Control of an over-actuated vehicle for autonomous driving and energy optimization

An over-actuated vehicle is a system that presents more control variables than degrees of freedom. Therefore, more than one configuration of the control input can drive the system to a desired state in the state space, and this redundancy can be exploited to fulfill other tasks or solve further problems. In particular, nowadays, challenges concerning electric vehicles regarding their autonomy and solutions to reduce energy consumption are becoming more and more attractive. OA vehicles, on this problem, offer the possibility of using the redundancy to choose the control input, among possible ones, so as to minimize energy consumption. In this regard, the research objective is to investigate different techniques to control, in real-time, an over-actuated autonomous driving vehicle to guarantee trajectory following and stability with the aim of minimizing energy consumption. The research project focuses on a vehicle able to drive and steer the four wheels (4WD, 4WS) independently. This work extends the contribution of previous theoretical energy-based research developed by providing a control algorithm that must work in real-time on a prototype vehicle (RCV-E) developed at the ITRL within KTH with the over-actuation investigated. To this end, the control algorithm has to balance the complexity of a multi-input system, the optimal allocation objectives, and the agility to run in real-time on the MicroAutoBox II - dSPACE system mounted on the vehicle. The solution proposed is a two-level controller which handles separately high and low-rate dynamics with an adequate level of complexity. The upper level is responsible for trajectory following and energy minimization. The allocation problem is solved in two steps. An LTV-MPC solves the trajectory-following problem and allocates the forces at the wheels considering the wheel energy losses due to longitudinal and lateral sliding. The second step re-allocates the longitudinal forces between the front and rear axles by considering each vehicle side independently to minimize energy loss in the motors. The lower level is responsible for transforming the forces at the wheels into torques and steering angles; it runs at a faster rate than the upper level to account for the high-frequency dynamics of the wheels. Last, the overall control strategy is tested in simulation concerning the trajectory-following and energy minimization performance, and after on MircoAutoBox II mounted on the RCV-E to assess the real-time performance.

Un veicolo sovra-attuato è un sistema che presenta più variabili di controllo che gradi di libertà. Pertanto, più di una configurazione dell'ingresso di controllo può portare il sistema a uno stato desiderato nello spazio degli stati e questa ridondanza può essere sfruttata per svolgere altri compiti o risolvere ulteriori problemi. In particolare, al giorno d'oggi le sfide relative ai veicoli elettrici per quanto riguarda la loro autonomia e le soluzioni per ridurre il consumo energetico stanno diventando sempre più interessanti. I veicoli sovra-attuati, riguardo a questo problema, offrono la possibilità di utilizzare la ridondanza per scegliere l'ingresso di controllo, tra quelli possibili, che minimizza i consumi energetici. A questo proposito, l'obiettivo della ricerca è studiare diverse tecniche per controllare, in tempo reale, un veicolo a guida autonoma sovra-attuato per garantire l’inseguimento della traiettoria e la stabilità con l'obiettivo di minimizzare il consumo energetico. Questo studio si concentra su un veicolo in grado di guidare e sterzare le quattro ruote (4WD, 4WS) in modo indipendente, ed estende il contributo delle precedenti ricerche teoriche fornendo un algoritmo di controllo che deve funzionare in tempo reale su un prototipo di veicolo (RCV-E) sviluppato presso l'ITRL all'interno del KTH, che presenta la sovra-attuazione studiata. A tal fine, l'algoritmo di controllo deve bilanciare la complessità di un sistema a più ingressi, gli obiettivi di allocazione dell’azione di controllo ottimale e l'agilità di funzionamento in tempo reale sul sistema MicroAutoBox II - dSPACE montato sul veicolo. La soluzione proposta è un controllore a due livelli che gestisce separatamente le dinamiche ad alta e bassa frequenza. Il livello superiore è responsabile dell'inseguimento della traiettoria e della minimizzazione dell'energia. Il problema di allocazione viene risolto in due fasi. Un LTV-MPC risolve il problema dell'inseguimento della traiettoria e assegna le forze alle ruote tenendo conto delle perdite di energia agli pneumatici dovute al loro scorrimento longitudinale e laterale. Il secondo passo rialloca le forze longitudinali tra l'asse anteriore e quello posteriore considerando ciascun lato del veicolo in modo indipendente per minimizzare le perdite di energia nei motori. Il livello inferiore è responsabile della trasformazione delle forze alle ruote in coppia e angolo di sterzo; funziona a una più alta frequenza rispetto al livello superiore per tenere conto delle dinamiche veloci delle ruote. Infine, la strategia di controllo viene testata in simulazione per quanto riguarda le prestazioni di inseguimento della traiettoria e di minimizzazione dell'energia, e successivamente su MircoAutoBox II montato sull'RCV-E per valutare le prestazioni in tempo reale.