Architecture de contrôle pour le car-following adaptatif et coopératif

Control architecture for adaptive and cooperative car-following

• Auteur / Autrice : Carlos Flores
• Direction : Fawzi Nashashibi, Vicente Milanes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques, informatique temps réel, robotique
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de robotique (Paris) - RITS - Robotics & Intelligent Transportation Systems
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Martinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Steven Shladover
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Sename, Concepcion Monje

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Circulation -- Commandes électroniques

Automobiles -- Systèmes d'aide à la conduite

Mots clés libres

Car-following automatisé

Contrôle coopératif

Stabilité du convoi

Convois hétérogènes

Contrôle d'ordre fractionnaire

Automated car-following

Cooperative control

String stability

Heterogeneous strings

Fractional-order control

Résumé

L'adoption récente et généralisée des systèmes d'automatisation des véhicules, avec l’incorporation de la connectivité entre voitures, a encouragé l’utilisation des techniques comme le Contrôle Croisière Adaptatif Coopératif (CACC) et la conduite en convoi. Ces techniques ont prouvé l’amélioration du flux de trafic et la sécurité de la conduite, tout en réduisant la consommation d’énergie et les émissions CO_2. Néanmoins, la robustesse et la stabilité stricte du convoi, malgré les délais de communication et l’hétérogénéité des convois, restent des sujets de recherche en cours. Cette thèse a pour sujet la conception, l’analyse et validation de systèmes de contrôle pour le car-following automatisé et coopératif, en ciblant l’augmentation de ses avantages et son usage, en se concentrant sur la robustesse et la stabilité du convoi même sur des séries de véhicules hétérogènes avec des retards de communication. Une structure feedforward/feedback est développée, dont sa modularité est fondamentale pour la mise au point des approches avec des objectifs différents mais complémentaires. L’architecture permet non seulement l’adoption d’une stratégie d’espacement pour la range entière de vitesse, mais elle peut aussi être employée dans le cadre d’un CACC basé sur une machine d’état pour la conduite en convoi sur des environnements urbains avec des capacités de freinage d’urgence et de rejoint du convoi. Des différents algorithmes pour la conception de systèmes de contrôle feedback pour la régulation des distances sont présentés, pour quoi le calcul d’ordre fractionnaire démontre fournir des réponses fréquentielles de boucle fermé plus précises et satisfaire des besoins plus exigeantes. La performance est assurée malgré l’hétérogénéité avec la proposition de deux approches feedforward différents. Le premier est basé sur une topologie en considérant que le véhicule précédent dans la boucle, tandis que le deuxième inclut le véhicule leader pour améliorer la performance de suivi. Les algorithmes proposés sont validés avec des études de stabilité dans le domaine du temps et fréquence, ainsi que simulations et expérimentations réelles.

Recent widespread adoption of vehicle automation and introduction of vehicle-to-vehicle connectivity has opened the doors for techniques as Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) and platooning, showing promising results in terms of traffic capacity and safety improvement, while reducing fuel consumption and CO_2 emissions. However, robustness and strict string stability, despite communication delays and string heterogeneity is still an on-going research field. This thesis deals with the design, study and validation of control systems for cooperative automated car-following, with the purpose of extending their benefits and encourage their employment, focusing on robustness and string stability, despite possible V2V communication delays and string heterogeneity. A feedforward/feedback hierarchical control structure is developed, which modularity is fundamental for the proposal of approaches that target different but complementary performance objectives. The architecture not only permits the adoption of a full speed range spacing policy that target multiple criteria, but can also be employed in a state machine-based CACC framework for urban environments with emergency braking and platoon re-joining capabilities in case of pedestrian interaction. Different feedback control design algorithms are presented for the gap-regulation, for which the fractional-order calculus is demonstrated to provide more accurate closed loop frequency responses and satisfy more demanding requirements. Desired performance is ensured in spite of string heterogeneity through the proposal of two feedforward methods : one based on predecessor-only topology, while the second includes the leader vehicle information on feedforward to gain tracking capabilities. Proposed control algorithms are validated through time and frequency-domain stability studies, simulation and real platforms experiments.