Integrated moving horizon estimator of tire-road friction coefficient and model predictive path tracking controller for an evasive aggressive maneuver

This project aims to further investigate the feasibility of implementing a real-time, robust Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) for path tracking alongside an integrated Nonlinear Moving Horizon Estimator (MHE) of the Tire-Road Friction Coefficient (TRFC). The study delves into the importance of employing a high-fidelity system model and examines the impact of tire nonlinearities and the road surface condition. The primary objective is to guide a vehicle through an evasive, aggressive maneuver while staying within its stable handling limits. A single track bicycle vehicle model was used to describe the vehicle dynamics and the Dugoff tire model was adopted to characterize the interaction between the road surface and the tire. Furthermore, the controller incorporates constraints to ensure vehicle stability and account for actuator limitations. In this respect, the specific constraints defined are related to the Kamm circle, G-G diagram and vehicle side-slip angle. Additionally, the investigation extends to explore the role of tire-road friction while performing such maneuvers. To enable the NMPC path tracker, a specifically designed TRFC NMHE is employed. The estimator embodies the vehicle's dynamics and the tire Dugoff model similarly to the path tracker. Furthermore it relies on real time measurements of vehicle accelerations and velocities. The path tracker takes online information from the estimator to complete the task. A key aspect of this project involves enhancing the computational efficiency of the control algorithms to ensure real-time performance. A double-lane-change maneuver was employed to test the algorithm. The controller and the estimator had been simulated and tested using MATLAB as programming language and FORCESPRO as a solver of the two Nonlinear Programming (NLP) problems concerning the NMPC and NMHE.

Questo progetto mira ad approfondire la possibilità di implementare un sistema integrato di controllo, che incorpora un controllore per il tracciamento della traiettoria basato su un modello predittivo non lineare (nonlinear model predictive control, NMPC) assieme a uno stimatore del coefficiente d'attrito tra pneumatico e strada (tire-road friction coefficient, TRFC), anch'esso costruito su un modello non lineare del sistema e una finestra di osservazione traslante (nonlinear moving horizon estimator, NMHE). Lo studio approfondisce l'importanza dell'utilizzo di un opportuno modello del sistema reale ed esamina l'impatto delle non linearità nell'interazione tra pneumatico e superficie stradale. L'obiettivo principale è guidare un veicolo attraverso una manovra evasiva e aggressiva, rimanendo entro i limiti di stabilità del veicolo stesso. E' stato utilizzato un modello a bicicletta per descrivere la dinamica del veicolo; il modello dello pneumatico Dugoff è stato invece adottato per caratterizzare l'interazione tra la superficie stradale e lo pneumatico stesso. Inoltre, il controllore incorpora dei vincoli per garantire la stabilità del veicolo e tener conto delle limitazioni degli attuatori reali. A questo proposito, i vincoli definiti sono legati al Kamm circle, al diagramma delle accelerazioni G-G e all'angolo di deriva del veicolo. L'indagine si estende per esplorare il ruolo dell'attrito tra pneumatico e strada durante l'esecuzione di tali manovre. Il controllore per il mantenimento della traiettoria sfrutta uno stimatore del coefficiente d'attrito (TRFC NMHE). Questo stimatore incorpora la dinamica del veicolo e il modello Dugoff dello pneumatico in modo simile al controllore NMPC. Inoltre, esso si basa su misurazioni in tempo reale delle accelerazioni e delle velocità del veicolo. Il controllore per il mantenimento della traiettoria riceve informazioni in tempo reale dallo stimatore per completare la manovra. Un aspetto chiave di questo progetto riguarda il potenziamento dell'efficienza computazionale degli algoritmi di controllo per garantire un'esecuzione in tempo reale. Una manovra di doppio cambio di corsia è stata utilizzata per testare l'algoritmo. Il controllore e lo stimatore sono stati simulati e testati utilizzando MATLAB come linguaggio di programmazione e FORCESPRO come risolutore dei due problemi di Programmazione Non Lineare (NLP) riguardanti l'NMPC e l'NMHE.