Platooning of IVC-enabled Autonomous Vehicles: Information and Positioning Management Algorithms, for High Traffic Capacity and Urban Mobility Improvement

Abstract

Urban traffic congestion is one of the major problems our cities face nowadays. The main challenge is to improve road capacity and avoid traffic congestion, under high vehicle density. This thesis aims to contribute for urban mobility improvement, using platooning of IVC-enabled autonomous vehicles. This way, new intraplatoon information management strategies to deal with safe and stable operation are proposed, as well as inter- and intraplatoon positioning management strategies with cooperative behavior to improve the efficiency of an advanced traffic management system. New algorithms to mitigate communication delays are presented, and Matlab/Simulinkbased simulation results are reported. We argue that using anticipatory information from both the platoon’s leader and the followers significantly impacts on platoon string stability. The obtained simulation results suggest that the effects of communication delays may be almost completely canceled out. The platoon presents a very stable behavior, even when subjected to strong acceleration patterns. When the communication channel is subjected to a strong load, proper algorithms may be selected, lowering network load and maintaining string stability. Upon emergency occurrences, the platoon timely response may be ensured by dynamically increasing the weight of the platoons’ leaders data over the behavior of their followers. The simulation results suggest that the algorithms are robust under several demanding scenarios. To assess if current intervehicle communication technology can cope with the proposed information-updating schemes, a research of its operation was conducted through a network simulator. Inter- and intraplatoon positioning management strategies with cooperative behavior are also addressed, to improve the efficiency of an advanced traffic management system. Novel algorithms to ensure high traffic capacity are presented, and Matlab/Simulink-based simulation results are reported. Using underneath the new proposed algorithms to mitigate communication delays with anticipatory information, we consider a constant spacing between platoons’ leaders as a fundamental condition to attain high traffic capacity. As such, new algorithms to maintain interplatoons’ leaders constant spacing are proposed, as well as novel algorithms allowing vehicles to enter the main track cooperatively. Furthermore, a new set of algorithms to improve safety is also presented. A novel architecture was developed, where each vehicle consists of two distinct modules: a leader and a follower. Based on Matlab/Simulink simulations of several scenarios, the new algorithms were assessed and the simulation results presented, confirming that the proposed algorithms ensure high traffic capacity and vehicle density, and avoid traffic congestion. These features were validated through simulations performed on a novel SUMO-based simulation platform. The simulation results proved that the proposed algorithms lead to a clear benefit of a platooning system when compared to bus and light rail-based transit systems.

O congestionamento de tráfego urbano é um dos problemas mais prementes que as nossas cidades enfrentam atualmente. O maior desafio que se coloca consiste em melhorar a capacidade das vias e evitar os congestionamentos, na presença de alta densidade de veículos. Esta tese procura contribuir para a melhoria da mobilidade urbana, com a utilização de platoons de veículos autónomos com comunicações entre veículos. Assim, são propostas novas estratégias de gestão de informação dentro dos platoons para manter uma operação segura e estável, bem como estratégias de gestão de posicionamento de veículos com comportamento cooperativo entre e dentro de platoons com o intuito de melhorar a eficiência de um sistema avançado de gestão de tráfego. São apresentados novos algoritmos para mitigar os atrasos das comunicações, bem como resultados de simulações efetuadas em Matlab/Simulink. Afirmamos que a utilização de informação antecipada, tanto por parte do líder do platoon como dos seus seguidores, produz uma melhoria muito significativa na estabilidade da cadeia de veículos de um platoon. Os resultados obtidos através de simulações indicam que os efeitos dos atrasos das comunicações podem ser quase completamente anulados. O platoon apresenta um comportamento muito estável, mesmo quando sujeito a fortes acelerações. Quando o canal de comunicação está muito ocupado, podem ainda ser selecionados algoritmos adequados, para atenuar a carga do canal de comunicação e manter a estabilidade da cadeia de veículos. Na hipótese de ocorrerem situações de emergência, a resposta pronta do platoon pode ser assegurada pelo aumento do peso da informação dos líderes dos platoons sobre os respetivos seguidores, efetuada de forma dinâmica. Os resultados de simulação sugerem que os algoritmos são robustos em diversos cenários exigentes. Para proceder à avaliação da capacidade das atuais tecnologias de comunicação entre veículos de lidarem com os esquemas de atualização de informação propostos, foram também efectuadas simulações num simulador de redes. Nesta tese são também apresentadas estratégias de gestão de posicionamento de veículos com comportamento cooperativo, entre e dentro de platoons, para melhorar a eficiência de um sistema avançado de gestão de tráfego. São apresentados novos algoritmos para garantir elevada capacidade de tráfego, e são relatados resultados de simulações efetuadas em Matlab/Simulink. Com a utilização nas camadas inferiores do sistema dos novos algoritmos propostos para mitigar os atrasos das comunicações através de informação antecipada, consideramos como condição fundamental para a obtenção de elevada capacidade de tráfego o espaçamento constante entre os líderes dos platoons. Para tal, são propostos novos algoritmos para manter um espaçamento constante entre os líderes dos platoons, bem como novos algoritmos para permitir aos veículos a sua entrada na via de forma cooperativa. Além disso, também é apresentado um novo conjunto de algoritmos para aumentar a segurança. Foi desenvolvida uma nova arquitetura, onde cada veículo é composto por dois módulos: um líder e um seguidor. Os novos algoritmos foram avaliados através de simulações de vários cenários efetuadas em Matlab/Simulink e os resultados apresentados confirmam que os algoritmos propostos garantem elevada capacidade de tráfego e alta densidade de veículos, e evitam congestionamentos. Estas caraterísticas foram validadas através de simulações efetuadas numa nova plataforma de simulação baseada no simulador de tráfego SUMO. Os resultados das simulações demonstraram que os algoritmos propostos conferem ao sistema de platoons uma evidente vantagem, quando comparado com sistemas de transporte baseados em autocarros e metros de superfície.