Дисертації з теми "Decoupled lateral and longitudinal control"

L’automatisation des véhicules agricoles est aujourd’hui un enjeu majeur de la mutation des pratiques agricoles. Munis des capteurs ad hoc, il est question ici de leur capacité à suivre une trajectoire prédéfinie, de manière robuste afin d’assurer leur mission en dépit d’un sol complexe. Cette thèse contribue au sujet en revisitant les problématiques de contrôle des dynamiques latérales et longitudinales. Dans le but de générer une commande robuste des angles de braquage, le suivi latéral du chemin de référence proposé s’appuie sur une approche multi-objectif H2/H∞ et multi-modèle, de manière à optimiser le compromis performances/robustesse à partir des incertitudes explicitées. Le contrôle longitudinal proposé est novateur à plusieurs points de vue. Quoique conçu indépendamment du contrôle latéral, il tient compte des aspects liés à la dynamique latérale, et vise à prévenir les pertes d’adhérence et risques de renversement. La prise en compte de telles contraintes et la nécessité d’anticipation ont induit le choix d’une commande prédictive non-linéaire. Au final, la pertinence de la solution et de la méthode est illustrée par le biais d’un simulateur réaliste, sur la base de scénarios faisant intervenir des configurations multiples de pentes et de vitesses
The automation of off-road vehicles has become nowadays a strategic line of research given the recent and profound mutations of agricultural practices. This thesis deals with the conception of two independent controllers of an off-road vehicle, regulating both longitudinal and lateral dynamics. The first regulator aims to minimize the deviations with respect to a reference path by controlling the steering angles. It relies on anextended bicycle model that accounts for the slopes and load transfers. The H2/H∞ multi-objective synthesis allows the consideration of large model uncertainties. The adaptability of this controller is enhanced by the feedback/feedforward architecture which ensures the global robustness of the regulator. The second controller regulates the longitudinal dynamics of the vehicle. It lies on model predictive control. Anti-slip and anti-rollover constraints are explicitly defined during the synthesis of the regulator to ensure the stability of the off-road vehicle operating on slippery sloping grounds. The designed controllers have been tested on a realistic simulator which takes account of great load transfers within the vehicle, which are common in agricultural context. Both controllers have demonstrated satisfactory performances while exploring a variety of slopes and speeds

Este projeto apresenta o desenvolvimento de um controle longitudinal e lateral para um veículo terrestre de categoria pesada, usando o conceito de geração de curvas de Clothoids. O controle é em malha fechada, com realimentação de velocidade e posição global (X,Y) do veículo no plano bi-dimensional. Dentro de uma arquitetura de controle autônomo para um veículo, o controle longitudinal ajusta a velocidade de cruzeiro em função da trajetória e o lateral é responsável por regular a direção do volante e a sua correspondência para com os pneus, que por sua vez direcionam o veículo dentro da trajetória dada. Para este controle, para o modelo do veículo foi apenas considerado a estrutura do cavalo mecânico (conjunto monolítico formado pela cabine, motor e rodas de tração do caminhão), desprezando qualquer carga traseira engatado nele. Primeiramente será apresentada uma breve introdução abordando a história e projetos atuas de veículos autônomos, em seguida é feito uma revisão dos conceitos básicos usados no projeto. No capitulo seguinte é abordado o modelo matemático do veículo (cinemática e dinâmica) e logo em seguida teremos a secção que aborda sobre a estrutura de controle proposta. A seguir será apresentado a seção de discussão sobre a implementação e resultados práticos. Finalmente é apresentado a conclusão e uma breve descrição sobre trabalhos futuros.
This project presents the development of a longitudinal and lateral control for a Heavy Category Ground Vehicles, using the concept of generation of curves Clothoids. This control is closed loop with feedback speed and position (X,Y) ofvehicle in two-dimensional plane. Within an autonomous control architecture for a vehicle, the longitudinal control adjusts cruising speed on the path and the lateral control is responsible for regulating direction of steering wheel and its correspondence to the tires, which in turn drive the vehicle within the given path. For this control, the vehicle model we are only considering the horse (monolithic assembly formed by the cab, engine and truck drive wheels), disregarding any rear cargo engaged in it. First a brief introduction will be presented addressing the history and projects of autonomous vehicles, then it is made a review of the basic concepts used in the project. The next chapter is discussed the mathematical model of the vehicle (kinematics and dynamics) and soon we will have a section dealing on the proposed control structure.The following will show the discussion section on the implementation and practical results, then the conclusion and a brief description of future work.

Autonomous vehicles and research pertaining to them have been an important topicin academia and industry in recent years. Developing controllers that enable vehiclesto performpath and trajectory following is a diverse topic where many differentcontrol strategies are available. In this thesis, we focus on lateral and longitudinalcontrol of autonomous vehicles and two different control strategies are considered:a standard decoupled control and a new suggested coupled control.In the decoupled control, the lateral controller consists of a linear time-varying modelpredictive controller (LTV-MPC) together with a PI-controller for the longitudinalcontrol. The coupled controller is a more complex LTV-MPC which handles bothlateral and longitudinal control. The objective is to develop both control strategiesand evaluate their design and performance through path following simulations in aMATLAB environment.When designing the LTV-MPC, two vehicle models are considered: a kinematic modelwithout tyre dynamics and a dynamic bicycle model with tyre forces derived froma linear Pacejka model. A research on how model complexity affects tracking performanceand solver times is also performed. In the end, the thesis presents thefindings of the different control strategies and evaluate them in terms of trackingperformance, solver time, and ease of implementation.

Vehicle motion and tire forces have been estimated using extended Kalman filters for many years. The use of extended Kalman filters is primarily motivated by the simultaneous presence of nonlinear dynamics and sensor noise. Two versions of extended Kalman filters are employed in this thesis: one using a deterministic tire-force model and the other using a stochastic tire-force model. Previous literature has focused on linear stochastic tire-force models and on linear deterministic tire-force models. However, it is well known that there exists a nonlinear relationship between slip variables and tire-force variables. For this reason, it is suitable to use a nonlinear deterministic tire-force model for the extended Kalman filter, and this is the novel aspect at this work. The objective of this research is to show the improvement of the extended Kalman filter using a nonlinear deterministic tire-force model in comparison to linear stochastic tire-force model. The simulation model is a seven degree-of-freedom bicycle model that includes vertical suspension dynamics but neglects the roll motion. A comparison between the linear stochastic tire-force model and the nonlinear deterministic tire-force model confirms the expected results. Simulation studies are performed on some illustrative examples obtaining good tracking performance.

