Vehicle dynamics planning and control for safety and comfort in autonomous cars

Autonomous driving is going to replace many of today’s forms of transportation and also change the life style of most of the people. The rapid rate of technological advance is making this scenario much closer to reality; nevertheless some critical issues, mainly legal and technological, must be faced. This dissertation deals with the two main topics related to vehicle dynamics control in self-driving cars: safety and comfort. The replacement of human drivers with intelligent algorithms will wipe out many control systems developed to improve the driving experience or help the diver in the most challenging maneuvers, but will amplify the need for a comfortable and safe operation. To guarantee an acceptable level of safety, the vehicle must be able to handle critical maneuvers such as obstacle avoidance even at high speed. Two lateral controllers to track emergency maneuvers are presented: one combines the look-ahead error with the lateral shift of the CoG, the second one is based on the path curvature. Both control strategies exploit the preview of the reference trajectory, crucial in case of quick maneuvers. Differently from most approaches in the literature, on-line optimization is not required by these controllers, simplifying real-time implementation. The algorithms are validated experimentally on a Dodge Dart equipped with by-wire interfaces and high precision GPS and on a modified RC car; good tracking performance are obtained up to the friction limits also on evasive maneuvers. A reactive planner for emergency lane change is also developed: the algorithm considers the handling limits due to road/tire friction and guarantees that the generated trajectory can be tracked by the path following controller. The last part of the dissertation focus on the possible comfort improvement due to the presence of autonomous drive sensors. Stereo cameras can be used to detect the presence of a bump or a pothole in front of the vehicle and identify some important characteristics of the obstacle; this information is used to design a semi-active controller to optimize comfort and plan the longitudinal speed profile that better reduces the excitation.

La guida autonoma porterà alla sostituzione di molti mezzi di trasporto odierni e cambierà anche lo stile di vita della maggior parte delle persone. Questo scenario diventa sempre più vicino grazie al rapido sviluppo tecnologico, tuttavia molte criticità deveono ancora essere risolte. Questa tesi si concentra su i due aspetti principali legati alla dinamica del veicolo: il comfort e la sicurezza. Poichè il guidatore verrà sostituito da un'intelligenza artificiale, la maggor parte dei controlli automatici sui veicoli odierni perde significato in quanto è devota al miglioramento dell'esperienza di guida e all'aiuto in situazioni più critiche. Allo stesso tempo verrà amplificata la necessità di fornire una sensazione di comfort e di sicurezza. Per garantire un livello di sicurezza accettabile i veicolo dovranno essere in grado di evitare ostacoli anche a velocità elevate. Due algoritmi di controllo sono stati sviluppati in questa tesi: uno combina l'informazione dell'errore di previsione con l'errore di inseguimento attuale, il secondo è basato invece sull'informazione a priori della curvatura del tracciato. Entrambe le strategie sfruttano le informazioni note a priorità della traiettoria futura che è fondamentale in manovre rapide. Diversamente dalla maggior parte degli approcci presenti in letteratura questi controllori non necessitano di risolvere un problema di ottimizzazione online rendendone semplice l'implementazione. Gli algoritmi sono stati testati sperimentalmente su una Dodge Dart equipaggiata con interfacce by-wire e GPS ad alta precisione, e su un modello di macchina telecomandata. Ottime performance sono state ottenute anche in caso di vicinanza dei limiti di tenuta stradale nelle manovre di emergenza. Un pianificatore di traiettoria reattivo è stato inoltre progettato: l'algoritmo considera i limiti di manovrabilità date dall'interazione tra pneumatico e strada e garantisce che la traiettoria pianificata possa effettivamente essere seguita dal controllo. L'ultima parte della tesi è devota allo studio dei possibili miglioramenti di comfort ottenibili dalla presenza dei sensori necessari alla guida autonoma. Le telecamere possono essere usate per identificare la presenza di buche o dossi davanti al veiclo e stimarne le caratteristiche: questa informazione viene sfruttata per migliorare il controllo semiattivo delle sospensioni e del profilo longitudinale di velocità del veicolo.