Cooperative platooning : Development and co-simulation-based validation of distributed model predictive control methods for safe and efficient cooperative platooning

Abstract

Kooperatives Platooning von Last- oder Personenkraftwägen ist im Stande die Sicherheit und Effizienz auf den Straßen zu erhöhen. Während vorausschauende aber einmalige Trajektorienplanung den Treibstoffverbrauch und die Reisezeit auf freien Straßen in der Theorie verringert, verlangt dichter Verkehr nach ständiger Anpassung dieser Pläne. Es stellt sich nun die Frage, wie durch geeignete Informierung der Einzelfahrzeugregelung dennoch ein effizientes Verhalten erreicht werden kann. Zur Beantwortung dieser Problemstellung wird in dieser Arbeit ein holistisches Regelungskonzept für kooperatives Platooning entwickelt -- im Rahmen des österreichischen Leitprojekts "Connecting Austria". Dieses Regelungskonzept beinhaltet einen modellprädiktiven Regler, welcher durch den Platoon-Koordinator über effiziente und gleichzeitig fahrbare Trajektorien informiert wird. Das Konzept wird in ausgewählten Szenarien mithilfe einer eigens entwickelten Co-Simulations-Umgebung mit realitätsnaher Fahrzeugdynamik evaluiert. Die Trajektorienplanung des Platoon-Koordinators wird für zwei spezifische Szenarien, welche sich aus den Anwendungsfällen im Forschungsprojekt "Connecting Austria" ergeben, formuliert und implementiert: im ersten durchfährt ein Platoon eine ampelgeregelte Kreuzung; im zweiten löst sich ein Platoon vor einer Gefahrenstelle auf. Die Hauptergebnisse dieser Diplomarbeit wurden in der Publikation "Safe and Efficient Cooperative Platooning" im Fachjournal "IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems" mit Peer-Review veröffentlicht, welche vom Diplomanden unter wissenschaftlicher Anleitung der Mitautoren verfasst worden ist. Diese Publikation schlägt neuartige Methoden für die verteilte modellprädiktive Regelung von kooperativen Platoons vor. Eine Sicherheitserweiterung entkoppelt die Auslegung des Folgeverhaltens von den Sicherheitsbeschränkungen und ermöglicht kooperatives Verhalten in der Form von temporär reduzierter Bremstätigkeit zur Reduktion der Fahrzeugabstände. Fahrkorridore, welche auf Positionsfehler bezogen sind, werden verwendet um einerseits zwischen geeigneten Regelmodi zu wechseln und um andererseits das Senden von Prädiktionen an das Folgefahrzeug auszulösen. Die vorgeschlagenen Methoden bleiben auch bei realistischen Modellfehlern effektiv, sorgen für implizite Kollisionssicherheit und reduzieren den notwendigen Kommunikationsaufwand.

Cooperative automotive platooning can improve safety and efficiency on the road. Look-ahead control of an entire platoon allows to reduce fuel consumption and travel time in open road scenarios, but dense traffic requires continuous adaptation of far-sighted plans. To achieve efficient individual vehicle control, these control systems need to be informed appropriately. For this purpose a holistic control concept for cooperative platooning was developed in the course of this thesis for the Austrian flagship project "Connecting Austria". This holistic control concept includes a novel model predictive controller which is informed by the platoon coordinator of permitted and at the same time efficient platooning maneuvers. The platoon safety and performance is demonstrated in selected scenarios using a custom-developed vehicle dynamics co-simulation framework. Within the developed control concept, trajectory planning is proposed to recommend scenario-specific platoon trajectories. The trajectory planning task is formulated and implemented for two scenarios stemming from use-cases defined in the project "Connecting Austria": in the first a platoon is transiting a light-controlled intersection; in the second a platoon is disbanding because of a hazardous area ahead. The main academic results devised by the degree candidate are published in the peer-reviewed paper "Safe and Efficient Cooperative Platooning" in the journal "IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems", written by the degree candidate under scientific guidance of the co-authors. This publication proposes novel methods for distributed model predictive control of cooperative platoons. A safety-extension separates safety constraints from the design of the tracking control goals and enables agreed-upon behavior in terms of temporarily limited decelerations to reduce the inter-vehicle distances. Driving corridors based on position errors are utilized to select suitable control modes or trigger prediction updates to following vehicles. The proposed measures are effective with realistic model errors, provide implicit collision safety and reduce the communication effort.