La voiture autonome pourrait réduire le nombre de morts et de blessés sur les routes tout en améliorant l'efficacité du trafic. Cependant, afin d'assurer leur déploiement en masse sur les routes ouvertes au public, leur sécurité doit être garantie en toutes circonstances. Cette thèse traite de l'architecture de planification et de contrôle pour la conduite automatisée et défend l'idée que l'intention du véhicule doit correspondre aux actions réalisées afin de garantir la sécurité à tout moment. Pour cela, la faisabilité cinématique et dynamique de la trajectoire de référence doit être assurée. Sinon, le contrôleur, aveugle aux obstacles, n'est pas capable de la suivre, entraînant un danger pour la voiture elle-même et les autres usagers de la route. L'architecture proposée repose sur la commande à modèle prédictif fondée sur un modèle bicyclette cinématique afin de planifier des trajectoires de référence sûres. La faisabilité de la trajectoire de référence est assurée en ajoutant une contrainte dynamique sur l'angle au volant, contrainte issue de ces travaux, afin d'assurer que le modèle bicyclette cinématique reste valide. Plusieurs contrôleurs à haute-fréquence sont ensuite comparés afin de souligner leurs avantages et inconvénients. Enfin, quelques résultats préliminaires sur les contrôleurs à base de commande sans modèle et leur application au contrôle automobile sont présentés. En particulier, une méthode efficace pour ajuster les paramètres est proposée et implémentée avec succès sur la voiture expérimentale de l'ENSIAME en partenariat avec le laboratoire LAMIH de Valenciennes
Autonomous vehicles are believed to reduce the number of deaths and casualties on the roads while improving the traffic efficiency. However, before their mass deployment on open public roads, their safety must be guaranteed at all time.Therefore, this thesis deals with the motion planning and control architecture for autonomous vehicles and claims that the intention of the vehicle must match with its actual actions. For that purpose, the kinematic and dynamic feasibility of the reference trajectory should be ensured. Otherwise, the controller which is blind to obstacles is unable to track it, setting the ego-vehicle and other traffic participants in jeopardy. The proposed architecture uses Model Predictive Control based on a kinematic bicycle model for planning safe reference trajectories. Its feasibility is ensured by adding a dynamic constraint on the steering angle which has been derived in this work in order to ensure the validity of the kinematic bicycle model. Several high-frequency controllers are then compared and their assets and drawbacks are highlighted. Finally, some preliminary work on model-free controllers and their application to automotive control are presented. In particular, an efficient tuning method is proposed and implemented successfully on the experimental vehicle of ENSIAME in collaboration with the laboratory LAMIH of Valenciennes

La problématique étudiée dans cette thèse concerne le guidage en formation d’une flotte de robots mobiles en environnement naturel. L’objectif poursuivi par les robots est de suivre une trajectoire connue (totalement ou partiellement) en se coordonnant avec les autres robots pour maintenir une formation décrite comme un ensemble de distances désirées entre les véhicules. Le contexte d’évolution en environnement naturel doit être pris en compte par les effets qu’il induit sur le déplacement des robots. En effet, les conditions d’adhérence sont variables et créent des glissements significatifs des roues sur le sol. Ces glissements n’étant pas directement mesurables, un observateur est mis en place, permettant d’obtenir une estimation de leur valeur. Les glissements sont alors intégrés au modèle d’évolution, décrivant ainsi un modèle cinématique étendu. En s’appuyant sur ce modèle, des lois de commande adaptatives sur l’angle de braquage et la vitesse d’avance d’un robot sont alors conçues indépendamment, asservissant respectivement son écart latéral à la trajectoire et l’interdistance curviligne de ce robot à une cible. Dans un second temps, ces lois de commande sont enrichies par un algorithme prédictif, permettant de prendre en compte le comportement de réponse des actionneurs et ainsi d’éviter les erreurs conséquentes aux retards de la réponse du système aux commandes. À partir de la loi de commande élémentaire en vitesse permettant d’assurer un asservissement précis d’un robot par rapport à une cible, une stratégie de commande globale au niveau de la flotte est établie. Celle-ci décline l’objectif de maintien de la formation en consigne d’asservissement désiré pour chaque robot. La stratégie de commande bidirectionnelle conçue stipule que chaque robot définit deux cibles que sont le robot immédiatement précédent et le robot immédiatement suivant dans la formation. La commande de vitesse de chaque robot de la formation est obtenue par une combinaison linéaire des vitesses calculées par la commande élémentaire par rapport à chacune des cibles. L’utilisation de coefficients de combinaison constants au sein de la flotte permet de prouver la stabilité de la commande en formation, puis la définition de coefficients variables est envisagée pour adapter en temps réel le comportement de la flotte. La formation peut en effet être amenée à évoluer, notamment en fonction des impératifs de sécurisation des véhicules. Pour répondre à ce besoin, chaque robot estime en temps réel une distance d’arrêt minimale en cas d’urgence et des trajectoires d’urgence pour l’évitement du robot précédent. D’après la configuration de la formation et les comportements d’urgence calculés, les distances désirées au sein de la flotte peuvent alors être modifiées en ligne afin de décrire une configuration sûre de la formation
This thesis focuses on the issue of the control of a formation of wheeled mobile robots travelling in off-road conditions. The goal of the application is to follow a reference trajectory (entirely or partially) known beforehand. Each robot of the fleet has to track this trajectory while coordinating its motion with the other robots in order to maintain a formation described as a set of desired distances between vehicles. The off-road context has to be considered thoroughly as it creates perturbations in the motion of the robots. The contact of the tire on an irregular and slippery ground induces significant slipping and skidding. These phenomena are hardly measurable with direct sensors, therefore an observer is set up in order to get an estimation of their value. The skidding effect is included in the evolution of each robot as a side-slip angle, thus creating an extended kinematic model of evolution. From this model, adaptive control laws on steering angle and velocity for each robot are designed independently. These permit to control respectively the lateral distance to the trajectory and the curvilinear interdistance of the robot to a target. Predictive control techniques lead then to extend these control laws in order to account for the actuators behavior so that positioning errors due to the delay of the robot response to the commands are cancelled. The elementary control law on the velocity control ensures an accurate longitudinal positioning of a robot with respect to a target. It serves as a base for a global fleet control strategy which declines the overall formation maintaining goal in local positioning objective for each robot. A bidirectionnal control strategy is designed, in which each robot defines 2 targets, the immediate preceding and following robot in the fleet. The velocity control of a robot is finally defined as a linear combination of the two velocity commands obtained by the elementary control law for each target. The linear combination parameters are investigated, first defining constant parameters for which the stability of the formation is proved through Lyapunov techniques, then considering the effect of variable coefficients in order to adapt in real time the overall behavior of the formation. The formation configuration can indeed be prone to evolve, for application purposes and to guarantee the security of the robots. To fulfill this latter requirement, each robot of the fleet estimates in real time a minimal stopping distance in case of emergency and two avoidance trajectories to get around the preceding vehicle if this one suddenly stops. Given the initial configuration of the formation and the emergency behaviors calculated, the desired distances between the robots can be adapted so that the new configuration thus described ensures the security of each and every robot of the formation against potential collisions

