Development of a Hardware-In-the-Loop Simulator for Autonomous Racing Applications

Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation is a technique used to to develop, test and validate a control algorithm by creating a virtual real-time environment that represents your physical system to control. HIL helps to test the behavior of control algorithms without physical prototypes. In this thesis, it is proposed a HIL simulator to test the AI driver, developed by the PoliMOVE Autonomous Racing Team, used to drive the Dallara AV21 during the 2022 Indy Autonomous Challenge. This simulator relies on a three-dimensional model of the track and rigid body vehicle positioning in the Darboux reference frame, while the dynamic of the racecar is modeled as a double-track model with aerodynamics, load transfer, and nonlinear Pacejka tire model. The model of actuators and sensors available in the Dallara AV21 is also included in the simulator. Its performance is compared with a state-of-the-art multibody vehicle dynamics simulator (in this thesis is proposed the comparison with VI-Grade CarRealTime). For both simulators is reported the hardware architecture, including the closed-loop connection with our AI driver, and their implementation. The output of the two simulators is finally compared with real experimental data taken from the test session and race at Texas Motor Speedway. Thus, the final part of this work is dedicated to the validation of our custom simulator and its comparison with the state-of-the-art simulator used as a benchmark. The results obtained show a good fitting between the outputs of the two simulators and the real data.

La simulazione Hardware-In-the-Loop (HIL) è una tecnica utilizzata per sviluppare, testare e validare un sistema di controllo creando un ambiente real-time virtuale che rappresenta il sistema da controllare. La simulazione HIL aiuta a testare il comportamento di un algoritmo di controllo senza il bisogno del prototipo fisico. In questa tesi, viene progettato e implementato un simulatore Hardware-In-the-Loop utilizzato per testare il pilota virtuale, sviluppato dal PoliMOVE Autonomous Racing Team e utilizzato per guidare la Dallara AV21 durante la 2022 Indy Autonomous Challenge. Questo simulatore si basa su un modello tridimensionale del tracciato e sul posizionamento del veicolo, modellizzato come corpo rigido, nel sistema di riferimento di Darboux. Il modello dinamico dell’auto da corsa è di tipo doubletrack con aerodinamica, trasferimento di carico longitudinale e laterale e modello gomma non lineare di Pacejka con dinamica di rilassamento. Il modello degli attuatori e sensori che sono installati nella Dallara AV21 è anch’esso incluso nel simulatore, uguagliando le dinamiche e ritardi più rilevanti del veicolo reale. Le sue prestazioni sono comparate con quelle di un simulatore di dinamica veicolo multibody allo stato dell’arte. In questa tesi è proposto il confronto con VI-Grade CarRealTime che è stato completato con il modello di attuatori e sensori ed è satta implementata la connssone HIL con il software di guida autonoma. Per entrambi i simulatori viene presentata l’architettura hardware, inclusa la connessione in anello chiuso con il pilota virtuale, e la loro implementazione. In fine, l’output dei due simulatori viene comparato con dati sperimentali raccolti dalle giornate di test e dalla gara al Texas Motor Speedway. In questo modo, la parte finale di questo lavoro è dedicata alla validazione del nostro simulatore e al suo confronto con quello stato dell’arte utilizzato come riferimento. I risultati ottenuti mostrano una buona corrispondenza tra gli output dei due simulatori e i dati reali, dimostrando l’accuratezza del circuito e modello del veicolo per entrambi i simulatori.