title: Movement strategies for connected and automated vehicles in lane-free traffic using optimal control
title: Στρατηγικές κίνησης για συνδεδεμένα και αυτοματοποιημένα οχήματα σε κυκλοφορία χωρίς λωρίδες με χρήση βέλτιστου ελέγχου
Creators: name: Φαρος Ιωαννης
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: In a variety of fields, automation has enhanced production and reduced errors to a large extent.  Automation in road vehicle driving using only connected and automated vehicles (CAVs) is expected to provide similar results. However, issues such as road safety, human-inspired driving, and road rules result in reduced road usage. Automated vehicles, aided by vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) communication, have the potential to improve road safety and traffic flow significantly, by being exempted or relaxed from the road rules designed for human drivers.
According to a recently proposed novel traffic paradigm, called TrafficFluid, there is no need to duplicate the human lane-based driving task. The future of road driving is moving towards complete automation and cooperation among CAVs. Advanced vehicle sensors and communications enable CAVs to "float" securely and efficiently, restoring lost capacity and enhancing traffic safety on various types of roadways, based on appropriate movement strategies.
The research so far, proposes, among other strategies, a strategy based on nonlinear optimal control for CAV path planning in lane-free traffic, as well as a feasible direction algorithm for its computationally efficient numerical solution. The optimal control problem (OCP) considers an objective function that minimizes fuel consumption, improves passenger comfort, reaches desired speed, and avoids obstacles. State-dependent bounds on control input are used to ensure that the vehicles stay within the road boundaries and prevent crashes in emergency situations. The OCP is solved repeatedly for short time horizons within a Model Predictive Control (MPC) framework, while the vehicle advances. The proposed approach is shown to give good results in a traffic simulation with wide range of vehicle densities on a lane-free ring-road and can be considered a contender for use in future advancements linked to lane-free CAV traffic.
Towards this direction, in this thesis, a strategy is developed that distributes the vehicles laterally based on their longitudinal desired speed and aims to improve the traffic flow, while avoiding collisions. Firstly, the desired lateral position is selected based on the distribution of the desired longitudinal speeds. Afterward, the desired lateral speed of each vehicle is calculated and applied in real-time, as it depends on its current lateral position. The proposed strategy is being simulated in a lane-free environment using a custom-made extension, namely TrafficFluid-Sim, which is built for the Simulation of Urban MObility (SUMO) simulator, considering various densities for different scenarios in a ring-road for comparative analysis. Several quantities, like the average traffic flow and statistical measures of the error in the lateral direction, are calculated to evaluate the method and confirm its effectiveness.

description: Σε διάφορους τομείς, ο αυτοματισμός έχει βελτιώσει την παραγωγή και έχει μειώσει τα σφάλματα σε μεγάλο βαθμό. Η οδήγηση με τη χρήση συνδεδεμένων και αυτοματοποιημένων οχημάτων (CAVs), προβλέπεται να παρέχει παρόμοια οφέλη. Ωστόσο, ζητήματα όπως η οδική ασφάλεια, οι περιορισμένες ανθρώπινες δυνατότητες και κανόνες κυκλοφορίας έχουν ως αποτέλεσμα τη μειωμένη χρήση της χωρητικότητας του δρόμου. Τα αυτοματοποιημένα οχήματα, με τη βοήθεια της επικοινωνίας όχημα-με-όχημα (V2V) και όχημα-με-τις οδικές υποδομές (V2I), έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν σημαντικά την οδική ασφάλεια και τη ροή της κυκλοφορίας, εξαιρώντας ή χαλαρώνοντας τους οδικούς κανόνες που έχουν σχεδιαστεί για οδηγούς.