Le travail abordé dans ces travaux de thèse se place dans le contexte de la conduite autonome. Plus particulièrement, l'objectif est le développement d'une loi de commande pour le suivi de trajectoire d'un véhicule autonome pour des manœuvres d'évitement d'obstacles à haute dynamique.Plusieurs modèles non-linéaires de dynamique du véhicule, capables de représenter son comportement dans des manœuvres à haute dynamique, sont proposés. Le but de la modélisation est d'obtenir un modèle pour la synthèse des correcteurs. L'ensemble de modèles proposés considère les dynamiques des vitesses longitudinale, latérale et de lacet du véhicule, en vue de la synthèse des correcteurs abordant simultanément le contrôle longitudinale et latérale du véhicule. De plus, un modèle non-linéaire des forces des pneus et une représentation variable du transfert de charge ont été utilisés, très importants pour des manouvres à haute dynamique. Des simulations permettent de comparer les différents modèles entre eux et de choisir le plus approprié pour la synthèse du correcteur.Un modèle linéaire variable dans le temps est formulé grâce à une linéarisation le long d'une trajectoire de référence du modèle non-linéaire choisi. En utilisant les approches LPV polytopique et grid-based, ce modèle linéarisé est utilisé pour la définition de deux modèles LPV.Les deux modèles LPV sont donc utilisés pour la synthèse de plusieurs correcteurs, statiques et dynamiques, qui combinent le braquage et le couple aux roues pour stabiliser le véhicule et garantir le suivi de trajectoire sur un ensemble varié de manœuvres d'évitement d'obstacles. La synthèse des correcteurs est effectuée en utilisant la commande robuste et optimale multi-objectif, au moyen de la résolution de problèmes d'optimisation sous contraintes LMI. La prise en compte des saturations des signaux de commande et des forces des pneus permet de maximiser la taille de la région d'attraction du système en boucle fermée pendant la synthèse des correcteurs.Des simulations exploitant un modèle du véhicule à haute représentativité permettent d'analyser la performance du système en boucle fermée en cas des conditions initiales différentes de zéro et de dispersions paramétriques
The work proposed in this thesis is in the context of autonomous driving. In particular, the objective is the development of a control law for path tracking of collision avoidance maneuvers for an autonomous vehicle.Several non-linear models of the vehicle, capable of representing its behavior in high dynamics maneuvers, are presented. The purpose is to obtain a model for the synthesis of the controllers. The different vehicle models proposed take into consideration the dynamics of the longitudinal, lateral and yaw vehicle speeds. That allows to use the models for the synthesis of controllers that deals simultaneously with vehicle longitudinal and lateral control. Moreover, a non-linear model for tire forces and the variable representation for load transfer have been used for the vehicle models. In fact, the representation of the non-linear behavior of the tires, influenced by the load transfer, is critical in high dynamics maneuvers. Some simulation results allow to compare the different vehicle models and to choose the model used for the controllers synthesis.A linear time-variant model is obtained through the linearization of the chosen non-linear model. The LPV polytopic and grid-based approaches are then used to define two LPV models.Several controllers, static and dynamic, have been developed using the two LPV models. These controllers combine the wheels steering ang torques to stabilize the vehicle and to guarantee the vehicle path tracking on a set of collision avoidance maneuvers. The synthesis of the controllers is done using robust and optimal control methods, through the resolution of optimization problems subjected to LMI constraints. The saturations of the control signals and of the tire forces are taken into consideration in the control synthesis in order to maximize the region of attraction of the system in closed loop.Several simulation results, obtained using a high representativity simulation model, allow to asses the closed loop system performances in presence of non-zero initial conditions and parameter dispersions

Ce mémoire est consacré à la mise en œuvre de commandes d'un train de véhicules intelligents sur autoroute ayant pour objectifs principaux de réduire la congestion et d'améliorer la sécurité routière. Après avoir présenté l'état de l'art sur des systèmes de conduite automatisée, des modèles de la dynamique longitudinale et latérale du véhicule sont présentés. Ensuite, des stratégies de contrôle longitudinal et latéral sont étudiées.D'abord, le contrôle longitudinal est conçu pour être hiérarchique avec un contrôleur de niveau supérieur et un contrôleur de niveau inférieur. Pour celui de niveau supérieur, une régulation d'inter-distance SSP (Safety Spacing Policy) est proposée. Nous avons constaté que la SSP peut assurer la stabilité de la chaîne et la stabilité des flux de trafic et augmenter ainsi la capacité de trafic. Puis, pour celui de niveau inférieur, une loi de commande floue coordonnée est proposée pour gérer l'accélérateur et le freinage. Ensuite, une loi de commande multi-modèle floue est conçue pour le contrôle latéral. De plus, pour réaliser des transformations lisses entre les différentes opérations latérales, une architecture de contrôle hiérarchique est proposée. Puis, l'intégration des commandes longitudinale et latérale est étudiée. Enfin, l'estimation des variables d'états du véhicule est discutée. Un filtre de Kalman-Bucy est conçu pour estimer les états du véhicule. En outre, un prototype de véhicule intelligent à échelle réduite est également présenté. Les performances des divers algorithmes de commande proposés ont été testées par simulations, et les résultats ont été confirmés par les premières expériences en utilisant le prototype

This diploma thesis deals with the creation of a computation driver model. In the first part, there is an overview on driver models for longitudinal and lateral control. Next, driving maneuvres that could be selected for testing of driver model are described. In the practical part, there is created a computational driver model, whose task is to follow required path. The resulting model is tested on three driving maneuvers - steady turning, moose test and slalom. Finally, this model is tested on the passage of a real track. For all these tracks, a comparison is made and the success of the model is evaluated.

