In this work, a hierarchical model predictive control approach for the coordination of multiple platoons is proposed. Today a majority of transportation is still happening on the road. This leads to congested roads, greenhouse gas emissions, and accidents. A platoon is a group of vehicles moving in a string but without any physical coupling. Instead, the vehicles are coupled by inter-vehicle communication that allows them to exchange information with one another. Platooning leads to several benefits: The exchange of information can allow the vehicles to reduce the distance between them without decreasing safety and further allow vehicles to accelerate and decelerate less and hence increasing the traffic flow. A better traffic flow leads to more safety, less congestion, and less fuel consumption and therefore improving all issues caused by road transportation. The control problem is distributed into a control problem for the platoon leaders and a control problem for the platoon followers. While the leader control problem is independent of the follower’s trajectories, the follower control problem depends on the leader’s trajectories. The two controllers are therefore structured hierarchically. Furthermore, the leader’s control problem includes Signal Temporal logic specifications. The parameters for these specifications are obtained by solving an offline optimization problem. The proposed controller framework is therefore structured in three levels. On the highest level, the coordination of multiple platoons is planned by determining time instances at which the platoons should reach specific road segments and further determining reference velocities for the platoons to achieve this. On the middle level, platoon leaders follow the obtained reference velocities, but also consider safety issues that can occur, using Signal Temporal Logic encoded as Control Barrier Functions in a Model Predictive Controller. The Signal Temporal Logic specifications use the time parameters obtained at the top level. On the lowest level, another Model Predictive Controller organizes the follower vehicles within a platoon and ensures that they follow the same trajectory without the distance between them becoming too small or too large. The performance of the proposed controller framework is evaluated in two simulation scenarios including merging maneuvers and constraints on some road segments. Furthermore, recursive feasibility for all optimization problems is shown.

I detta arbete föreslås en hierarkisk modellbaserad prediktiv reglering för samordning av flera plutoner. Idag sker en majoritet av transporterna fortfarande på vägarna. Detta leder till överbelastade vägar, utsläpp av växthusgaser och olyckor. En pluton är en grupp fordon som rör sig i en sträng men utan någon fysisk koppling. Istället kopplas fordonen samman genom kommunikation mellan fordonen, vilket gör att de kan utbyta information med varandra. Att gruppera fördon i en pluton medför flera fördelar: Informationsutbytet kan göra det möjligt för fordonen att minska avståndet mellan sig utan att säkerheten försämras och dessutom göra det möjligt för fordonen att accelerera och bromsa mindre, vilket ökar trafikflödet. Ett bättre trafikflöde leder till ökad säkerhet, mindre trängsel och lägre bränsleförbrukning och förbättrar därför alla problem som orsakas av vägtransporter. Kontrollproblemet delas upp i ett kontrollproblem för plutonens ledare och ett kontrollproblem för plutonens följare. Medan ledarens styrproblem är oberoende av följarnas banor, är följarnas styrproblem beroende av ledarens banor. De två kontrollerna är därför hierarkiskt strukturerade. Dessutom innehåller ledarens kontrollproblem specifikationer för signal- temporallogik. Parametrarna för dessa specifikationer erhålls genom att lösa ett offline-optimeringsproblem. Det föreslagna ramverket för styrenheter är därför strukturerat i tre nivåer. På den högsta nivån planeras samordningen av flera plutoner genom att bestämma tidpunkter då plutonerna ska nå specifika vägsegment och vidare bestämma referenshastigheter för plutonerna för att uppnå detta. På mellannivån följer plutoncheferna de erhållna referenshastigheterna, men tar också hänsyn till säkerhetsproblem som kan uppstå, med hjälp av Signal Temporal Logic som kodas som Control Barrier Functions i en Model Predictive Controller. I specifikationerna för Signal Temporal Logic används de tidsparametrar som erhållits på den översta nivån. På den lägsta nivån organiserar en annan Model Predictive Controller följarfordonen inom en pluton och ser till att de följer samma bana utan att avståndet mellan dem blir för litet eller för stort. Prestandan hos det föreslagna styrsystemet utvärderas i två simulerings- scenarier som inkluderar sammanslagningsmanövrar och begränsningar på vissa vägsegment. Dessutom visas rekursiv genomförbarhet för alla optimeringsproblem.