Virtual fence: non-intrusive electronic stability control for racetrack applications

Since its introduction, the Electronic Stability Control (ESC) has played a major role in increasing the safety of vehicles, preventing or mitigating car accidents and saving thousands of lives. However, the conventional Electronic Stability Control is not suited for a racetrack environment where an experienced, yet fallible, driver wants to push the vehicle at its limit: in those conditions, the steering input applied by the driver might not be always indicative of the intended direction of travel, triggering unwanted ESC interventions. Since the conventional ESC acts by braking the wheels independently, its intervention tends to slow down the car penalizing the lap performance. The system proposed by this thesis addresses the problem of designing a stability control system to be used on track, able to prevent undesired activations. The designed system defines easy-to-identify regions, both considering the location and the variables describing the stability of the car, that the algorithm employs to test if the driver's actions admit a non-colliding trajectory, to trigger the controller if a crash is inevitable given the pilot's capabilities, and to safely give control back to the driver. The algorithm architecture is based on two Model Predictive Control (MPC) problems: the first one is dedicated to the driver's feasibility test and the second one to the actual control of the car when an intervention is needed. The algorithm also includes the logic that oversees the handovers between driver and ESC mode. A control-oriented model able to combine accuracy with limited complexity was developed to be used by the MPC controllers. The performed simulations highlighted the system's capability of taking over at the very last useful instant to avoid a crash. The algorithm is validated in a simulation environment consisting of MATLAB-Simulink integrated with the VI-CarRealTime dynamic simulator.

Fin dalla sua introduzione, il controllo elettronico della stabilità (ESC) ha avuto un ruolo primario nell'aumentare la sicurezza dei veicoli, prevenendo o mitigando incidenti stradali e salvando migliaia di vite. Tuttavia, il controllo elettronico della stabilità convenzionale non è adatto all'uso in pista, dove un guidatore con esperienza, ma comunque fallibile, ambisce a portare il veicolo al limite: in queste condizioni, l'input di sterzo applicato dal pilota potrebbe non essere indicativo della direzione di marcia desiderata, innescando un intervento indesiderato dell'ESC. Siccome l'ESC convenzionale agisce frenando le ruote indipendentemente, il suo intervento tende a rallentare l'automobile penalizzando la performance. Il sistema proposto da questa tesi affronta il problema della progettazione di un controllo di stabilità per l'uso in pista che eviti attivazioni indesiderate. Il sistema progettato definisce delle regioni semplici da identificare, considerando sia la posizione che le variabili che descrivono la stabilità dell'auto, che l'algoritmo sfrutta per testare se le azioni del pilota ammettono una traiettoria sicura, per attivare il controllore se, con le capacità del guidatore, un incidente è inevitabile, e per restituire il controllo al pilota in modo sicuro. L'algoritmo si basa su due problemi Model Predictive Control (MPC): il primo è dedicato al test di fattibilità del pilota e il secondo al controllo del veicolo quando un intervento è necessario. L'algoritmo include inoltre la logica che sovrintende il passaggio di controllo fra guidatore ed ESC. È stato sviluppato un modello capace di coniugare accuratezza e limitata complessità per essere impiegato dai controllori MPC. Le simulazioni svolte hanno mostrato la capacità del sistema di subentrare al pilota nell'ultimo istante utile ad evitare un incidente. L'algoritmo è stato validato nell'ambiente di simulazione MATLAB-Simulink integrato con il simulatore dinamico VI-CarRealTime.