A feedback linearization controller for an autonomous vehicle considering the steering actuator model

This thesis is concerned with investigating on the behavior of a feedback linearization law for an autonomous vehicle (AV), described using the single-track model, considering a realistic steering actuator model. An advanced formulation of the feedback linearization law is devised, to allow a transformation of a nonlinear system into an equivalent linear one using a change of variables and a suitable control input. This formulation includes a compensation for the dynamics of the steering actuator. However, the linearizing law is not enough to cancel the effects of the actuator, as it is not ideal, in fact it includes a delay. Therefore, an analysis on the effects of the delay of the actuator will be developed, showing that the real system behaves differently from the ideal one. Through an identification process, a model describing the real responses of the vehicle will be constructed, considering different driving velocities and steering inputs. This new model will be finally adopted for designing an appropriate control strategy through the use of PIDs for the trajectory tracking problem for autonomous vehicles, that consists in minimizing the error between the trajectory followed by the vehicle and the one planned. Finally, a number of tests will be performed in a simulated environment (Simulink), in order to evaluate the capability of the entire control strategy, even pushing it at its limits.

Questa tesi si occupa di studiare il comportamento di una feedback linearization per un veicolo autonomo (AV), descritto utilizzando il modello single-track, considerando un modello realistico di attuatore di sterzo. Verrà messa a punto una formulazione avanzata della legge di feedback linearization, che consente la trasformazione di un sistema non lineare in uno lineare equivalente utilizzando un cambio di variabili e un opportuno ingresso di controllo. Questa formulazione include una compensazione per la dinamica dell'attuatore dello sterzo. Tuttavia, la legge di linearizzazione non è sufficiente per annullare gli effetti dell'attuatore, in quanto questo non è ideale, ma include un ritardo. Quindi, sarà sviluppata un'analisi sugli effetti del ritardo dell'attuatore, che dimostrerà che il sistema reale si comporta diversamente da quello ideale. Attraverso un processo di identificazione, verrà costruito un modello che descrive il comportamento reale del veicolo, considerando diverse velocità di guida e input di sterzo. Questo nuovo modello sarà infine adottato per progettare un'opportuna strategia di controllo attraverso l'utilizzo di PID per il problema di inseguimento di traiettoria per i veicoli autonomi, che consiste nel minimizzare l'errore tra la traiettoria seguita dal veicolo e quella pianificata. Infine, verranno eseguiti alcuni test in ambiente simulato (Simulink), al fine di valutare la capacità dell'intera strategia di controllo, spingendola anche ai suoi limiti.