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Design of a cooperative overtaking algorithm for platoons on freeways

Strunz, Martin

FG Telekommunikationsnetze

Platooning can improve road safety, optimize traffic flow, and raise the driver’s comfort. However, when a platoon is stuck behind a slower vehicle, the total travel time is significantly increased. Overtaking as a whole platoon is a complicated maneuver and there is no communication-based algorithm for this task so far. Therefore, we design such a cooperative overtaking algorithm for platoons on freeways. The algorithm can decide, depending on the traffic situation, whether it is possible, useful, and safe to overtake. If that is the case, it executes the overtaking maneuver cooperatively without splitting up the platoon. The algorithm requires little technical equipment that goes beyond standard platooning. In particular, we do not assume that other road users have a Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication system installed. We theoretically define the algorithm by the use of Finite State Machines (FSMs) and implement it into a simulation environment. Thorough testing of the algorithm within the simulation environment shows that it works not only as expected, but can also avoid or handle possibly dangerous traffic situations. We also benchmark our algorithm against a non-communication based algorithm, the best case (the platoon is not delayed), and the worst case (the platoon cannot overtake). Our results show that it competes well. We further analyze the behavior of our algorithm in a parameter study and show that the algorithm does not overreact to changes of neither scenario-specific nor algorithm-specific parameters.
Platooning kann die Verkehrssicherheit verbessern, den Verkehrsfluss optimieren und den Komfort des Fahrers erhöhen. Wenn allerdings ein langsameres Fahrzeug das Platoon aufhält, kann sich die Gesamtfahrzeit erheblich verlängern. Das Überholen als vollständiges Platoon ist jedoch ein kompliziertes Manöver, für das es bisher keinen kommunikationsbasierten Algorithmus gibt. Aus diesem Grund entwickeln wir einen entsprechenden kooperativen Überhol-Algorithmus für Platoons auf Autobahnen. Der Algorithmus kann in Abhängigkeit von der Verkehrssituation entscheiden, ob das Überholen möglich, nützlich und sicher ist. Wenn das der Fall ist, kann er das Überholmanöver kooperativ ausführen, ohne dabei das Platoon aufzulösen. Der Algorithmus setzt nur wenig technische Ausstattung voraus, die über die bei Platooning benötigte hinausgeht. Insbesondere setzen wir nicht voraus, daß die übrigen Verkehrsteilnehmer über ein V2V-Kommunikationssystem verfügen. Wir definieren den Algorithmus mithilfe von endlichen Automaten und implementieren ihn in einer Simulationsumgebung. Umfangreiche Tests innerhalb der Simulationsumgebung zeigen, dass der Algorithmus nicht nur die erwarteten Aufgaben erfüllt, sondern auch möglicherweise gefährliche Verkehrssituationen vermeiden bzw. bewältigen kann. Außerdem vergleichen wir unseren Algorithmus mit einem anderen, nicht kommunikationsbasierten Algorithmus sowie mit dem besten (das Platoon wird nicht von einem langsameren Fahrzeug aufgehalten) und schlechtesten Fall (das Platoon kann nicht überholen). Er zeigt dabei eine gute Performance. Zudem analysieren wir sein Verhalten in einer Parameterstudie. Dabei zeigen wir, dass der Algorithmus auch bei der Änderung von szenario- bzw. algorithmusspezifischen Parametern weiterhin gute Ergebnisse liefert.