PROGETTAZIONE DI CONTROLLORI A ORDINE FRAZIONARIO PER IL PLATOONING DI VEICOLI E VALIDAZIONE SPERIMENTALE MEDIANTE ROBOT MOBILI

Vehicle platooning is a cooperative driving strategy that requires robust distributed control to guarantee safety, comfort, and efficiency in the presence of communication delays and model uncertainties. This work investigates the application of fractional-order controllers (FOCs) to the platoon control problem, addressing robustness against constant communication delays across a variety of information flow topologies. Three distributed controller structures are designed and analysed: the Fractional-Order Proportional-Derivative (FOPD), the Tilt-Integral-Derivative (TID), and the Fractional-Order Proportional-Integral-Derivative (FOPID). The stability of each controller is assessed in the frequency domain using the generalized Nyquist criterion, and their performance is systematically compared through simulations under realistic driving conditions. To validate the theoretical findings, experiments are conducted with a fleet of scaled autonomous vehicles (QCars), where a leader-follower formation is implemented on an oval track. Experimental results confirm that the proposed controllers effectively mitigate the impact of communication delays and enhance tracking performance compared to integer-order counterparts. These findings demonstrate the potential of fractional-order control to improve the robustness and scalability of cooperative driving systems.

Il platooning veicolare è una strategia di guida cooperativa che richiede controlli distribuiti robusti per garantire sicurezza, comfort ed efficienza in presenza di ritardi di comunicazione e incertezze di modello. In questo lavoro viene investigata l’applicazione di controllori a ordine frazionario (FOC) al problema del controllo di plotoni di veicoli, con particolare attenzione alla robustezza nei confronti di ritardi di comunicazione costanti in diverse topologie di rete. Sono stati progettati e analizzati tre schemi di controllo distribuito: il controllore frazionario proporzionale-derivativo (FOPD), il Tilt-Integral-Derivative (TID) e il controllore frazionario proporzionale-integrale-derivativo (FOPID). La stabilità di ciascun controllore è stata valutata nel dominio della frequenza tramite il criterio di Nyquist generalizzato, e le prestazioni sono state confrontate sistematicamente mediante simulazioni in scenari di guida realistici. Per validare i risultati teorici, sono stati condotti esperimenti con una flotta di veicoli autonomi in scala (QCars), organizzati in formazione leader–follower su una pista ovale. I risultati sperimentali confermano che i controllori proposti mitigano efficacemente l’impatto dei ritardi di comunicazione e migliorano le prestazioni di inseguimento rispetto alle controparti a ordine intero. Questi risultati evidenziano il potenziale dei controllori a ordine frazionario nel migliorare la robustezza e la scalabilità dei sistemi di guida cooperativa.