Twin-in-the-loop control for active yaw-rate tracking

Twin-in-the-Loop (TiL) is a control strategy that aims at simplifying the complex end- of-line-tuning process required in the traditional vehicle control approach. Typically, a nominal controller is designed on a control-oriented model and tuned in a simulation environment, requiring many expensive and time-consuming experiments before being used in a real vehicle. The Twin-in-the-Loop framework utilizes a high-fidelity simulator that is run directly on the ECU of the real vehicle in an embedded mode. This allows to compute the nominal control action in real-time through the development of a simple compensator that compares the outputs of the on-board simulator and of the real vehicle. Any mismatch between the two signals is compensated by a second loop designed to adjust the control action produced by the nominal controller. This thesis explores the use of the TiL control strategy for the yaw-rate tracking problem of an active front steering equipped vehicle, considering the presence of the driver. At this aim, the generation of a reasonable reference that follows the driver intent and smooths the dynamics is deeply studied and a systematic approach is proposed. A classical Model Predictive Control strategy is used as the nominal controller, with a Linear Parameter Varying predictive model implemented to better capture the nonlinearities of the dynamics, such as the road-tire interaction forces. Two different strategies for the TiL control are evaluated, one being a simple yaw rate PD controller and the other being a PD-based mixed yaw rate-side slip controller. The effectiveness of the proposed strategy is evaluated through simulation using VI-Grade CarRealTime and Simulink. The results demonstrate the effectiveness of the Twin-in-the-Loop framework in simplifying the end-of-line tuning phase and improving the accuracy of the lateral dynamics control of the vehicle.

Il Twin-in-the-Loop (TiL) è una strategia di controllo che mira a semplificare il complesso processo di end-of-line tuning previsto dall’approccio di controllo tradizionale dei veicoli. Tipicamente, un controllore nominale viene progettato su un modello orientato al controllo e tarato in un ambiente di simulazione, richiedendo molti esperimenti, spesso lunghi e costosi, prima di essere utilizzato in un veicolo reale. L’approccio del TiL prevede l’utilizzo di un simulatore ad alta fedeltà che viene eseguito direttamente sull’ECU del veicolo reale in modalità embedded. In questo modo è possibile calcolare l’azione di controllo nominale in real-time, attraverso lo sviluppo di un semplice compensatore che confronta le uscite del simulatore e del veicolo reale. Le incongruenze tra i due segnali sono compensate da un secondo anello progettato per regolare l’azione di controllo prodotta dal controllore nominale. Questa tesi esplora l’uso della strategia di controllo Twin-in-the-Loop per il problema di inseguimento di yaw rate di un veicolo dotato di sterzo attivo, considerando la presenza del pilota. A questo scopo viene approfondito lo studio della generazione di un riferimento ragionevole, che segua l’intento del pilota e migliori la dinamica del veicolo. Il controllore nominale utilizzato è un classico Model Predictive Control, in cui il modello predittivo è implementato per catturare anche alcune nonlinearità del sistema, come le forze di interazione strada-pneumatico. Due diverse strategie sono considerate per il controllo del secondo anello: entrambe prevedono l’implementazione di un controllore PD, nel primo caso per un semplice inseguimento di yaw rate, mentre nel secondo caso il riferimento da inseguire considera sia lo yaw rate che l’angolo di side slip del veicolo. L’efficacia della strategia proposta viene valutata tramite simulazioni svolte utilizzando VI-Grade CarRealTime e Simulink. I risultati dimostrano l’efficacia del Twin-in-the-Loop nella semplificazione del processo di end-of-line tuning e nel miglioramento del controllo della dinamica laterale del veicolo.