Autonomous driving at the limits of handling

To be safer than their human counterparts, automatic pilots must be able to control the car up to its limits of handling. Therefore, this PhD thesis focuses on the analysis and design of autonomous vehicles path tracking controllers, able of exploiting all the grip made available by tyre-ground interaction. In particular, two subtopics have been investigated. Firstly, attention has been devoted to path tracking controllers able to manage the so-called drifting technique, which consists of taking a turn in the presence of large values of vehicle sideslip angle and counter-steering. Such an aggressive and complex manoeuvre is typically used by expert rally drivers to go as fast as possible on low-grip terrains, but it has also been recognized as a driving technique expanding vehicle mobility, and it can be potentially adopted for autonomous emergency obstacle avoidance manoeuvres. In light of this, an autonomous drifting stabilization controller has been designed and experimentally tested. Then, the proposed approach has been extended to let the vehicle autonomously follow a circular trajectory while keeping in a sustained drifting dynamic equilibrium. Secondly, the analysis of a control oriented model, originally conceived by a Stanford research group, to simplify the design of a path tracking controller which is able of exploiting all the grip made available by tyre-ground interaction, has been carried out. This model is a variant of the well-known single-track model, featured by front tyre lateral force as the control input, in place of front tyre steering angle. This allows to easily (say linearly) express the hard saturation constraint on the lateral force developed by front tyre, which is dictated by tyre-ground friction coefficient. However, undamped yaw rate oscillations, the so-called fish tail phenomenon, occurs when operating the vehicle at high speed. Therefore, a control-oriented analysis of this affine in the control input model, which explains and analytically demonstrates the reason behind the fish tailing phenomenon, has been conducted. After that, a possible solution to the previously described problem has been proposed and assessed, by means of simulations performed on a realistic multibody Dymola vehicle. Last but not least, to effectively test the proposed control strategies, a dedicated experimental platform, which consists in a 1:10 scale radio controlled car, made autonomous by the addition of a set of sensors (inertial measurement unit, odometer, marker for an optical motion tracking system) and processing units (Arduino, Odroid XU4), has been designed and assembled. A nonlinear single-track model has been used to describe the vehicle dynamics: its parameters have been measured or identified and its accuracy has been assessed. The dynamic similarity between the scaled car and a real vehicle, which has been verified, allows to use this setup as a realistic experimental setup for the evaluation of the proposed control strategies.

Per poter essere più sicuri della loro controparte umana, i piloti automatici debbono essere in grado di controllare l’auto sino ai limiti dell’aderenza. Di conseguenza, questa tesi di dottorato si focalizza sulla analisi e progetto di controllori automatici di inseguimento di percorso, in grado di sfruttare tutta l’aderenza resa disponibile dall’interazione tra gli pneumatici ed il terreno. In particolare, due problemi sono stati affrontati. Il primo problema che è stato analizzato è lo studio di controllori automatici in grado di utilizzare la tecnica della derapata, che consiste sostanzialmente nell’affrontare una curva in presenza di un elevato angolo di deriva del veicolo e di controsterzo. Questa complessa manovra è tipicamente impiegata dai piloti di rally per procedere il più velocemente possibile su terreni a scarsa aderenza, tuttavia essa è stata anche riconosciuta come una tecnica di guida che aumenta la mobilità del veicolo a bassa velocità, e che potrebbe essere utilizzata per evitare ostacoli in situazioni di emergenza. Alla luce di ciò, un controllore di stabilizzazione della derapata è stato progettato e testato sperimentalmente. Dopodiché, questa tecnica di controllo è stata estesa di modo da permettere al veicolo di inseguire un percorso circolare in derapata. Il secondo problema affrontato riguarda l’analisi di un modello dinamico orientato al controllo, originariamente concepito da un gruppo di ricerca di Stanford, avente l’obbiettivo di semplificare il progetto di un controllore di inseguimento di percorso in grado di sfruttare tutta l’aderenza resa disponibile dal contatto pneumatico-terreno. Questo modello è una variante del noto modello bicicletta, e si distingue da esso per l’adozione della forza laterale sviluppata dallo pneumatico anteriore come ingresso di controllo, al posto dell’angolo di sterzo. Ciò permette di esprimere facilmente, ossia linearmente, il vincolo sulla forza laterale massima che può essere sviluppata dagli pneumatici anteriori, che è legato al coefficiente di attrito pneumatico-terreno. Tuttavia, oscillazioni poco smorzate della velocità di imbardata si manifestano quando il veicolo procede ad elevata velocità. Di conseguenza, una analisi orientata al controllo di questo modello dinamico affine nell’ingresso di controllo, la quale spiega e dimostra analiticamente il motivo alla base delle oscillazioni, è stata condotta. Dopodiché, una possibile soluzione al problema delle oscillazioni poco smorzate è stata proposta e valutata per mezzo di simulazioni effettuate su un modello multibody di veicolo. Infine, per testare efficacemente le strategie di controllo proposte, è stata costruita una piattaforma sperimentale ad-hoc, consistente in una auto in scala 1:10 resa autonoma mediante l’aggiunta di sensori (unità di misura inerziale, odometro, marker per sistema di motion tracking) e unità di calcolo (Arduino, Odroid XU4). Un modello bicicletta nonlineare è stato utilizzato per rappresentare la dinamica del veicolo: i parametri del modello sono stati o misurati o identificati sperimentalmente e la sua accuratezza è stata valutata. La similitudine dinamica tra la macchina in scala ed un veicolo reale, che è stata verificata, permette di utilizzare questa piattaforma sperimentale per il test delle strategie di controllo proposte.