13 research outputs found
GNSS-free Online Calibration of Inertial Measurement Units in Road Vehicles
No full textThis paper presents a realtime recursive algorithm that can estimate, starting from an unknown pose, the mounting angles (roll, pitch and yaw) of an inertial sensor unit using accelerations and angular velocities. We analyze the use case of telematic boxes (E-Box) that are mounted on ground vehicles for safety reason (like E-call or automatic crash detection) or driving style monitoring. In order to work properly and record meaningful data, the box reference frame needs to be correctly aligned with the vehicle one. The proposed algorithm aligns the two reference frame online while the car is running throughout a series of filters and data point selection logics. Results show that the algorithm is robust with respect to any box mounting position or vehicle, with, on average, a convergence time of less than 20 minutes to the correct angles
Trajectory Tracking for High-Performance Autonomous Vehicles with Real-Time Model Predictive Control
No full textThis work is the development of a Model Predictive Controller (MPC) for the integrated control of lateral and longitudinal dynamics of a high-performance autonomous car, which follows a given trajectory on a racetrack. The MPC model is based on an Affine-Force-Input single-track nonlinear bicycle model that accounts for actuation dynamics and delays. The MPC problem is formulated as a quadratic problem, enabling efficient real-time solution with a specific quadratic programming (QP) solver. The controller is implemented in C++ and tested in a real-time hardware-in-the-loop (HIL) simulator, showing excellent tracking performance up to 280 km/h
Modelling and comfort-oriented control of short-term active suspension with energy-recuperation feature
No full textLAUREA MAGISTRALELa sospensione, insieme allo pneumatico, è l'elemento che più influisce sulla qualità di guida di un veicolo stradale. Oltre ad aumentare il comfort, il sistema di sospensioni garantisce la tenuta di strada del veicolo. Ovviamente, a seconda della tipologia, le sospensioni saranno messe a punto in modo da aumentare il comfort e il piacere di guida (come in una berlina di lusso di fascia alta) o per massimizzare la sportività e le capacità di tenuta di strada (come nelle auto sportive o motociclette). Parallelamente alle tradizionali soluzioni passive (montate nella maggior parte dei veicoli stradali), altre tecnologie di sospensione (destinate a una nicchia più piccola di veicoli di lusso) sono dotate delle ultime tecnologie ed elettronica che conferisce loro la possibilità di essere controllate elettronicamente. Finora le case automobilistiche si sono impegnate molto nello sviluppo delle sospensioni Semi-Attive: questa tecnologia, grazie alla sua economicità e bassi consumi, definisce lo standard attuale dell'industria automobilistica. Nell'ultimo decennio i ricercatori si sono concentrati su altre soluzioni più avanzate come l'utilizzo delle sospensioni attive nei veicoli stradali. Questa tecnologia potrebbe potenzialmente rivoluzionare lo standard di comfort di guida e superare l'attuale standard del settore delle sospensioni semi-attive. Gli obiettivi principali di questa tesi sono due: in primo luogo, formulare un modello matematico di una sospensione attiva con capacità di recupero di energia, in secondo luogo, sviluppare diversi algoritmi di controllo orientati al comfort per il modello di sospensione attiva proposto.The suspension system, together with the tyre, is the element that most affect the quality of ride in a road vehicle. In addition to increasing the comfort, the suspension system guarantees its road-holding capabilities. Of course, depending on the type of the vehicle the suspension will be tuned in order to enhance the comfort and driving pleasure (like in a high end luxury sedan car) or to maximize the sportiness and the road-holding capabilities (like in sports car or motorbikes). Parallel to the traditional passive solutions (fitted into most of road vehicles), other suspension technologies (intend for a smaller niche of luxury vehicles) are equipped with the latest technologies and electronics giving them the electronic controllability feature. Up to now, the car manufacturers have put a lot of effort into the development of Semi-Active suspensions: this technology, thanks to its cheapness and low power consumptions defines the current standard of the car industry. In the past decade researchers have been focusing in other, more advanced, solutions like the usage of Active Suspension in road vehicles. This technology could potentially revolutionize the standard of driving comfort and overcome the current industry standard of Semi-Active suspension. The main goals of dissertations are two: first, formulate a mathematical model of a short-term active suspension with energy recovery feature and second, develop different comfort-oriented control algorithms for the proposed active suspension model
Enhancing energy and thermal efficieny in full electric hypercars: analysis and development of an optimal regenerative brake blending strategy
No full textLAUREA MAGISTRALEIn questa tesi viene analizzato lo sviluppo e l'ottimizzazione della frenata rigenerativa nei veicoli elettrici (EV) attraverso l'implementazione di una strategia di controllo avanzata. Lo studio si concentra sullo sviluppo di un nuovo approccio di controllo ottimale in grado di gestire il freno meccanico e il motore elettrico per massimizzare il recupero di energia, garantendo nel contempo prestazioni ottimali e sicurezza del veicolo.
