Design and development of a path tracking control and a replanning algorithm for an autonomous vehicle in emergency maneuver

In recent years, great technological advances in the automotive sector have been achieved and have allowed guaranteeing higher safety standards, such as ABS and ESP. Despite this, road mortality remains still very high. For this reason, research is working intensively to increase the automation level in vehicles and make them safer. This thesis, in collaboration with an industrial partner, has two objectives: the first is the realization of a lateral dynamics controller for an autonomous electric vehicle; the second is the development of a trajectory replanning algorithm against sudden changes in road conditions, such as the presence of mud or snow on the road. After introducing the vehicle and actuator dynamics models, two controllers are designed. The first is based on the lateral error and is enriched by the presence of a feed-forward component which allows a faster action. The second, more sophisticated, is composed of three elements: a regulator that acts on the yaw-rate to keep the vehicle stable, a regulator that has the task of rejecting the lateral error and a filter that allows exploiting the future information on the curvature. Finally, a trajectory replanning algorithm is developed: it is designed to produce a sinusoidal reference coherent with the controller bandwidth and to satisfy more stringent constraints due to a change in the friction coefficient.

Negli ultimi anni, sono stati raggiunti grandi progressi tecnologici nel settore automobilistico che hanno permesso di garantire standard di sicurezza più elevati, come l'ABS e l'ESP. Nonostante ciò, la mortalità stradale rimane ancora molto elevata. Per questo motivo, la ricerca è intensamente impegnata allo sviluppo di maggiori livelli di automazione nei veicoli con il fine di renderli più sicuri. Questa tesi si prefigge due obiettivi: il primo è la realizzazione su un veicolo elettrico autonomo di un controllore della dinamica laterale; il secondo è quello di sviluppare un algoritmo di ripianificazione della traiettoria a fronte di cambi improvvisi delle condizioni stradali, come la presenza di fango o neve sulla strada. Dopo aver introdotto i modelli della dinamica del veicolo e degli attuatori, vengono realizzati due controllori. Il primo è basato sull'errore laterale ed è arricchito dalla presenza di un componente feed-forward che permette un'azione più rapida. Il secondo, più sofisticato, è composto di tre elementi: un regolatore che agisce sullo yaw-rate per mantenere il veicolo stabile, un regolatore che ha il compito di reiettare l'errore laterale e un filtro che permette di sfruttare informazioni future sulla curvatura. Infine, viene sviluppato un algoritmo di ripianificazione della traiettoria in grado di generare un riferimento sinusoidale coerente con la banda del controllore e di soddisfare i vincoli più rigorosi dovuti a una modifica del coefficiente di attrito.