes.The subject of this thesis is the realization of longitudinal maneuvers for safe and efficient lane changes in dense vehicle traffic. Hereby, the tasks of tight vehicle following for a high traffic throughput and opening gaps for vehicles that want to enter a string have to be considered. Both tasks have to be achieved under the requirement of safety and without a negative effect on the traffic throughput. To this end, it is proposed a control architecture that addresses the stated issues. It combines the idea of cooperative adaptive cruise control (CACC) for safe vehicle following with feedforward control for opening or closing gaps that are generated if vehicles enter or leave a string. We first show that gaps can be opened/closed safely and smoothly with our method. That is, if string stability is obtained by the CACCdesign, it is preserved when using our feedforward control. Second, we propose a method to schedule maneuvers of different vehicles for opening gaps at a high traffic throughput. To the best of our knowledge this is the first work on the control and scheduling of safe and efficient lane changes.

Akıllı ulaştırma sistemlerinin amacı ulaştırmanın etkinliğinin ve emniyetinin iyileştirilmesidir. Yoğun trafikte araçlar diziler halinde aynı kulvarda ilerlerken araçların arasında küçük ancak emniyetli bir mesafe muhafaza edilmesi istenmektedir. Literatürde bu görev dizi istikrarı fikri ile yakalanmaktadır: lider araç tarafından yapılan manevralarla geliştirilen dalgalanmalar, takip eden araçlar tarafındanda takip edilmektedir. Literatürde araç dizisinin oluşturduğu ve değiştirilmeden muhafaza edileceği varsayımı iledizi istikrarının gerçekleştirilmesi için değişik yöntemler verilmektedir. Bununla birlikte, pratikte şerit değişikliği yaparken takımdan ayrılan veya takıma giren araçların açıklanması gerekmektedir. Bu tezin konusu, yoğun araç trafiğinde şerit değişiklikleri için yapılan manevraların güvenli ve verimli bir şekilde gerçekleştirilmesidir. Böylelikle trafiğin yoğun olduğu durumlarda sıkı araç takibi ve diziye giriş yapmak isteyen araçlar için boşlukların yaratılması gibi görevlerin dikkate alınması gerekmektedir. Her iki görevin emniyet gereksinimlerini ve trafik akışını olumsuz bir şekilde etkilenmeden gerçekleşmesi gerekmektedir. Bunun için söz konusu unsurları ele alan bir kontrol yapısını önerilmektedır. Bu yapı, araçların diziye girmesi veya çıkması ile oluşturulan boşlukların açılması veya kapanması için ileriye dönük kontrol ile emniyet araç takibine yönelik uyarlanabilir seyir kontrolü (CACC) işbirliği fikrini birleştirmektedir. Öncelikle, sistemde emniyetli ve düzenli olarakaçılabilen/kapatılabilen boşlukları gösterilmektedır. Bu sayede dizi istikrarı, CACC tasarımı ile elde edilen dizi kararlılığı ileri beslemeli kontrolün kullanılması ile muhafaza edilmektedir. İkinci bir husus olarak da yoğun trafik akışında boşluk açılması için farklı araçlar için manevra programı yöntemini önerilmektedır. Bu çalışma emniyetli ve etkin şerit değiştirmesi ile ilgili ilk kontrol ve programlama çalışmalarından biridir.