La problématique de cette thèse réside dans la caractérisation et le maintien de la stabilité des Véhicules Légers Tout Terrain (VLTT). Elle se concentre plus particulièrement sur le développement de systèmes de sécurité actifs capables à la fois de prévenir le conducteur des risques encourus mais aussi de les limiter afin d'assurer l'évolution du véhicule dans une zone de stabilité prédéfinie. Comme le cadre expérimental privilégié est l'application à la stabilité des quadricycles légers à moteurs, plus connus sous le terme anglophone "quad", une des contraintes du projet a été de se limiter à un système sensoriel bas-coût afin d'être en mesure d'industrialiser un tel système. En premier lieu, les métriques de stabilité (Transfert de Charge Latéral et Longitudinal : TCLa et TCLo) ont été choisies grâce à une étude préliminaire sur la stabilité des VLTT. Par la suite, une modélisation 2D en roulis et en tangage avec la prise en compte des déplacements du pilote sur le véhicule sont présentées, ce qui permet d'estimer respectivement le TCLa et le TCLo uniquement à partir de la mesure de l'accélération latérale et longitudinale. Étant donné que pour la suite des travaux, l'anticipation du risque de renversement latéral est nécessaire, un modèle 2D en lacet du véhicule est proposé afin d'obtenir un modèle analytique décrivant la dynamique latérale du véhicule. La suite du mémoire présente les différentes techniques d'observation proposées pour l'estimation des variables et paramètres non-directement mesurables du modèle en lacet du véhicule et qui influencent sa stabilité latérale : les glissements, les conditions d'adhérence et les inclinaisons du véhicule. Plusieurs observateurs ont été proposés, dont le dernier permet de considérer des conditions d'adhérence différentes entre les essieux avant et arrière en utilisant plus largement les accélérations mesurées. Cela permet d'intégrer les passages de sous- à sur-vireur qu'il est essentiel de considérer quand on étudie la stabilité de ce type de véhicule. Ainsi, l'estimation des glissements est toujours pertinente, ce qui permet d'obtenir par la suite une meilleure prédiction de la métrique de stabilité latérale (TCLa) quel que soit le comportement du véhicule. Puis en s'appuyant sur les estimations des observateurs couplées aux modèles dynamiques du véhicule et sur l'extrapolation des commandes du conducteur sur un horizon de prédiction, il est possible de prédire les évolutions du TCLa. Cette valeur prédite ainsi que les estimations en ligne des métriques de stabilité constituent alors le point d'entrée pour la synthétisation d'un système de sécurité actif dédié aux VLTT. Celui-ci est basé sur la génération d'un retour d'effort au niveau de la gâchette des gaz permettant soit d'informer le pilote du risque encouru par la création d'une sensation de dureté, soit d'imposer le retour complet de la gâchette des gaz, ce qui implique une diminution de la vitesse et donc la réduction du risque. Finalement, dans le cas où il est possible de maîtriser la vitesse du véhicule par l'installation d'un système de rétroaction sur les freins (Quad haut de gamme ou robot mobile), les derniers travaux présentés s'intéressent aux techniques de commande prédictive à modèle afin de calculer en temps-réel la vitesse maximale admissible, qui assure l'évolution du critère de stabilité choisi dans un domaine de stabilité. Les modèles, les observateurs, la prédiction du TCLa et les 2 systèmes de prévention présentés dans ce mémoire ont été validés et testés au travers de simulations avancées et d'essais expérimentaux réalisés sur un quad agricole et un robot autonome. Il apparaît alors qu'en plus d'être efficace pour la prévention des risques de renversement à hautes dynamiques, le système de sécurité est industriellement viable. Cela a été rendu possible grâce à une conception reposant uniquement sur des actionneurs et un système sensoriel, dont les coûts sont en adéquation avec le prix d'un VLTT.

