Modellprädiktive Steuerungspolitikgestaltung, Lösungen und Stabilitätsanalyse für die longitudinale Fahrzeugkontrolle unter Berücksichtigung der Dämpfung von Schockwellen

Modelle der longitudinalen Fahrzeugkontrolle, wie der Adaptive Cruise Control (ACC) und der Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), sind ein zentrales Element vieler automatisierter Fahrzeugsysteme (ADS) oder erweiterter Fahrerassistenzsysteme (ADAS). ACC- und CACC-Systeme ermöglichen es Fahrzeugen, schneller zu reagieren und mit geringeren Sicherheitsabständen zu fahren als manuelle Fahrzeuge, wodurch Staus verringert und Verkehrsbeeinträchtigungen abgeschwächt werden. Viele bestehende ACC- und CACC-Steuerungsmodelle konzentrieren sich auf drei Strategien, die indirekt Staus mildern und Verkehrs-Schockwellen dämpfen können: Reduzierung des Zeitabstands, Verbesserung der Stabilität und adaptive Moduswechsel-Steuerung basierend auf den Verkehrsbedingungen. Obwohl die Minderung von Stau und die Dämpfung von Schockwellen mit diesen Steuerungsstrategien erreicht werden kann, ist die Verbesserung oft auf den Nebenprodukt-Effekt ihrer Hauptsteuerungsziele der Abstandreduzierung und Systemstabilität beschränkt. Viele adaptive Modelle müssen auch zahlreiche Parameter für unterschiedliche Straßenbedingungen kalibrieren. Dieses Papier schlägt einen neuen ACC- und CACC-Rahmen vor, der die Dämpfung von Verkehrs-Schockwellen und die Minderung von Verkehrsstau direkt in die Ziel-Funktion eines dynamischen Steuerungsrahmens integriert. Ein auf Modellprädiktiver Kontrolle (MPC) basierender dynamischer Optimierungsrahmen wird vorgeschlagen, um die Kompromisse zwischen mehreren Zielen, einschließlich Sicherheit, Effizienz, Schockwelle, Elastizität und Komfort des Fahrers, auszugleichen. Der vorgeschlagene Rahmen wird sowohl in ACC- als auch in CACC-Platoon mit manuellen Fahrzeugen angewendet, und fünf verschiedene Steuerungsmodelle werden untersucht. Die Stabilitätsbedingungen der vorgeschlagenen Modelle werden analytisch abgeleitet und numerisch analysiert. Drei experimentelle Studien, einschließlich Platoon-, Ringstraßen- und Verkehrssimulationsstudien, zeigen vielversprechende Ergebnisse der vorgeschlagenen Modelle bei der Reduzierung der Schockwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Minderung von Verkehrsstau in unterschiedlichen Umgebungen im Vergleich zu bestehenden ACC- und CACC-Modellen.