Trajectory generation for open/close gap maneuvers in vehicle strings

Abstract

Cooperative adaptive cruise control (CACC) is an advanced technology allowing vehicle following at a small inter-vehicle spacing. In its classical usage, CACC assumes that vehicles are arranged in the form of a vehicle string and follow each other at a velocity-dependent distance. Nonetheless, practical driving situations include the case of lane changes, where vehicles can join or leave a vehicle string. In such case, it is required that gaps for joining vehicles are provided or gaps after leaving vehicles are closed in order to ensure safe and efficient driving. This thesis is concerned with gap opening and closing maneuvers in vehicle strings. Introducing a suitable control architecture, gap opening and closing maneuvers can be realized by the generation of feedforward input signals. To this end, the first contribution of the thesis is the development of five methods for the computation and representation of gap opening and closing trajectories that fulfill additional safety and comfort constraints. The first method is based on the solution of an optimal control problem, the second method uses a polynomial trajectory and plant inversion, the third method concatenates three polynomials and uses nonlinear programming to determine the polynomial coefficients, the fourth method uses a high-order polynomial and the fifth method uses concatenated polynomials in order to approximate the optimal control solution. A simulation study shows that the fifth method is particularly useful in practical applications since it computes trajectories that approximate the optimal control solution in real-time. The second contribution of the thesis is the implementation of a vehicle model that realizes CACC and additional feedforward signals in the form of a Matlab S-function.

Kooperatif Otomatik Seyir Kontrolü (CACC), araçlar arasındaki dar boşlukta araç takibine izin veren gelişmiş bir teknolojidir. Klasik kullanımda CACC araçların bir araç dizisi halinde düzenlendiğini ve birbirini hıza bağlı bir mesafede takip ettiğini varsayar. Bununla birlikte pratik sürüş durumları araçların bir araç dizisine katılabildiği ve ayrılabildiği durumları da içerir. Böyle bir durumda boşlukların, katılacak araçlar için açılması veya araçlar ayrıldıktan sonra emniyetli ve etkili bir şekilde kapanması gerekmektedir. Bu tez araç dizilerindeki boşluk açma ve kapatma manevraları ile ilgilidir. Uygun bir kontrol mimarisinde, boşluk açma ve kapatma manevraları ileri besleme giriş sinyallerinin üretilmesi ile gerçekleşebilir. Bu amaca ulaşmak için, tezin ilk katkısı ek güvenlik ve konfor kısıtlamalarını karşılayan boşluk açma ve kapatma yörüngelerinin hesaplanması ve gösterimi için beş yöntem geliştirilmesidir. Birinci yöntem optimal kontrol probleminin çözümüne dayanır, ikinci yöntem bir polinom yörüngesi ve plant ters çevirmesi kullanır, üçüncü yöntem üç polinomu birbirine bağlar ve polinom katsayılarını belirlemek için doğrusal olmayan programlamayı kullanır, dördüncü yöntem yüksek dereceli bir polinom kullanır ve beşinci yöntem optimal kontrol çözümünü yakınsamak için birbirine bağlanmış polinomları kullanır. Beşinci yöntemin gerçek zamanlı olarak optimal kontrol çözümüne yaklaşan yörüngeleri hesaplaması nedeniyle pratik uygulamalarda özellikle kullanışlı olduğunu gösteren bir simülasyon çalışması yapıldı. Tezin ikinci katkısı, CACC ve ilave ileri besleme sinyallerini bir Matlab S-fonksiyonu şeklinde gerçekleştiren bir araç modelinin uygulanmasıdır.