Optimized control logics for a cooperative string stable platoon of vehicles in presence of sensor and communication delays

Nowadays, traffic congestion on highways and pollutant emissions are still relevant problems. This raised the interest in the development of automated highway systems (AHS); in particular, one of the most interesting applications in this research field, is vehicle platooning. Platooning is a particular configuration in which autonomous vehicles travel in close longitudinal convoys, with small inter-vehicle gaps, following a leader vehicle piloted by an expert driver. Benefits are: the increase in road capacity and a significant reduction of the aerodynamic drag coefficient, which implies an important lowering of fuel consumption and emissions. In order to fully exploit these benefits, vehicles should travel really close to each other, therefore, safety must always be guaranteed. The most important requirement, that the platoon control system must satisfy, is the string stability, namely the capability of the platoon itself to attenuate the oscillations introduced by the leader, or any other vehicle in the string. A necessary condition for the achievement of this kind of stability, is the introduction of Vehicle-To-Vehicle (V2V) communication. This thesis work aims at designing optimized control logics, for a cooperative platoon of vehicles, capable of satisfying string stability. Different PID and LQR logics, in decentralized and centralized control architectures, have been developed and evaluated either in presence or absence of V2V communication. For a final validation, numerical simulations have been conducted to assess the robustness of the developed logics with respect to sensor and communication delays.

Al giorno d'oggi, le emissioni e la congestione del traffico autostradale sono ancora problemi rilevanti, questo ha incrementato l'interesse nello sviluppo dei così detti sistemi autostradali automatizzati "Automated Highway Systems" (AHS); in particolare, una delle applicazioni più interessanti in questo campo di ricerca, è il "Platooning" di veicoli. Il "Platooning" è una configurazione di marcia in cui veicoli a guida autonoma viaggiano in convogli in cui le distanze inter-veicolari sono molto piccole. I componenti del convoglio seguono il veicolo leader pilotato da un conducente esperto. I benefici che ne derivano sono: l'aumento della capacità stradale ed una significante riduzione del coefficiente aerodinamico di drag, che implica un’importante diminuzione del consumo di carburante e delle emissioni. Per sfruttare appieno questi benefici, i veicoli dovrebbero viaggiare a distanze molto ravvicinate tra loro, pertanto, la sicurezza deve essere sempre garantita. Il requisito più importante che il sistema di controllo del plotone deve soddisfare è la stabilità della stringa, ovvero la capacità del plotone stesso di attenuare le oscillazioni introdotte dal leader, o da qualsiasi altro veicolo nella stringa. Una condizione necessaria per il raggiungimento di questo tipo di stabilità è l'introduzione della comunicazione tra veicoli, definita come "Vehicle-To-Vehicle communication (V2V)". Questo lavoro di tesi ha come obiettivo la progettazione di logiche ottimizzate per il controllo di un plotone cooperativo di veicoli, in grado di soddisfare la stabilità della stringa. Diverse logiche PID e LQR, in architetture di controllo decentralizzate e centralizzate, sono state sviluppate e valutate sia in presenza che in assenza di comunicazione tra veicoli. In vista di una validazione finale, sono state condotte diverse simulazioni numeriche atte a valutare la robustezza delle logiche implementate rispetto all'introduzione di ritardi del sensore e di comunicazione.