Face à l’évolution rapide des technologies nécessaires à l’automatisation de la conduite au cours de ces dernières années, les grands constructeurs automobiles promettent la commercialisation de véhicules autonomes à l’horizon 2020. Cependant, la définition des interactions entre les systèmes de conduite automatisée et le conducteur au cours de la tâche de conduite reste une question ouverte. L'objectif de cette thèse est de concevoir, développer et évaluer des principes de coopération entre le conducteur et les systèmes de conduite automatisée. Compte tenu de la complexité d'un tel Système Homme-Machine, la thèse propose, en premier lieu une architecture de contrôle coopératif hiérarchique et deux principes de coopération généraux sur deux niveaux dans l’architecture qui serviront ensuite de base commune pour la conception des systèmes coopératifs développés pour les cas d’usages définis. Afin d’assurer une coopération efficace avec le conducteur dans un environnement de conduite dynamique, le véhicule autonome a besoin de comprendre la situation et de partager sa compréhension de la situation avec le conducteur. Pour cela, cette thèse propose un formalisme de représentation de la scène de conduite basé sur le repère de Frenet. Ensuite, une méthode de prédiction de trajectoire est également proposée. Sur la base de la détection de manœuvre et de l'estimation du jerk, cette méthode permet d’améliorer la précision de la trajectoire prédite comparée à celle déterminée par la méthode basée sur une hypothèse d'accélération constante. Dans la partie d’études de cas, deux principes de coopération sont mis en œuvre dans deux cas d’usage. Dans le premier cas de la gestion d’insertion sur autoroute, un système de contrôle longitudinal coopératif est conçu. Il comporte une fonction de planification de manœuvre et de génération de trajectoire basée sur la commande prédictive. En fonction du principe de coopération, ce système peut à la fois gérer automatiquement l’insertion d’un véhicule et donner la possibilité au conducteur de changer la décision du système. Dans le second cas d'usage qui concerne le contrôle de trajectoire et le changement de voie sur autoroute, le problème de partage du contrôle est formulé comme un problème d’optimisation sous contraintes qui est résolu en ligne en utilisant l’approche de la commande prédictive (MPC). Cette approche assure le transfert continu de l’autorité du contrôle entre le système et le conducteur en adaptant les pondérations dans la fonction de coût et en mettant en œuvre des contraintes dynamiques en ligne dans le modèle prédictif, tout en informant le conducteur des dangers potentiels grâce au retour haptique sur le volant. Les deux systèmes sont évalués à l’aide de tests utilisateur sur simulateur de conduite. En fonction des résultats des tests, cette thèse discute la question des facteurs humains et la perception de l'utilisateur sur les principes de coopération
Given rapid advancement of automated driving (AD) technologies in recent years, major car makers promise the commercialization of AD vehicles within one decade from now. However, how the automation should interact with human drivers remains an open question. The objective of this thesis is to design, develop and evaluate interaction principles for AD systems that can cooperate with a human driver. Considering the complexity of such a human-machine system, this thesis begins with proposing two general cooperation principles and a hierarchical cooperative control architecture to lay a common basis for interaction and system design in the defined use cases. Since the proposed principles address a dynamic driving environment involving manually driven vehicles, the AD vehicle needs to understand it and to share its situational awareness with the driver for efficient cooperation. This thesis first proposes a representation formalism of the driving scene in the Frenet frame to facilitate the creation of the spatial awareness of the AD system. An adaptive vehicle longitudinal trajectory prediction method is also presented. Based on maneuver detection and jerk estimation, this method yields better prediction accuracy than the method based on constant acceleration assumption. As case studies, this thesis implements two cooperation principles for two use cases respectively. In the first use case of highway merging management, this thesis proposes a cooperative longitudinal control framework featuring an ad-hoc maneuver planning function and a model predictive control (MPC) based trajectory generation for transient maneuvers. This framework can automatically handle a merging vehicle, and at the mean time it offers the driver a possibility to change the intention of the system. In another use case concerning highway lane positioning and lane changing, a shared steering control problem is formulated in MPC framework. By adapting the weight on the stage cost and implementing dynamic constraints online, the MPC ensures seamless control transfer between the system and the driver while conveying potential hazards through haptic feedback. Both of the designed systems are evaluated through user tests on driving simulator. Finally, human factors issue and user’s perception on these new interaction paradigms are discussed

Les travaux de cette thèse sont consacrés au contrôle et à la commande d'une flotte de plusieurs véhicules (4 à 10 véhicules). Une commande longitudinale est proposée fondée sur l'approche globale décentralisée, pour laquelle les informations du leader et du prédécesseur sont supposées accessibles pour calculer la loi de contrôle en utilisant une commande linéarisante par la dynamique inverse. Ce concept de contrôle permet de suivre une vitesse de référence imposée par le véhicule de tête, tout en respectant une distance de sécurité (variable et constante) pour éviter les collisions. La commande longitudinale est couplée avec la commande latérale qui fait appel à une approche par mode de glissement pour suivre la trajectoire désirée du leader. En outre, des différents observateurs par mode de glissement sont développés. Ces observateurs sont destinés à calculer la dynamique non linéaire dans les commandes de chaque véhicule. La flotte est traitée dans un second temps dans les trajectoires à plusieurs voies (configuration ligne). Deux approches de contrôle sont proposées pour contrôler les véhicules dans les différentes voies (trois voies : i, j et k). Les véhicules sont contrôlés dans la première stratégie pour suivre la vitesse du leader. Cependant, dans la seconde approche, la vitesse désirée du leader est modifiée lors de la présence d'un mouvement latéral de façon à respecter la notion de flotte. Les véhicules sont également contrôlés pour éviter les obstacles et passer à la voie suivante en générant une trajectoire d'évitement de l'obstacle qui tient en compte la distance de sécurité entre les véhicules et l'obstacle, et entre les véhicules eux-mêmes
The works of this thesis are focused on the control and command of a fleet of many vehicles (4 to 10 vehicles). A longitudinal control is proposed based on the decentralized global approach, for which the information of the leader and the predecessor are assumed to be available to compute the control law using a linearization control by inverse dynamics. This control concept allows to follow a reference speed imposed by the leading vehicle, while respecting a safety distance (variable and constant) to avoid collisions. The longitudinal control is coupled with the lateral control that uses a sliding mode approach to follow the leader's desired trajectory. In addition, different sliding mode observers are developed. These observers are intended to calculate the nonlinear dynamics in the controls of each vehicle. The fleet is treated secondly in the multi-lane trajectories (line configuration). Two control approaches are proposed to control the vehicles in the different lanes (three lanes: i, j and k). The vehicles are controlled in the first strategy to follow the speed of the leader. However, in the second approach, the desired speed of the leader is modified when a lateral movement is present in order to respect the fleet notion. The vehicles are also controlled to avoid obstacles and switch to the next lane by generating an obstacle avoidance trajectory that takes into account the safety distance between the vehicles and the obstacle, and between the vehicles themselves

Tato diplomová práce je zaměřena na vývoj simulačního prostředí v Matlab/Simulink zvoleného letadla ve známém letovém režimu. Pozice a orientace letadla pohybujícího se ve vzduchu je popsána pohybovými rovnicemi se šesti stup\v{n}i volnosti. Soustava translačních, rotačních a kinematických rovnic tvoří soustavu devíti nelineárních diferenciálních rovnic prvního řádu. Tyto rovnice lze linearizovat okolo nějakého rovnovážného stavu, který budeme nazývat letovým režimem. Součástí simulačního prostředí je řídící systém letadla založený na PID regulaci. Základem je návrh autopilota, který řídí úhel podélného sklonu a úhel příčného náklonu. Součástí návrhu jsou takzvané „flight director\textquotedblright \phantom{s}m\'dy jako udržení výšky, volba kursu, regulace vertikální rychlosti, změna výšky, zachycení požadované výšky a navigační m\'{o}d založený na nelineárním navigačním zákonu. Optimalizace regulátorů za použití PSO algoritmu a Pareto optimalitě je využita pro nastavení parametrů PID regulátoru. Simulační prostředí je vizualizováno v softwaru FlightGear.