La ricerca coinvolge un'ampia analisi delle tecnologie esistenti di frenata rigenerativa nella letteratura e nel settore dei motori. Attualmente, il metodo principale ampiamente utilizzato per la frenata rigenerativa è l'approccio seriale. Questo metodo consiste nell'utilizzo dei motori elettrici al massimo della loro capacità e l'impiego dei freni meccanici per soddisfare eventuali ulteriori requisiti di frenata. Altri metodi di allocazione della frenata includono l'approccio parallelo e le strategie di allocazione dinamica.
I risultati innovativi di questo lavoro includono la creazione di una strategia di controllo ottimale offline in grado di considerare diversi obiettivi, come la massimizzazione dell'energia recuperata o la gestione della temperatura della batteria e dei freni. Inoltre, viene presentato lo sviluppo di una strategia di controllo online ottimale utilizzando l'ECMS, un metodo di controllo altamente efficace comunemente utilizzato nella gestione dell'energia nei veicoli ibridi. Questa strategia è progettata per essere flessibile e robusta nella gestione di diverse situazioni.
I risultati di questa ricerca contribuiranno all'avanzamento della tecnologia di frenata rigenerativa nei veicoli elettrici, fornendo preziose intuizioni per ottimizzare il recupero di energia garantendo contemporaneamente la sicurezza e migliorando l'efficienza energetica e termica.This thesis investigates the development and optimization of regenerative brake blending in electric vehicles (EVs) through the implementation of an advanced control strategy. The study focuses on the development of a novel optimal control approach able to manage mechanical brakes and electric motors to maximize energy recuperation while ensuring optimal vehicle performance and safety.
The research involves an extensive analysis of existing regenerative braking technologies in the literature and the motorsport sector. Currently, the primary method widely used for brake blending is the serial approach. This method involves utilizing electric motors to their maximum capacity and then employing friction brakes to meet any additional braking requirements. Other methods for allocating braking include parallel blending and dynamic allocation strategies.
The innovative outcomes of this work include creating an offline optimal control strategy capable of considering diverse objectives, such as maximizing harvested energy or managing battery and brake temperature. Additionally, the development of an optimal online control framework using ECMS, a highly effective control method commonly used in managing energy in hybrid and electric vehicles, is presented. This framework is designed to be flexible and robust in handling different scenarios.
