Design of a LPV integrated path tracking and torque vectoring control for an autonomous electric vehicle in emergency maneuvers

In the last years the world of mobility and transports has started a process of change. The growing interest towards electric cars merged with the innovations achieved in terms of vehicle’s dynamics control has traced the path for the world of tomorrow. The autonomous electric vehicles are estimated to embrace the human driven ones, increasing safety and comfort of passengers. The purpose of this thesis, developed in collaboration with an industrial partner, is to design an integrated control architecture for the lateral dynamics of a vehicle performing extreme maneuvers. The control is obtained merging two well known control architectures such as Torque Vectoring and Curvature Preview. In addition, to counter the nonlinear behaviour of the tyre while reaching the limit of handling, an H infinity Linear Parameter Varying controller has been embedded inside the Curvature Preview control structure. In the first part of the thesis the vehicle parameters, the actuators characterisation, the physical models, the simulation environment and the maneuvers definition are introduced. In second place, the Curvature Preview and Torque Vectoring control structures are presented, discussed and then merged. The combination of these two controllers defines a new integrated control architecture whose performance are tested in simulation environment. The design choices as well as strengths and drawbacks of the control structure are thoroughly discussed. The central part of the dissertation is devoted to the design of a Linear Parameter Varying H infinity controller which has been embedded in the previously discussed integrated control structure. This self-scheduling controller guarantees the stability of the vehicle even when the tyre characteristic becomes nonlinear. All the simulations have confirmed the goodness of the designed control architecture.

Negli ultimi anni, il mondo della mobilità e dei trasporti ha iniziato un processo di cambiamento. Il crescente interesse verso le auto elettriche unito alle innovazioni in termini di controllo della dinamica dei veicoli hanno fatto sì che la strada verso il mondo di domani fosse tracciata inequivocabilmente. Si stima che nel giro di pochi anni, le automobili elettriche autonome rimpiazzeranno i veicoli guidati dall’uomo, aumentando così la sicurezza e il comfort dei passeggeri. L’obiettivo di questo lavoro di tesi, portato avanti in collaborazione con un partner industriale, è quello di realizzare una struttura di controllo integrata per la dinamica laterale di un veicolo in condizioni di guida al limite. Il controllore è stato ottenuto unendo due strutture di controllo ben note in letteratura, quali il Curvature Preview e il Torque Vectoring. Inoltre, per rispondere al comportamento non lineare presentato dagli pneumatici in condizioni di guida estrema, è stato aggiunto un controllo Hinfinito Linear Parameter Varying. La prima parte della tesi è volta a presentare le caratteristiche del veicolo, dei suoi attuatori, dei modelli fisici, dell’ambiente di simulazione e delle manovre utilizzate nei test. Nella seconda parte, le due strutture di controllo sopracitate, Curvature Preview e Torque Vectoring, sono state presentate e analizzate nel dettaglio per poi essere unite in un’unica struttura integrata le cui performance sono state testate in ambiente simulativo. Le scelte progettuali, così come i punti di forza e le debolezze di questo controllore sono state ampiamente discusse. La parte centrale della trattazione è dedicata allo sviluppo e all’implementazione del controllore H-infinito parametro variante. Questo controllore garantisce stabilità al veicolo anche quando gli pneumatici raggiungono condizioni di lavoro non lineari. Tutti i test effettuati su questa strategia di controllo hanno confermato l’efficacia e la robustezza pronosticate al momento della realizzazione.