Aktüator satürasyonu ve zamanla değişen iletişim gecikmelerialtında heterojen araç konvoyları için kontrolör tasarımı
Controller design for heterogeneous platoons in the presenceof actuator saturation and time varying communication delays
Yazar: HİLAL BİNGÖL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SOYSAL ; PROF. DR. KLAUS VERNER SCHMİDT
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Adaptif denetim = Adaptive control ; Arazi taşıtları = Road vehicles ; Araç dinamiği kontrolü = Vehicle dynamic control ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Otonom araçlar = Autonomous vehicles ; Zaman gecikmeli sistemler = Time delay systems

Özet:
Kooperatif Adaptif Seyir Kontrolu (KASK), birden fazla aracın kısa mesafede güvenli ve konforlu bir şekilde seyahat etmesini amaçlar. Farklı araçlardan oluşan heterojen araç dizisinin gerçek trafik ortamındaki KASK uygulamalarında mutlaka incelenmelidir. Özellikle, farklı dinamik parametreler ve gaz / frenleme kuvveti üzerindeki eyleyici sınırları nedeniyle araç takibinde kritik öneme sahip olan dizi kararlılığını olumsuz yönde etkileyebilir. Buradan yola çıkarak, tez çalışmasında potansiyel eyleyici doyumuna sahip heterojen araç dizisinde KASK sürüş modeli için dizi kararlılık çalışması sunulmuştur. Araç dizisinin hız değişim manevrası sırasında dizi kararlılığını korumak için yeterli koşulların türetilmesini sağlayan hıza bağlı kuvvet sınırları formüle edilmiştir. Böylece, KASK sürüş modelinde aynı anda hem eyleyici doyumu engellenirken hem de sürüş konforu sağlanmıştır. Bu koşullar kullanılarak, farklı hız değişim manevralarında güçlü L_∞-dizi kararlılık koşullarını sağlayan minimum-zamanlı optimal kontrol probleminin formülasyonu ve analitik çözümü yapılmıştır. Bu, uygun olan lider araç yörüngelerinin gerçek trafik koşullarında hızlı ve gerçek zamanlı olarak hesaplanmasını sağlayan orijinal bir yöntemdir. Tez çalışmasında, araç dizi kararlılığını etkileyen eyleyici zaman gecikmesi ve zamanla değişen haberleşme zaman gecikmesi dikkate alınarak Lyapunov-Krasovskii yaklaşımı ile kontrolcü sentezi yapılmıştır. İki farklı yöntem ile kontrolcü sentezinin yapıldığı çalışmada, ilk olarak geliştirilen Bi-Section algoritması güçlü L_∞-dizi kararlılık koşullarını garanti eden algoritma önerilmiştir. Orijinal bir yöntem olan doğrusal matris eşitsizlik (LMI) yapıları ile doğrudan güçlü L_∞-dizi kararlılık koşullarını garantileyen kontrolcü sentezi yapılmıştır. Tez çalışması, KASK donanımlı heterojen araç dizisi ile birlikte gerçek dinamik araç parametreleri, eyleyici doyumu, zamanla değişen haberleşme zaman gecikmesinin birlikte dikkate alındığı ve güçlü L_∞-dizi kararlılık koşullarını sağlayan kontrolcü sentezinin yapıldığı ilk çalışmadır.

Abstract:
Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) aims at the safe and comfortable travel of vehicles at short distances in the form of platoons. The heterogeneity of vehicles is an important factor when realizing cooperative adaptive cruise control in practice. Specifically, it has to be considered that platoons generally consist of vehicles with both different dynamic properties and actuator limits on the engine and braking force, which is expected to have a negative impact on important properties such as string stability. Accordingly, the one subject of this thesis is the preservation of string stability for CACC in heterogeneous vehicle strings with potential actuator saturation. To this end, the thesis formulates a velocity-dependent force an acceleration bound that enables the derivation of sufficient conditions for preserving string stability during velocity changes of heterogeneous platoons. This L_∞-string stability conditions ensure reducing the magnitude of the acceleration signal along the platoon, which help to avoid actuator saturation and increases driving comfort. Furthermore, the motion of vehicle platoons depends on the motion of the platoon leader. String stability conditions enable the formulation and analytical solution of a minimum-time optimal control problem for velocity changes of heterogeneous platoons under actuator saturation. Moreover, since the performance of CACC is adversely affected by time-varying communication and actuator delays, the controller design method using Lyapunov-Krasovskii theorem for L_∞-string stability is developed. At first, by performing controller synthesis with the developed Bi-Section algorithm strong L_∞-string stability conditions are guaranteed. Afterwards, an original method that enables controller synthesis with linear matrix inequality (LMI) structures is proposed and strong L_∞-string stability conditions are fulfilled. KASK-equipped heterogeneous vehicle string, real dynamic vehicle parameters, actuator saturation (velocity-dependent force and acceleration bounds) and time-varying communication time delay are taken into account for the first time to synthesis controller to guarantee strong L_∞-string stability conditions.