The outcomes of this research will contribute to the advancement of regenerative braking technology in EVs, providing valuable insights into optimizing energy recovery while maintaining safety and enhancing energy and thermal efficiency
The Tire Characteristic Role in Vehicle Yaw Stability: a comparative analysis of Electronic Stability Control and Torque Vectoring with racing and winter tires
No full textLAUREA MAGISTRALELo pneumatico è un componente fondamentale del veicolo, capace di influenzarne significativamente il comportamento dinamico attraverso le forze e i momenti generati al punto di contatto con la strada. Gli pneumatici svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di controllo della stabilità laterale, poiché tali algoritmi si basano sulle loro caratteristiche per migliorare la maneggevolezza del veicolo e garantire la sicurezza. La conoscenza di tali caratteristiche è essenziale: diverse mescole, essendo progettate per specifiche condizioni di guida, offrono infatti differenti livelli di trazione, aderenza e prestazioni. Per valutare l'importanza della conoscenza delle specifiche degli pneumatici nel controllo dell'imbardata, questa tesi propone un'analisi comparativa di sistemi di controllo elettronico della stabilità e di distribuzione della coppia, utilizzando pneumatici Estivi Sportivi e Invernali. Il sistema di controllo di distribuzione della coppia può migliorare le prestazioni distribuendo in modo ottimale la coppia a ciascun motore elettrico, in base allo stato del veicolo e alle richieste del conducente. La calibrazione dei moduli del sistema viene eseguita per entrambi i tipi di pneumatici considerati, al fine di garantire una maneggevolezza ottimale e una desiderata risposta del veicolo. Inizialmente, vengono condotti test preliminari per valutare l'efficacia dell'algoritmo rispetto al veicolo di base. Successivamente, viene eseguita una completa analisi di sensitività incrociata in un ambiente di simulazione ad-hoc, dimostrando che, senza una corretta conoscenza delle caratteristiche dello pneumatico, il sistema di controllo può portare a risultati insoddisfacenti in termini di richieste, consumo energetico, stabilità e prestazioni. Infine, viene presentata un'analisi qualitativa riguardante l'influenza degli pneumatici Estivi Sportivi e Invernali su un sistema di controllo elettronico della stabilità, in grado di applicare pressioni di frenata differenziali alle ruote per mantenere il controllo del veicolo in situazioni critiche. Le analisi svolte si basano su dati raccolti sperimentalmente tramite l'utilizzo di un veicolo del Partner Industriale.The tire is a fundamental subsystem of the vehicle, significantly influencing its dynamic behaviour through the forces and moments generated at the tire-road contact patch. Tires play a crucial role in lateral stability control systems, as those algorithms rely on the tire characteristics to ensure stability in every critical situation while improving vehicle handling and feel and enhancing its driveability and safety. The knowledge of tire characteristics is an important aspect to consider, as different compounds tailored for specific driving conditions offer different levels of traction, grip and performance. To evaluate the potential of the knowledge of the tire specification in yaw control, this thesis proposes a comparative analysis of Electronic Stability Control (ESC) and Torque Vectoring (TV) systems with Sport and Winter tire compounds. The TV control system can help improving the performance of the vehicle by optimally distributing the torque to each electric motor based on the measured states and the driver's requests. The tuning procedure for the TV modules is performed for both tire types under consideration in order to ensure optimal handling and a desired vehicle response. An initial testing phase is conducted to assess the effectiveness of the TV algorithm compared to the baseline vehicle. After that a comprehensive cross sensitivity analysis is performed on an ad-hoc simulation environment, proving that without a proper knowledge of the tire characteristics, the control system may lead to unsatisfactory results in terms of control effort, energy consumption, stability and performance. Finally, a qualitative analysis is presented regarding the influence of Sport and Winter tires on a safety-oriented ESC system, able to apply differential braking pressures to the wheels, restoring stability in critical situations. The analysis relys on data collected from real world application
Combined rear wheel steering and camber control for high perfomance sports cars