Σύμφωνα με ένα καινοτόμο μοντέλο κυκλοφορίας που προτάθηκε πρόσφατα, που ονομάζεται TrafficFluid, δεν υπάρχει ανάγκη να αντιγράψουμε την ανθρώπινη οδήγηση σε λωρίδες. Το μέλλον της οδήγησης κινείται προς την πλήρη αυτοματοποίησή της με τη πλήρη συνεργασία των CAVs. Οι προηγμένοι αισθητήρες οχημάτων και η ανάπτυξη των επικοινωνιών επιτρέπουν σε κάθε όχημα να «ελίσσεται» με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα μεταξύ των άλλων, αποκαθιστώντας τη χαμένη χωρητικότητα και ενισχύοντας την ασφάλεια κυκλοφορίας σε διάφορους τύπους δρόμων, με βάση τις κατάλληλες στρατηγικές κίνησης.
Η μέχρι τώρα έρευνα προτείνει, ανάμεσα σε άλλες στρατηγικές, μια στρατηγική που βασίζεται στο μη γραμμικό βέλτιστο έλεγχο  για τον σχεδιασμό διαδρομής ενός CAV σε κυκλοφορία χωρίς λωρίδες, καθώς και έναν αλγόριθμο εφικτής κατεύθυνσης για την αποδοτική αριθμητική του λύση. Το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου (ΠΒΕ) θέτει μια αντικειμενική συνάρτηση που ελαχιστοποιεί την κατανάλωση καυσίμου, βελτιώνει την άνεση των επιβατών, επιτυγχάνει την επιθυμητή ταχύτητα και αποφεύγει τα εμπόδια. Γίνεται χρήση των μεταβλητών κατάστασης στους περιορισμούς (State-dependent bounds) στην είσοδο του ελέγχου για να διασφαλιστεί ότι τα οχήματα παραμένουν εντός των ορίων του δρόμου και αποτρέπουν ατυχήματα σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Το ΠΒΕ επιλύεται κατ’ επανάληψη για σύντομα χρονικά διαστήματα εντός ενός πλαισίου προβλεπτικού ελέγχου, καθώς το όχημα κινείται. Η προτεινόμενη προσέγγιση αποδεικνύεται ότι δίνει καλά αποτελέσματα σε προσομοίωση κυκλοφορίας με μεγάλο εύρος τιμών πυκνότητας οχημάτων σε έναν περιφερειακό δρόμο χωρίς λωρίδες και μπορεί να θεωρηθεί υποψήφια για χρήση στο μέλλον σε κυκλοφορία των CAVs σε δρόμους χωρίς λωρίδες.
Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διπλωματική εργασία, προτείνεται μια μέθοδος που κατανέμει τα οχήματα εγκάρσια με βάση τις κατά μήκος επιθυμητές τους ταχύτητες και στοχεύει στη βελτίωση της κυκλοφοριακής ροής, αποφεύγοντας παράλληλα τις συγκρούσεις. Αρχικά, η επιθυμητή εγκάρσια θέση επιλέγεται με βάση την κατανομή των κατά μήκος επιθυμητών ταχυτήτων. Στη συνέχεια, υπολογίζεται και εφαρμόζεται η επιθυμητή εγκάρσια ταχύτητα του κάθε οχήματος σε πραγματικό χρόνο, καθώς εξαρτάται από την τρέχουσα εγκάρσια θέση του. Η προτεινόμενη στρατηγική προσομοιώνεται σε περιβάλλον χωρίς λωρίδες, χρησιμοποιώντας μια προσθήκη, δηλαδή το TrafficFluid-Sim, το οποίο είναι κατασκευασμένο για τον προσομοιωτή SUMO (Simulation of Urban Mobility), εξετάζοντας διάφορες πυκνότητες για διαφορετικά σενάρια σε μια περιφερειακή οδό για συγκριτική ανάλυση. Ποσότητες, όπως η μέση κυκλοφοριακή ροή και στατιστικές μετρήσεις του σφάλματος στην εγκάρσια κατεύθυνση υπολογίζονται για την αξιολόγηση της μεθόδου και επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητά της.