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Titelaufnahme

Titel
Safe and efficient communication protocols for platooning control / Michele Segata
VerfasserSegata, Michele
Betreuer / BetreuerinDressler, Falko
ErschienenInnsbruck ; Povo, February 2016
Umfangxv, 123 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
HochschulschriftUniversity of Trento, Univ., Dissertation, 2016
Datum der AbgabeJanuar 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)platooning / fahrzeug zu fahrzeug kommunikation / beaconing-basierte kommunikationsprotokolle / realistische simulation
Schlagwörter (EN)platooning / vehicle to vehicle communication / beacon-based protocols / realistic simulation
Schlagwörter (GND)Fahrzeug / Lernendes System / Netzwerk
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3314 Persistent Identifier (URN)
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Safe and efficient communication protocols for platooning control [4.12 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Fahrzeug von heute unterstützt seinen Fahrer mit immer neuen, immer intelligenteren Assistenzfunktionen. So erkennen manch neue Nutzfahrzeuge selbständig wenn ein Fußgänger auf die Straße tritt, bremst und hält an, und verhindert so Personenschäden. Andere rufen über eine Mobilfunkverbindung Stauinformationen ab und schlagen ihrem Fahrer Ausweichrouten vor, um Zeit zu sparen. Ungebremst ist trotzdem das Streben von Fahrern (wie auch der Gesellschaft als Ganzes), Verkehr sicherer, umweltschonender, und effizienter zu machen. Nicht-kooperative Assistenzsysteme stoßen hier an ihre Grenzen.

Aus diesem Grund wurde mit der Forschung an Platooning, einer neuen Anwendung für Fahrzeugnetze, begonnen. Beim Platooning koordinieren sich autonome Fahrzeuge untereinander, was Vorteile im Hinblick sowohl auf Sicherheit als auch auf den Verkehrsfluss bietet. Durch die Verwendung von Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), einer Weiterentwicklung von Adaptive Cruise Control (ACC), kann der Abstand zwischen den Fahrzeugen drastisch reduziert und damit der Verkehrsfluss optimiert werden. Eine inhärente Eigenschaft von CACC ist die Möglichkeit automatischer Notbremsungen, was einen fundamentalen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit auf Autobahnen leistet. Die grundlegende Idee von Platooning ist es, optimierte Fahrzeugkolonnen zu bilden, die von den Fahrern des jeweils vordersten Fahrzeugs gesteuert werden, während die anderen Fahrzeuge in kurzem Abstand autonom folgen, ohne, dass ihre Fahrer steuern, bremsen oder beschleunigen müssen. Platooning hat das Potential, den Verkehr der Zukunft grundlegend zu verändern, da es den Verkehrsfluss verbessert und dadurch Staus reduziert, die Sicherheit erhöht, und sowohl den CO2-Ausstoss als auch den Stress beim Fahren verringert. Dabei stellt Platooning auf Grund seiner Interdisziplinarität eine große Herausforderung dar es wird auf Erkenntnisse aus den Bereichen der Kontrolltheorie, Fahrzeugdynamik, Kommunikation und Verkehrstechnik zurückgegriffen.

In dieser Arbeit werden wir uns mit Platooning hauptsächlich unter dem Aspekt von Kommunikation zwischen Fahrzeugen beschäftigen, da diese fundamental für die Kooperation zwischen Fahrzeugen ist und die Effizienzsteigerung gegenüber rein Sensor-basierten Lösungen ermöglicht. Die Anforderungen, die Platooning an Kommunikation stellt sind massiv. Mit IEEE 802.11 als geplante Basistechnologie muss deshalb kritisch hinterfragt werden, ob und wie diese Anforderungen erfüllt werden können.Ein Schwerpunkt dieser Arbeit sind daher solche Fragestellungen.

Der erste Beitrag der Arbeit ist das Design von Plexe, einer Erweiterung des weit verbreiteten Fahrzeugnetz-Simulators Veins. Plexe ermöglicht wissenschaftliche Studien zu den verschiedensten Aspekten von Platooning, wie etwa dem Design und der Bewertung von Kontrollalgorithmen, Kommunikations- und Anwendungsprotokollen. Die Erweiterung ist als Open-Source-Software frei verfügbar und benutzbar; sie ermöglicht es, sowohl die Kommunikation als auch die Fahrzeugdynamik realistisch zu simulieren. Diese Aspekte machen Plexe zu einer sinnvollen Testplattform vor dem realen Einsatz auf der Straße.