No full textLAUREA MAGISTRALENegli ultimi anni il settore automobilistico ha spinto sempre più in là i limiti prestazionali dei veicoli grazie allo sviluppo di attuatori innovativi (in-wheel motors, sospensioni attive, steer by wire, brake by wire) insieme a tecniche di controllo avanzate (torque vectoring, electronic stability control, rear wheel steering). Questa tesi propone lo sviluppo di un algoritmo volto a controllare un altro attuatore innovativo capace di regolare simultaneamente l’angolo posteriore di camber e di toe di una auto sportiva ad alte prestazioni. L’obiettivo è quello di migliorare le prestazioni del veicolo aumentando la sua stabilità laterale e la sua trazione. Questi obiettivi vengono soddisfatti mediante il controllo combinato proposto, il quale è costituito da due controllori indipendenti di toe e di camber e da un allocatore. I due controlli indipendenti di toe e di camber forniscono rispettivamente un segnale di riferimento di toe e di camber capaci singolarmente di aumentare le prestazioni del veicolo. L’allocatore, basandosi sulla situazione di guida, assegna in maniera intelligente le due variabili di controllo con lo scopo di massimizzare la forza laterale prodotta da ogni gomma in ogni istante di tempo. Questa strategia di controllo è stata testata insieme a un pilota professionista, mediante l’utilizzo di un simulatore statico posizionato davanti a uno schermo ultra wide a 180° ed equipaggiato con attuatori reali in modo da rendere realistica la situazione di guida al pilota. L’aumento di prestazioni è stato valutato in diversi scenari di guida. I risultati mostrano che nelle curve veloci c’è un cospicuo aumento della stabilità laterale che permette al veicolo di seguire le stesse traiettorie a velocità maggiore; mentre nei tornanti, i risultati mostrano una maggior stabilità e manovrabilità lungo tutta la curva e una maggiore accelerazione in trazione in uscita curva. In conclusione, il pilota ha confermato i risultati ottenuti sottolineando l’aumento di agilità in tutte le fasi della curva e una migliore stabilità sia in frenata che in accelerazione.In the last few years the automotive industry has pushed the limits of handling even further due to the development of innovative actuator technologies (in-wheel motors, active suspensions, steer by wire, brake by wire) together with sophisticated control algorithms (torque vectoring, electronic stability control, rear wheel steering). This thesis focuses on the development of an algorithm aimed at controlling another innovative actuator that enables to simultaneously regulate the rear toe and the rear camber angles of a high performance sports car. The goal is to improve the handling performance of the vehicle by increasing its lateral stability and augmenting its traction capabilities. These requirements are met through the proposed combined toe/camber control scheme composed by two independent controllers and an allocator. Toe and camber independent controllers provide, respectively, a toe and camber reference able to improve the performance of the vehicle by themselves. The allocator, based on the driving scenario, smartly allocates the two actuation variables with the purpose of maximizing the lateral force produced by each tire at any time instant. The control strategy is tested on a static human in the loop simulator placed in an immersive ultra-wide 180° screen and equipped with real actuators in order to give a realistic driving feeling to the driver. The performance boost is evaluated in different driving scenarios. The results show that on fast turns there is a significant enhancement of the lateral stability that enables the vehicle to follow the same trajectory at higher speed; whereas on a hairpin curve, the results show an improved stability and manoeuvrability all along the curve and a higher longitudinal acceleration during traction. Concluding, the driver feedback confirmed the results obtained on the experimental data, by means of a more agile vehicle in all turn phases and a higher stability (in terms of longitudinal traction) in both braking and throttle application manoeuvres
Development of a trajectory planner and combined steering and differential braking controller for lap-time minimization
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi tratta lo sviluppo di un sistema di pianificazione e tracking della traiettoria per un veicolo da corsa autonomo, con l'obiettivo di minimizzare i tempi sul giro lungo il circuito di Yas Marina. Grazie alla conoscenza completa del tracciato, viene utilizzato un pianificatore globale per generare una traiettoria ottimale, mentre un sistema di controllo è progettato per seguirla con precisione. Sono stati esplorati tre approcci per generare la traiettoria. Il primo si basa su un modello cinematico a bicicletta, integrato con vincoli di trazione. L'ottimizzatore genera gli input per il modello e utilizza le informazioni sugli stati del veicolo per ottimizzare la traiettoria di riferimento. Il secondo utilizza un modello dinamico a bicicletta, che incorpora dinamiche delle gomme e trasferimenti di carico. Il terzo approccio combina un controllore della dinamica laterale con il modello dinamico. Con questa architettura l'ottimizzatore genera una traiettoria teorica, mentre il controllore calcola gli input necessari per il veicolo. Questa integrazione sfrutta la prevedibilità del controllore per adattare la traiettoria ai limiti del regolatore. Tutti e tre i metodi sono stati implementati e confrontati per analizzarne differenze e limiti. Il controllore della dinamica laterale è progettato utilizzando la tecnica di controllo H2 con loop shaping per regolare la velocità di imbardata e l'angolo di deriva del veicolo. Questo viene ottenuto combinando lo sterzo e i freni differenziali dell'auto. Uno scheduling basato sulla velocità ne migliora le prestazioni e consente test in un ambiente hardware-in-the-loop.
È stata inoltre proposta una strategia di allocazione della coppia per minimizzare l'impatto della frenata differenziale sulla dinamica longitudinale.
