Exploiting over-actuation for improved active safety of autonomous electric vehicles

QC 20220513

Abstract

Den ökande efterfrågan på vägfordon har orsakat utmanande trafiksäkerhets- och miljöutmaningar. Introduktionen av aktiva säkerhetssystem och autonoma fordon kan bidra till säkrare vägar genom att hjälpa eller ersätta mänskliga förare med att köra fordonet i kritiska situationer, t.ex. en undanmanöver. Dessutom kan elektrifieringen av vägfordon ge miljövinster och samtidigt möjliggöra utvecklingen av överaktuerade fordonsplattformar. Med tillgång till ökat antal aktuatorer ger det fler frihetsgrader för att styra fordonet. Detta kan utforskas tillsammans med aktiv säkerhet och autonoma fordon för att öka säkerheten. Men för att uppvisa sin bästa möjliga prestanda, kräver dessa säkerhets- och automatiserade system kunskap om fordonstillstånd och tillförlitliga fordonstrajektorier. Däremot kan kritiska fordonstillstånd som exempelvis fordonets avdriftsvinkel oftast inte mätas i produktionsfordon eftersom sensorerna är väldigt kostsamma.

Studierna som presenteras i denna avhandling syftar till att utnyttja överaktuering för att förbättra trajektorieföljning och girstabilitet hos autonoma elfordon i kritiska manövrar. Dessutom undersöks tillhörande problem med tillståndsuppskattning och trajektorieplanering.

För att nå dessa mål så handlar arbetet i denna avhandling om följande fem huvudområden. Första området handlar om fordonsdynamikmodellering och både fordons- och däckmodeller med varierande grad av komplexitet utforskas och valideras. Specifikt modelleras effekten av camber på de laterala däckkrafterna med en enkel men dock effektiv komponent som möjliggör individuell reglering av cambervinklarna för varje hjul. Det andra området belyser parameterskattning där tre MHE baserade algoritmer och en UKF baserad algoritm tas fram och utvärderas. Studien visade för tre olika kritiska körfall att standardformuleringen av MHE fungerade bättre än de andra algoritmerna och gav mer korrekta och feltoleranta skattningar med snabbare konvergering. I det tredje området så formuleras trajektorieplanering som ett optimalt reglerproblem och effekten av modellkomplexitet på trajektorieplaneringsförmågan i kritiska körfall studeras. Här visades det att planeraren med de mest avancerade modellerna presterade bättre än de andra genom högre fordonshastighet samt lägre girvinkelhastighet och avdriftsvinkel i testerna. Fjärde området handlar om trajektorieföljning och girstabilitet i ett modellprediktivt reglerramverk. Här utvärderas flera kombinationer av överaktuering, nämligen aktiv styrning (AFS), vridmomentsvektorisering (TV) och aktiv camber (AC) samt kombinationer av dem. Resultaten visar att AFS tillsammans med TV förbättrar girstabilitet, trajektorieföljning och dynamiska prestandan i testerna och att AFS i kombination med AC kunde ytterligare förbättra prestandan. Den integrerade regleringen av AFS tillsammans med TV och AC hade generellt sett den bästa prestandan, som ett resultat av mer effektivt utnyttjande av aktuatorer och däckgrepp. Slutliga området handlar om implementering av ett ramverk för regleroptimeringen som möjliggör effektiva beräkningar, underlättar parameterjusteringar och resultatanalys samt bidrar till hållbar kodutveckling.

Forskningen har bidragit till modellering, formulering och reglering av autonoma elektriska fordon genom att dra nytta av överaktuering för förbättrad fordonssäkerhet. Det har visats att reglerstrategier för överaktuering kan vara en lovande lösning för förbättrad aktiv säkerhet och därmed bidra till säkrare och miljövänligare transporter.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-312156