Der zweite Beitrag der Arbeit sind Beaconing-basierte Kommunikationsprotokolle, die die speziellen Anforderungen von Platooning berücksichtigen. Zu Beginn entwickeln wir vier Ansätze mit statischem Beaconintervall und vergleichen diese mit dem Stand der Wissenschaft entsprechenden dynamischen Protokollen, wobei wir zeigen, dass unsere Ansätze den Anwendungsanforderungen auch in sehr dichten Netzen gerecht werden können. Im nächsten Schritt schlagen wir einen dynamischen Ansatz vor, der Platooning verbessert (die Sicherheit erhöht) und gleichzeitig die Netzwerklast reduziert.

Der letzte Beitrag ist ein Kontrollalgorithmus für Platooning, der sich dadurch auszeichnet, dass er sich, anders als aktuell dem Stand der Wissenschaft entsprechende Ansätze, zur Laufzeit rekonfigurieren und so an die Netzwerkauslastung anpassen lässt. Diesen Algorithmus evaluieren wir durch Tests in anspruchsvollen Szenarien bei denen sich Platoons die Straße mit vom Menschen gesteuerten Fahrzeugen teilen die ebenfalls Daten auf dem gleichen Kanal senden.

Weiters wird in Szenarien die Fahrzeugdynamik durch Modellierung von Motor- und Bremscharakteristiken berücksichtigt. Wir können zeigen, dass der Algorithmus robust gegen externe Störungen ist, schnell konvergiert und eine hohe Stabilität aufweist.

Damit stellen die Ergebnisse dieser Arbeit einen großen Beitrag für den realen Einsatz von Platooning-Systemen dar.

Zusammenfassung (Englisch)

Modern vehicles are becoming smarter and smarter thanks to the continuous development of new Advanced Driving Assistance Systems (ADAS).For example, some new commercial vehicles can detect pedestrians on the road and automatically come to a stop avoiding a collision.

Some others can obtain information about traffic congestion through the cellular network and suggest the driver another route to save time. Nevertheless, drivers (and our society as well) are always striving for a safer, cleaner, and more efficient way of traveling and standard, non-cooperative ADAS might not be sufficient.

For this reason the research community started to design a vehicular application called "platooning". Platooning simultaneously tackles safety and traffic congestion problems by cooperatively coordinating vehicles in an autonomous way. Traffic flow is optimized by using an advanced Adaptive Cruise Control (ACC), called Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), which drastically reduces inter-vehicle gaps. By being autonomously coordinated, platooning vehicles implicitly implement automated emergency braking, a fundamental application for freeway safety.

The idea is to form optimized road trains of vehicles where the first drives the train, while the others autonomously follow at a close distance, without requiring the driver to steer, accelerate, or brake.

Platooning can have an enormous impact on future transportation systems by increasing traffic flow (and thus reducing congestion), increasing safety, reducing CO2 emissions, and reducing the stress of driving. This application is extremely challenging due to its inter-disciplinary nature. Indeed, it involves control theory, vehicle dynamics, communication, and traffic engineering.

In this thesis we are mostly concerned with the communication aspects of this application, which is fundamental for making the vehicles cooperate, improving the efficiency of the application with respect to a pure sensor-based solution. Application requirements are very tight and, given that the envisioned communication technology will be IEEE 802.11-based, there are concerns on whether these requirements can really be met. The focus of the thesis is in this direction.

The first contribution is the design of PLEXE, an extension for the widely used vehicular simulation framework Veins that enables research studies on various platooning aspects, including design and evaluation of control algorithms, communication protocols, and applications. The tool is open source and free to download and use, and it realistically simulates both communication and vehicle dynamics. This makes PLEXE a valid testing platform before real world deployment.

The second contribution is a set of undirected information broadcasting (beaconing) protocols that specifically take into account the requirements of the application.We initially develop four static (i.e., periodic) approaches and compare them against two state of the art dynamic protocols, showing that our approaches are capable of supporting the application even in heavily dense scenarios. Then, we propose a dynamic protocol that further improves the application (increasing safety) and the network layer (reducing resource usage) performance.

The final contribution is a platooning control algorithm that, compared to state of the art approaches, is re-configurable at run-time and that can be adapted to network conditions. We thoroughly test the algorithm in highly challenging scenarios. These scenarios include a realistic network setup where the road is shared by human- and automated-driven vehicles. Human-driven vehicles interfere with automated-driven ones by sending data packets on the same channel.

Moreover, we also consider a scenario with realistic vehicle dynamics, which takes into account vehicles' engine and braking characteristics. The algorithm is shown to be robust to network and external disturbances, to have a fast convergence, and to be very stable.

The results in this work thus represent a big step towards the real world implementation of platooning systems.