Infine, il controllore è stato testato in simulazione sulla traiettoria generata, utilizzando Simulink e un computer Speedgoat real-time. I risultati mostrano che il pianificatore produce una traiettoria ottimale per minimizzare il tempo sul giro, mentre il sistema di tracking segue il profilo di riferimento con deviazioni laterali minime.This thesis addresses the development of a path planning and tracking system for an autonomous racing vehicle, aimed at minimizing lap times for an autonomous racing car around the Yas Marina circuit. With complete prior knowledge of the track layout, a global planner is employed to generate an optimal reference trajectory, while a control system is designed to track the reference path. This work does not consider opponents or obstacles but focuses on trajectory optimization. Three approaches are explored for global planning. The first one employs a kinematic bicycle model with added traction constraints. The optimizer produces inputs for the model and leverages vehicle state information to enhance the reference trajectory. The second approach advances to a dynamic bicycle model, incorporating complex tire dynamics and load transfers. The third approach combines a lateral dynamics controller with the dynamic model. In this setup, the optimizer generates a theoretical trajectory, while the controller model produces the corresponding inputs for the vehicle model. This architecture takes advantage of the predictability of the lateral controller to optimize the trajectory within the regulator limits. All three methods were implemented and compared to highlight their differences and limitations. The lateral dynamics controller is designed using the loop shaping H2 control technique to control the vehicle's yaw rate and sideslip angle. This is done by combining the steering and differential brakes of the car. A speed-based scheduling mechanism further refines the controller's performance, enhancing its real-time functionality for testing and validation in a hardware-in-the-loop simulation environment. A torque allocation strategy has been proposed to alleviate the impact of differential braking on longitudinal dynamics. Finally, the controller is tested in simulation on the reference path generated by the planner, using Simulink and a Speedgoat real-time computer. The results demonstrate that the planner effectively generates an optimal racing line, while the tracker accurately follows the reference trajectory with minimal lateral deviations from the path
Design of a torque vectoring system with slip control and state estimator for a 4WD electric hypercar
No full textLAUREA MAGISTRALELa crescita nello sviluppo di veicoli elettrici è stata spinta dalla crescente domanda di soluzioni di trasporto ecologiche. Questo in quanto offrono vantaggi significativi rispetto alle auto tradizionali a motore a combustione interna, quali le ridotte emissioni, i minori costi operativi e le prestazioni superiori. Di conseguenza, c'è stato anche un aumento della domanda di auto elettriche ad alte prestazioni, in particolare le hypercar, che richiedono sistemi di controllo avanzati in grado di erogare la massima potenza garantendo la sicurezza durante la guida. La possibilità di introdurre quattro motori elettrici nelle hypercar è stata un'importante evoluzione poiché consente una distribuzione della coppia più efficiente e performante, migliorando le prestazioni e la sicurezza del veicolo. Per ottenere ciò, tra i vari algoritmi esistenti, questa tesi propone lo sviluppo e l'implementazione di un algoritmo di distribuzione della coppia, il quale alloca in modo ottimo la coppia dei motori e la pressione dell'impianto frenante. Il sistema di controllo include, inoltre, un modulo di controllo non lineare della trazione delle gomme, che consente la massima aderenza delle ruote anche durante manovre aggressive, stabilizzando così il sistema ed estraendo le massime prestazioni. Inoltre, presenta un algoritmo di stima in grado di stimare gli stati del veicolo che sono tipicamente non misurabili con i sensori standard delle auto di produzione. Dopo una fase intensiva di test in un ambiente di simulazione ad-hoc, il sistema di controllo progettato si è dimostrato efficace nella stabilizzazione del veicolo in ogni situazione di emergenza, migliorando sia la maneggevolezza che la sensazione di guida del veicolo. Le prestazioni del veicolo hanno visto anche un importante miglioramento in quanto l'algoritmo proposto è in grado di estrarre dalla vettura la massima potenza, raggiungendo i suoi limiti.The growth in electric vehicle development has been driven by the increasing demand for eco-friendly transportation solutions. This is because they offer significant advantages over traditional combustion engine cars in terms of reduced emissions, lower operating costs and superior performance. As a result, there has been also an increase in the demand of high-performance electric cars, particularly hypercars, which require advanced control systems capable of delivering maximum power while ensuring safety during driving. The possibility to introduce four electric motors in hypercars has been a significant improvement as it allows for a more efficient and high-performing torque distribution, thereby enhancing vehicle performance and safety. To achieve this, among the existing algorithms, this thesis proposes the design and implementation of a torque vectoring approach, which optimally allocates each motor torque and brake pressure. The control system includes a high-performance non-linear slip control module, which enables maximum wheel adherence during aggressive maneuvers, thereby stabilizing the system and extracting maximum performance. Moreover, it features an estimation algorithm that can estimate the states of the vehicle that are typically unmeasurable with standard production car sensors. After an intensive testing phase on an ad-hoc simulation environment, the designed control system has proven to be effective in stabilizing the vehicle in every safety-critical situations, while improving vehicle handling and feel. The performance of the vehicle have seen also an important improvement as it can extract the maximum power and reach its limits
Development of a real-time hierarchical model predictive control for combined lateral and longitudinal dynamics in high-performance autonomous vehicles
No full textLAUREA MAGISTRALELo sviluppo di tecnologie di guida autonoma costituisce una sfida ingegneristica tra le più attuali e rilevanti, avente il potenziale di rivoluzionare il mondo della mobilità a vantaggio di una maggiore efficienza e sicurezza.
