Analysis and design of shared lateral controllers for road vehicles

This thesis is focused on the lateral dynamics control of road vehicles, in particular on the design of a shared control for cars, which can help the driver to follow the desired trajectory and to maintain the centerline of the lane. At first, the vehicle and the driver dynamics are analyzed, modeling the driver-vehicle system as an LPV system. Specifically, a single track model is used to describe the vehicle dynamics and a simplified two-level driver model is considered. Neglecting at first the dependency of the dynamics of interest from the vehicle speed, an LTI model is studied, and two assistance controllers, one based on two nested PID controllers and the other one based on an H_{\infty} design approach, are proposed. With the aim of extending the controller validity to all the possible working conditions, a novel system formulation is presented, in which the assistance and the driver torques to the steer are weighted, allowing us to dynamically change the control authority to delegate to the assistance control. To apply this rationale, a supervisor is implemented to automatically adapt the weight according to the different working conditions. To compare the three designed controllers, five performance indices are introduced and analyzed, highlighting the benefits introduced by the supervisor adaptation. In conclusion, the H_{\infty}-controller with the supervisor adaptation is validated with a more accurate CarSim vehicle model, with different maneuvers and different road-surface conditions.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sulla dinamica laterale del veicolo, in particolare sullo sviluppo di un sistema di controllo condiviso, che possa aiutare il guidatore a seguire una corretta traiettoria e a mantenere il centro della carreggiata. Inizialmente vengono analizzate le dinamiche del veicolo e del guidatore, modellizzandoli con un sistema LPV. In particolare, per la descrizione delle dinamiche di veicolo viene utilizzato un modello a singolo asse e, per quanto riguarda il guidatore, viene considerato un modello semplificato a due livelli. In una prima fase di sviluppo viene trascurata la dipendenza delle dinamiche di interesse dalla velocità del veicolo. Così facendo si ottiene una semplificazione del sistema ad un modello LTI, per il quale sono stati progettati due differenti assistenti alla guida. Il primo è basato su due controllori PID annidati, il secondo invece è basato sul progetto di un controllore H-infinito. Con l'intento di estendere il controllo al sistema LPV è stata introdotta una formulazione differente del sistema, dove le coppie conferite allo sterzo dal guidatore e dall'assistente vengono pesate, determinando così l'autorità di controllo da delegare all'assistenza. Conseguentemente, è stato progettato un supervisore in grado di adattare automaticamente il peso introdotto sulla coppia di sterzo, dipendentemente dalle differenti condizioni di lavoro. Per confrontare i tre regolatori progettati sono stati introdotti e analizzati cinque differenti cifre di merito, evidenziando i benefici introdotti dall'utilizzo dell'adattamento del supervisore. In ultimo, il controllore H-infinito con l'adattamento del supervisore è stato validato con un più accurato modello del veicolo fornito da CarSim, in differenti manovre e condizioni stradali.