La thématique étudiée dans ce mémoire est axée sur la préservation de la stabilité dynamique de véhicules évoluant en environnement naturel. En effet, la mobilité en milieu tout-terrain est une activité particulièrement pénible et dangereuse en raison de la nature difficile de l'environnement de conduite et de la reconfigurabilité des machines. Le caractère changeant et incertain des interactions rencontrées entre des véhicules à dynamique complexe et variable et leur environnement entraîne régulièrement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrôle (dévalement, dérapage déclenché par une perte soudaine d'adhérence) pour le conducteur. Une forte accidentalité mortelle est, en effet, recensée dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole ou le renversement de véhicule est classé comme étant la première cause de mortalité au travail. A l'heure actuelle, les approches existantes sur la stabilité d'engins agricoles sont qualifiées à juste titre de passives car elles ne permettent pas d'éviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de sécurité active du secteur de l'automobile (ABS, ESP) s'est révélée inadaptée aux véhicules tout-terrain a cause des hypothèses simplificatrices (routes plates et homogènes, conditions d'adhérence constantes, etc.) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le développement de systèmes actifs de sécurité prenant en compte les spécificités de la conduite en milieu tout-terrain se révèle être la meilleure voie d'amélioration à suivre. Eu égard à ces circonstances, ce projet se propose d'adresser cette problématique en étudiant des métriques de stabilité pertinentes permettant d'estimer et d'anticiper en temps réel les risques afin de permettre des actions correctives pour la préservation de l'intégrité des machines tout-terrain. Afin de faciliter l'industrialisation du dispositif actif de sécurité conçu, l'une des contraintes sociétales et commerciales de ce projet a été l'utilisation de capteurs compatibles avec le coût des machines visées. L'objectif ambitieux de cette étude a été atteint par différentes voies. En premier lieu, une approche de modélisation multi-échelle a permis de caractériser l'évolution dynamique de véhicules en milieu tout-terrain. Cette approche à dynamique partielle a offert l'avantage de développer des modèles suffisamment précis pour être représentatifs du comportement réel de l'engin mais tout en présentant une structure relativement simple permettant la synthèse d'asservissements performants. Puis, une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois grandes familles de métriques répertoriées dans la littérature a permis de mettre en exergue l'intérêt des métriques analytiques à modèle dynamique par rapport aux catégories de critères de stabilité dits statiques et empiriques. Enfin, l'analyse approfondie des métriques dynamiques a facilité le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont représentatifs d'un risque imminent de renversement du véhicule. La suite du mémoire s'appuie sur la théorie d'observation pour l'estimation en ligne des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidités de glissement et dérive du pneumatique. Jumelée aux différents modèles dynamiques du véhicule, la synthèse d'observateurs a permis donc d'estimer en temps réel les efforts d'interaction pneumatiques-sol nécessaires à l'évaluation des indicateurs d'instabilité. Le couplage de ces modèles multi-échelles à la théorie d'observation a ainsi constitué un positionnement original à même de briser la complexité de la caractérisation de la stabilité de véhicules à dynamiques complexes et incertaines. (...)
This work is focused on the thematic of the maintenance of the dynamic stability of off-road vehicles. Indeed, driving vehicles in off-road environment remains a dangerous and harsh activity because of the variable and bad grip conditions associated to a large diversity of terrains. Driving difficulties may be also encountered when considering huge machines with possible reconfiguration of their mechanical properties (changes in mass and centre of gravity height for instance). As a consequence, for the sole agriculture sector, several fatal injuries are reported per year in particular due to rollover situations. Passive protections (ROllover Protective Structure - ROPS) are installed on tractors to reduce accident consequences. However, protection capabilities of these structures are very limited and the latter cannot be embedded on bigger machines due to mechanical design limitations. Furthermore, driving assistance systems (such as ESP or ABS) have been deeply studied for on-road vehicles and successfully improve safety. These systems usually assume that the vehicle Center of Gravity (CG) height is low and that the vehicles are operating on smooth and level terrain. Since these assumptions are not satisfied when considering off-road vehicles with a high CG, such devices cannot be applied directly. Consequently, this work proposes to address this research problem by studying relevant stability metrics able to evaluate in real time the rollover risk in order to develop active safety devices dedicated to off-road vehicles. In order to keep a feasible industrialization of the conceived active safety device, the use of compatible sensors with the cost of the machines was one of the major commercial and societal requirements of the project. The ambitious goal of this study was achieved by different routes. First, a multi-scale modeling approach allowed to characterize the dynamic evolution of off-road vehicles. This partial dynamic approach has offered the advantage of developing sufficiently accurate models to be representative of the actual behavior of the machine but having a relatively simple structure for high-performance control systems. Then, a comparative study of the advantages and drawbacks of the three main families of metrics found in the literature has helped to highlight the interest of dynamic stability metrics at the expense to categories of so-called static and empirical stability criteria. Finally, a thorough analysis of dynamic metrics has facilitated the choice of three indicators (Longitudinal and Lateral Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) and Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) that are representative of an imminent rollover risk. The following of the document is based on the observation theory for estimating online of variables which are not directly measurable in off-road environment such as slip and cornering stiffnesses. Coupled to the dynamic models of the vehicle, the theory of observers has helped therefore to estimate in real time the tire-soil interaction forces which are necessaries for evaluating indicators of instability. The coupling of these multiscale models to the observation theory has formed an original positioning capable to break the complexity of the characterization of the stability of vehicles having complex and uncertain dynamics. (...)