Il contributo di questo lavoro si inserisce in particolare nell’ambito delle gare a guida autonoma che rappresenta un fertile terreno di innovazione, grazie all'intrinseca capacità di testare gli algoritmi al limite della manovrabilità del veicolo. Viene proposto un Model Predictive Control (MPC) lineare tempo variante che gestisce, con un approccio integrato, sia la dinamica longitudinale sia quella laterale di un'auto ad alte prestazioni. Più nel dettaglio, il carattere innovativo della presente tesi è rappresentato dalla progettazione di un'architettura gerarchica capace di interfacciarsi con gli anelli di controllo della velocità d'imbardata e di accelerazione longitudinale, senza sostituirli in toto. In questo modo è possibile fondere i benefici del controllo predittivo con quelli delle architetture Proporzionali-Integrali-Derivative (PID) progettate, con comprovata efficacia, attraverso tecniche tradizionali come il Loop Shaping.
La dinamica del veicolo è descritta da un modello non lineare a carreggiata singola, mentre il comportamento dei controllori sottostanti viene modellato con funzioni di trasferimento identificate in frequenza, che rappresentano i rispettivi sistemi in anello chiuso. Ciò ha il vantaggio di semplificare la formulazione del problema di ottimizzazione, limitare l'impiego di parametri di modello e al contempo promuovere un più cauto comportamento in situazioni critiche.
L'algoritmo è testato in ambiente MATLAB-Simulink con esperimenti Simulation-in-the-Loop (SIL) e Hardware-in-the-Loop (HIL), comparandolo con l'architettura stato dell'arte e con un MPC che assume la perfetta conoscenza dei parametri di modello.
I risultati evidenziano la superiorità di questo controllo integrato rispetto ai più avanzati controllori coordinati, garantendo al contempo eccellenti prestazioni di tracking, sia in termini di profilo di velocità che di errore laterale.The development of autonomous driving technologies represents one of the most significant engineering challenges of our time, with the potential to revolutionize mobility by enhancing both efficiency and safety.
This work contributes specifically to the field of autonomous racing, a fertile ground for innovation due to its inherent ability to test algorithms at the limits of vehicle maneuverability. A linear time-varying Model Predictive Control (MPC) is proposed, integrating both longitudinal and lateral dynamics of a high-performance vehicle. The novelty of this dissertation lies in the design of a hierarchical architecture that interfaces with the existing closed-loop yaw rate and longitudinal acceleration controllers, rather than fully replacing them. This approach enables the fusion of predictive control advantages with those of Proportional-Integral-Derivative (PID) architectures, which have been designed using conventional techniques such as Loop Shaping.
The vehicle dynamics are modeled using a nonlinear single-track representation, while the behavior of the low-level controllers is captured through transfer functions identified in frequency-domain, which describe their respective closed-loop systems. This formulation simplifies the optimization problem, reduces dependency on model parameters, and promotes safer and more conservative behavior in critical situations.
