Development of a Real-Time Model Predictive Controller for Combined Lateral and Longitudinal Dynamics of High-Performance Autonomous Vehicles

Autonomous vehicles introduce a paradigm shift to the mobility sector, leading to significant advancements in vehicular safety, traffic flows, environmental impact, accessibility, and comfort. Similarly, Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) enhance vehicle safety and reliability in critical driving situations, such as emergency maneuvers, which may challenge inexperienced drivers. Several algorithms for the control of vehicle dynamics exist in the literature. Nevertheless, limited progress has been made towards the development of controllers that are reliable at very high speeds and at the limit of handling, when both the lateral and the longitudinal dynamics of the vehicle are excited at the same time. The objective of this thesis is the development of a Model Predictive Controller (MPC) for the integrated control of lateral and longitudinal dynamics of a high-performance car at the limit of grip, which follows a given trajectory on a racetrack. The underlying MPC model is based on an Affine-Force-Input single-track nonlinear bicycle model with tire forces described by Pacejka's Magic Formula, also accounting for actuation dynamics and delays. The resulting nonlinear model is linearized around the predicted operating points of the last MPC solution, to reduce the complexity of the optimization problem. The latter is built using a quadratic cost function and a set of linear constraints, enabling real-time solution with a specific quadratic programming (QP) solver. The performance of the controller is tested in a simulation environment based on MATLAB Simulink and VI-CarRealTime. The entire controller structure is also implemented in C++ and tested in a real-time hardware-in-the-loop (HIL) simulator. Simulation results show excellent tracking performance up to 280 km/h, in terms of both lateral deviation from the reference path and following of the speed profile. The presented controller outperforms state-of-the-art decoupled lateral and longitudinal controllers.

I veicoli a guida autonoma segnano un punto di svolta per il settore della mobilità, portando significativi progressi nella sicurezza dei veicoli, nella gestione dei flussi di traffico, nell'impatto ambientale, nell'accessibilità e nel comfort. Analogamente, i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) migliorano la sicurezza e l'affidabilità del veicolo in situazioni di guida critiche, come le manovre di emergenza, che possono mettere in difficoltà i piloti inesperti. In letteratura esistono diversi algoritmi per il controllo automatico della dinamica veicolo. Tuttavia, sono stati fatti pochi progressi verso lo sviluppo di controllori affidabili a velocità molto elevate e al limite della manovrabilità, quando sia la dinamica laterale che quella longitudinale sono contemporaneamente sollecitate. L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un controllore MPC (Model Predictive Control) per il controllo integrato delle dinamiche laterali e longitudinali di un'auto ad alte prestazioni, che segue una determinata traiettoria su una pista. La dinamica veicolo è rappresentata da un modello bicicletta single-track non lineare, con le forze degli pneumatici descritte dalla formula magica di Pacejka, e che considera anche le dinamiche e i ritardi di attuazione. Il modello non lineare risultante è linearizzato attorno ai punti operativi previsti nell'ultima soluzione MPC, per ridurre la complessità del problema di ottimizzazione. Quest'ultimo è formato da una funzione di costo quadratica e un insieme di vincoli lineari, consentendo la soluzione in tempo reale con un solver per problemi quadratici (QP). Le prestazioni del controllore sono testate in un ambiente di simulazione basato su MATLAB Simulink e VI-CarRealTime. L'intera struttura del controllore è inoltre implementata in C++ e testata in un simulatore hardware-in-the-loop (HIL) real-time. I risultati della simulazione dimostrano eccellenti prestazioni di tracking del riferimento fino a 280 km/h, sia in termini di deviazione laterale dal percorso desiderato che di inseguimento del profilo di velocità. Il controllore presentato risulta superiore ai controllori laterali e longitudinali disaccoppiati più avanzati.