The vehicles of tomorrow will be more sophisticated, intelligent and safe than the vehicles of today. The future is leaning towards fully autonomous vehicles. This degree project provides a data driven solution for a speed adaptation system that can be used to compute a vehicle speed for curves, suitable for the underlying driving style of the driver, road properties and weather conditions. A speed adaptation system for curves aims to compute a vehicle speed suitable for curves that can be used in Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) or in Autonomous Driving (AD) applications. This degree project was carried out at Volvo Car Corporation. Literature in the field of speed adaptation systems and factors affecting the vehicle speed in curves was reviewed. Naturalistic driving data was both collected by driving and extracted from Volvo's data base and further processed. A novel speed adaptation system for curves was invented, implemented and evaluated. This speed adaptation system is able to compute a vehicle speed suitable for the underlying driving style of the driver, road properties and weather conditions. Two different artificial neural networks and two mathematical models were used to compute the desired vehicle speed in curves. These methods were compared and evaluated.
Morgondagens fordon kommer att vara mer sofistikerade, intelligenta och säkra än dagens fordon. Framtiden lutar mot fullständigt autonoma fordon. Detta examensarbete tillhandahåller en datadriven lösning för ett hastighetsanpassningssystem som kan beräkna ett fordons hastighet i kurvor som är lämpligt för förarens körstil, vägens egenskaper och rådande väder. Ett hastighetsanpassningssystem för kurvor har som mål att beräkna en fordonshastighet för kurvor som kan användas i Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) eller Autonomous Driving (AD) applikationer. Detta examensarbete utfördes på Volvo Car Corporation. Litteratur kring hastighetsanpassningssystem samt faktorer som påverkar ett fordons hastighet i kurvor studerades. Naturalistisk bilkörningsdata samlades genom att köra bil samt extraherades från Volvos databas och bearbetades. Ett nytt hastighetsanpassningssystem uppfanns, implementerades samt utvärderades. Hastighetsanpassningssystemet visade sig vara kapabelt till att beräkna en lämplig fordonshastighet för förarens körstil under rådande väderförhållanden och vägens egenskaper. Två olika artificiella neuronnätverk samt två matematiska modeller användes för att beräkna fordonets hastighet. Dessa metoder jämfördes och utvärderades.

The ever increasing demand for mobility in transport networks in recent years has led to a near saturation of road infrastructure in some regions of the world. Conventional approaches to this problem, such as improved road capacity, are no longer viable as they no longer keep up with the necessary vehicle throughput required. Combined with environmental concerns and the desire to minimize the risk of accidents, there is a need for new generation transport methods that aim to solve the problems aforementioned. One possible solution, which has been extensively studied in literature, is vehicle platooning. Vehicle platooning is considered a type of automated cooperative driving where a string of vehicles is driving in close proximity and are interconnected between each other through V2V or V2X links. As a result, vehicle platoons enable a higher road throughput, while reducing fuel consumption, greenhouse gas emissions. In addition to this, they have been found to be much safer for passengers and prevent ghost traffic jams. Most research on this topic has been solely focused on longitudinal automation, however in real world applications lateral control is needed, even in purely straight paths. The purpose of this dissertation is thus to propose and analyze a combined lateral and longitudinal controller for vehicle platooning applications. Firstly, a longitudinal controller is evaluated in a vehicle following control strategy. Next, a lateral control structure is added to the previous controller and several both control strategies are discussed, vehicle following and path following, and their respective simulation results.

碩士
國立臺灣科技大學
機械工程系
97
The adaptive model predictive control (AMPC) is employed in this research to construct a driver longitudinal and lateral control model during a high speed turning driving scenario. A vehicle model describing the vehicle longitudinal and lateral dynamics is chosen and used as the plant under control for the driver model. The outputs from the driver model consist of the front steering angle and the longitudinal acceleration. The AMPC compensates the vehicle dynamics by predicting the future output based on the internal plant model. Furthermore, the variations in the plant model can be updated in the AMPC algorithm and the control strategy can be adjusted according to the updated plant model, thus emulating the human driver's adaptation behavior. The model simulation results are compared with the experimental data collected from a test vehicle with several subject human drivers. The vehicle is equipped with the VBOX to measure its position via GPS, an IMU to measure the motion variables, and an encoder to measure the steering wheel angle. The road geometric information is also derived using the recorded data from the VBOX. The comparison between the simulated and experimental results indicate that the derived AMPC describes the human control characteristics during turning with acceptable fidelity.

博士
國立交通大學
電機與控制工程系所
96
Vehicle automation is an important research topoic of advanced vehicle systems (AVS). Taiwan iTS-1 is an experimental autonomous vehicle developed by National Chiao Tung University (NCTU). In this dissertation, a complete process of developing a multi-mode automated driving system is presented. This process consists of control objectives determination, system configuration design, vehicle dynamics modeling and validation, control algorithm development, and on-road testing. A hierarchical-control structure is proposed in the system to achieve the integrated longitudinal and lateral vehicle control. Upper-level control perceives road environment and determines the proper and safe operation modes including lane-keeping, lane-change, cruise control, adaptive cruise control, and stop-and-go. In each mode, the desired-velocity and reference-trajectory are primarily determined, and then are forwarded to vehicle-body control. To incorporate well driving tasks of human drivers into our system, vehicle-body control utilizes the fuzzy control technique to regulate the vehicle to adapt to the desired command (velocity and trajectory). In addition to the decision-making scheme, our system can mimic a human’s intelligence and behavior to manage throttle, brake, and steering actuators in a driver-compatible way. Besides, to consider the coupling effects between the longitudinal and the lateral motion of a vehicle, a nonlinear three-degree-of-freedom vehicle dynamics is developed for a combined longitudinal and lateral vehicle controlling design. This controller is subsequently evaluated on a virtual vehicle in CarSim with remarkable results. The developed system has been verified repeatedly on highway and urban environments, respectively, with great success.

碩士
國立臺灣科技大學
機械工程系
102
In this research, by using Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), a driver model is proposed, which is capable of controlling CarSim® vehicle model by applying steering wheel angle, engine throttle, and brake in simulation. In order to maintain success in different simulations, the models of both vehicle and the parts inside, such as engine, tire, and bake system … etc., should be included in prediction model. For describing different considerations in driver’s thought, multiple objectives and constraints are included in NMPC. In result, by different arrangements in weightings and constraints, the NMPC driver model behaves differently in driving style. In further research, by using the ability of NMPC which can solve nonlinear optimization problems, we discussed driver’s tendency of ignoring small lateral error from center of lane and the nonlinear behavior in tire. In order to describe the tendency of ignoring small lateral error, we used a nonlinear objective function. Furthermore, during the simulation of high speed cornering, we also verified that the prediction model with different accuracy will affect the control capability of the driver model.