The proposed algorithm is validated in a MATLAB-Simulink environment through both Simulation-in-the-Loop (SIL) and Hardware-in-the-Loop (HIL) experiments. It is compared against an MPC assuming perfect knowledge of the model parameters and the state-of-the-art control architecture. The results demonstrate the superiority of this integrated control strategy over advanced coordinated controllers, while ensuring excellent tracking performance in terms of both velocity profile and lateral error
Development of a distance control based local planner for overtaking maneuvers in autonomous racing
No full textLAUREA MAGISTRALEIl settore automobilistico sta vivendo una rapida evoluzione verso soluzioni di guida autonoma. In questo scenario, le competizioni tra veicoli autonomi rivestono un ruolo centrale nello sviluppo di algoritmi sofisticati, in quanto consentono di testarli in contesti regolamentati, facilitando la valutazione delle loro prestazioni ai limiti di manovrabilità delle auto.
Le gare principali sono organizzate da Indy Autonomous Challenge. Questi eventi prevedono sfide testa a testa e multiveicolo, che mettono alla prova le capacità di sorpasso dei veicoli. Sorge pertanto la necessità di un'architettura avanzata di pianificazione delle traiettorie, che permetta alle auto di interagire con più avversari ad alte velocità.
Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un algoritmo di generazione di profili di velocità progettati per mantenere una distanza predeterminata dall'avversario, e di un ambiente di simulazione adatto ad analizzare le prestazioni dell'algoritmo in un orizzonte predittivo. L'algoritmo è adattato alla struttura del modulo di pianificazione della traiettoria progettato dal gruppo di ricerca PoliMOVE. Basato sulla dinamica dei profili di velocità del veicolo ego e dell'avversario, oltre che sulla dinamica della loro distanza longitudinale, l'algoritmo si configura come un controllore in cascata, organizzato in un anello esterno di distanza e uno interno di velocità. I profili di velocità devono risultare conformi ai limiti di accelerazione e decelerazione, per garantire la fattibilità della traiettoria. Nel simulatore sviluppato per valutare i profili di velocità generati vengono implementati una strategia di controllo longitudinale e la dinamica longitudinale del veicolo. Testato in questo ambiente, l'algoritmo si dimostra capace di generare profili di velocità che consentono al veicolo ego di mantenere la distanza desiderata dall'avversario. Infine, il modulo di pianificazione è adattato per includere la possibilità di allinearsi dietro l'avversario quando si seleziona la manovra ottimale da eseguire. Con la disponibilità dell'algoritmo proposto, il pianificatore di traiettorie opera una manovra di inseguimento del veicolo quando lo ritiene opportuno.The automotive technology sector is undergoing rapid evolution towards autonomous driving solutions. In this context, autonomous racing assumes a pivotal position in the advancement of sophisticated algorithms, as it enables to test them in regulated environments, thereby facilitating to assess the vehicles' performance at their handling limits.
The main autonomous races are organized by the Indy Autonomous Challenge. These events feature head-to-head contests and multivehicle competitions, where the overtaking capabilities of the vehicles are challenged. Thus, the necessity of an advanced trajectory planning architecture arises, allowing self-driving cars to interact with multiple opponents at high speeds.
This thesis focuses on the development of a speed profile generation algorithm designed to maintain a predetermined distance from the leading opponent, and of an appropriate simulation environment to assess its performance in receding horizon. The algorithm is tailored for the structure of the trajectory planning module engineered by PoliMOVE racing team. Based on the dynamical evolution of ego vehicle and opponent speeds, alongside their longitudinal distance on track, such algorithm configures as a cascade controller. Given a reference distance from the opponent to uphold upon the trajectory, an appropriate acceleration is selected. Starting from the resultant speed plan, the current ego-to-opponent distance is computed. The speed profiles are generated in accordance with acceleration and deceleration limits, to ensure the feasibility of the trajectory. The custom simulator developed to evaluate the generated speed profiles implements a longitudinal control strategy and the longitudinal vehicle dynamics. Tested in this environment, the algorithm proves capable of generating speed profiles that enable ego vehicle to maintain the desired distance from the leading opponent. Finally, the planning module is adapted to encompass the possibility of aligning behind the opponent when selecting the optimal maneuver to be performed. With the availability of the proposed algorithm, the trajectory planner opts for a vehicle following maneuver when deemed appropriate