Las investigaciones realizadas en los últimos años en el campo de los sistemas de transporte inteligente (ITS) en sistemas de asistencia a la conducción (ADAS), infraestructuras inteligentes y conducción autónoma de vehículos han impulsado de manera decisiva la implantación de sistemas inteligentes en el transporte por carretera. Gracias a las investigaciones realizadas por diversos grupos y proyectos a nivel mundial, así como al desarrollo tecnológico de los últimos años, es posible encontrar en la actualidad vehículos más seguros y confortables. Son muchas las aplicaciones que se han implementado en vehículos comerciales. Cabe citar los sistemas de antibloqueo de frenos (ABS), control de crucero (CC), ayudas para el aparcamiento o el control de estabilidad (ESC), entre otras. No es utópico pensar que en un futuro cercano los vehículos autónomos estarán conviviendo con los vehículos convencionales, comunicándose e interactuando entre ellos. En esta tesis se presenta el desarrollo de diferentes sistemas de control para vehículos autónomos que permiten gestionar maniobras individuales y cooperativas en diferentes escenarios urbanos y en autovías. Primero se describen las contribuciones hechas en el control lateral y longitudinal, utilizando tanto técnicas de control clásico como técnicas de inteligencia artificial, fundamentalmente control borroso y neuro-borroso. En una segunda parte del trabajo se describen una serie de experimentos que validan los sistemas de control propuestos. Por ese motivo se han considerado las diferentes plataformas de pruebas con las que cuenta el programa AUTOPÍA. Conjuntamente, estudios realizados en el estado de la técnica, así como el manejo de entornos virtuales, han permitido validar los resultados presentados en esta tesis. Los cuales, en su totalidad han sido probados en vehículos reales en pista de pruebas dedicadas, así como en carreteras reales. Esta arquitectura de control para vehículos autónomos busca ser independiente de los vehículos y de los escenarios utilizados. En este sentido se han utilizado vehículos eléctricos e impulsados a gasolina para entornos urbanos, esto es: segmentos rectos y curvos, calles con doble sentido, rotondas, salidas de calles bloqueadas y comunicaciones con la infraestructura y entre vehículos. Por otra parte, se presentan experimentos a mayor velocidad, usando vehículos de propulsión a gasolina, donde se han ajustado los controladores borrosos que primero fueron probados a bajas velocidades. Gracias a estas aportaciones, el equipo AUTOPÍA ha podido participar en la primera competición de vehículos autónomos a nivel europeo: el GCDC 2011. Entre las principales contribuciones de esta tesis destaca el sistema de control lateral en cascada para vehículos autónomos, el cual permite trasladar de forma más eficiente el conocimiento humano a la conducción en entornos urbanos. Además, este sistema de control es de fácil sintonía, siendo extrapolable a todo tipo de maniobras, como la marcha atrás y las rotondas. Por otro lado, el control longitudinal neuro-borroso permite mejorar los resultados obtenidos utilizando controladores clásicos y borrosos, gracias a la introducción de nuevas variables de control y el conocimiento de conductores expertos.

The autonomous driving is one of the automotive research challenges of the last years, and even if a lot of technologies steps forward have been taken, it remains an open research issue. So, the aim of this PhD thesis was to improve the current level of dynamic control of an autonomous car using commercial hardware and sensor technologies and respecting their functioning constraints. The research focused on the development and implementation of different logic layers inside the autonomous car framework. The first step was to develop an algorithm to localize the vehicle and estimate the car speeds. In this way, the signals required for the correct operation of the control architecture are added to the input signals provided by the sensors. Two of the most adopted technologies were tested. However, the estimation errors made were too high to guarantee the desired level of operation of the control systems. Therefore, based on the characteristics and issues given by the design of these systems, we developed a vehicle speeds estimator consisting of a combination of both. In this way, even in high non-linear dynamic conditions, the errors on the estimation were reduced, improving the car localization and functioning of the control algorithms. Then, an on-line Path Planning was developed able to define the performances that maximize the car speed in a known track. The focuses were: to ensure a real-time trajectory calculation (updating it with the current vehicle dynamics and environmental conditions); and allow computational cost compatible with the correct functioning of the other systems involved. For this reason, it was chosen an optimization algorithm that allows to maintain a linear cost function simplifying the car model and limiting the computational times. However, in order to ensure the most correct representation of vehicle dynamics a more accurate modelling of the car GG-V has been implemented as constraint equations. Once defined the trajectory, a high-level controller was developed to track the dynamic performances provided by the Path Planning. So, was implemented an algorithm that ensures a feed-back control of the Steering Wheel Angle (SWA), accelerator and brake pedal by dividing the later dynamic model from the longitudinal one. In addition, was added a feed-forward control that tracks the lateral and longitudinal acceleration calculated by the planner. Thus, the performances tracking delay and the feed-back control modelling errors were reduced. Finally, to enhance the lateral and longitudinal stability, an Electronic Stability System (ESC) and Anti-lock Brake System (ABS) controls are developed with the aim of improve the current commercial systems performances. About the lateral stability control, a tracking controller was implemented to define the brake input corrections that must be added to the ones established by the Trajectory Tracking to follow reference yaw rate and side slip angle. Instead, to ensure that the wheels don’t lock, a discrete control allows the wheels to follow a target longitudinal speed. In this way, it was found that comparing with the standard ABS the tuning process takes less time and the brake performances are increased, in terms of reduction of the brake distance; and increased stability during full braking manoeuvres. The different layers ware developed independently achieving their own performance improvement and then are integrated together with specific interfaces. Furthermore, two mathematical modelling types were made starting from available experimental data: a sensor characterization to ensure the input signals have their delays, noise and sample time; and a transfer function model of the Brake-By-Wire system developed by Meccanica 42 srl, to ensure actuation outputs delay and constraints. Thus, the real exchange of signals between the architecture developed and the vehicle model is ensured, and the correct operation of the controls once implemented in the car is verified. A real-time static simulator placed at Meccanica 42 srl is used to develop and test the architecture and compare the performances obtained with the ones of a driver. The results showed that: it was possible to obtain an optimisation and tracking of the trajectory that update in real-time taking into account the current dynamic conditions; some good improvements were achieved both with regard to the estimation of the states and the stability of the vehicle; and it was possible to integrate the various layers together guaranteeing satisfactory dynamic performance even if worse than the individual one.