Vehicle dynamics virtual sensing and advanced motion control for highly skilled autonomous vehicles

This dissertation is aimed at elucidating the path towards the development of a future generation of highly-skilled autonomous vehicles (HSAV). In brief, it is envisaged that future HSAVs will be able to exhibit advanced driving skills to maintain the vehicle within stable limits in spite of the driving conditions (limits of handling) or environmental adversities (e.g. low manoeuvrability surfaces). Current research lines on intelligent systems indicate that such advanced driving behaviour may be realised by means of expert systems capable of monitoring the current vehicle states, learning the road friction conditions, and adapting their behaviour depending on the identified situation. Such adaptation skills are often exhibited by professional motorsport drivers, who fine-tune their driving behaviour depending on the road geometry or tyre-friction characteristics. On this basis, expert systems incorporating advanced driving functions inspired by the techniques seen on highly-skilled drivers (e.g. high body slip control) are proposed to extend the operating region of autonomous vehicles and achieve high-level automation (e.g. manoeuvrability enhancement on low-adherence surfaces). Specifically, two major research topics are covered in detail in this dissertation to conceive these expert systems: vehicle dynamics virtual sensing and advanced motion control. With regards to the former, a comprehensive research is undertaken to propose virtual sensors able to estimate the vehicle planar motion states and learn the road friction characteristics from readily available measurements. In what concerns motion control, systems to mimic advanced driving skills and achieve robust path-following ability are pursued. An optimal coordinated action of different chassis subsystems (e.g. steering and individual torque control) is sought by the adoption of a centralised multi-actuated system framework. The virtual sensors developed in this work are validated experimentally with the Vehicle-Based Objective Tyre Testing (VBOTT) research testbed of JAGUAR LAND ROVER and the advanced motion control functions with the Multi-Actuated Ground Vehicle “DevBot” of ARRIVAL and ROBORACE.Diese Dissertation soll den Weg zur Entwicklung einer zukünftigen Generation hochqualifizierter autonomer Fahrzeuge (HSAV) aufzeigen. Kurz gesagt, es ist beabsichtigt, dass zukünftige HSAVs fortgeschrittene Fahrfähigkeiten aufweisen können, um das Fahrzeug trotz der Fahrbedingungen (Grenzen des Fahrverhaltens) oder Umgebungsbedingungen (z. B. Oberflächen mit geringer Manövrierfähigkeit) in stabilen Grenzen zu halten. Aktuelle Forschungslinien zu intelligenten Systemen weisen darauf hin, dass ein solches fortschrittliches Fahrverhalten mit Hilfe von Expertensystemen realisiert werden kann, die in der Lage sind, die aktuellen Fahrzeugzustände zu überwachen, die Straßenreibungsbedingungen kennenzulernen und ihr Verhalten in Abhängigkeit von der ermittelten Situation anzupassen. Solche Anpassungsfähigkeiten werden häufig von professionellen Motorsportfahrern gezeigt, die ihr Fahrverhalten in Abhängigkeit von der Straßengeometrie oder den Reifenreibungsmerkmalen abstimmen. Auf dieser Grundlage werden Expertensysteme mit fortschrittlichen Fahrfunktionen vorgeschlagen, die auf den Techniken hochqualifizierter Fahrer basieren (z. B. hohe Schlupfregelung), um den Betriebsbereich autonomer Fahrzeuge zu erweitern und eine Automatisierung auf hohem Niveau zu erreichen (z. B. Verbesserung der Manövrierfähigkeit auf niedrigem Niveau) -haftende Oberflächen). Um diese Expertensysteme zu konzipieren, werden zwei große Forschungsthemen in dieser Dissertation ausführlich behandelt: Fahrdynamik-virtuelle Wahrnehmung und fortschrittliche Bewegungssteuerung. In Bezug auf erstere wird eine umfassende Forschung durchgeführt, um virtuelle Sensoren vorzuschlagen, die in der Lage sind, die Bewegungszustände der Fahrzeugebenen abzuschätzen und die Straßenreibungseigenschaften aus leicht verfügbaren Messungen kennenzulernen. In Bezug auf die Bewegungssteuerung werden Systeme zur Nachahmung fortgeschrittener Fahrfähigkeiten und zum Erzielen einer robusten Wegfolgefähigkeit angestrebt. Eine optimale koordinierte Wirkung verschiedener Fahrgestellsubsysteme (z. B. Lenkung und individuelle Drehmomentsteuerung) wird durch die Annahme eines zentralisierten, mehrfach betätigten Systemrahmens angestrebt. Die in dieser Arbeit entwickelten virtuellen Sensoren wurden experimentell mit dem Vehicle-Based Objective Tyre Testing (VBOTT) - Prüfstand von JAGUAR LAND ROVER und den fortschrittlichen Bewegungssteuerungsfunktionen mit dem mehrfach betätigten Bodenfahrzeug ”DevBot” von ARRIVAL und ROBORACE validiert

Real-time estimation of the switching signal for perturbed switched linear systems

International audienceWe extend previous works of Fliess et al. [2008] on the estimation of the switching signal and of the state for switching linear systems to the perturbed case when the perturbation is structured that is when the perturbation is unknown but known to satisfy a certain differential equation (for example if the perturbation is constant then its time-derivative is zero). We characterize also singular inputs and/or perturbations for which the switched systems become undistinguishable. Several convincing numerical experiments are illustrating our techniques which are easily implementable

Control theory for infinite dimensional dynamical systems and applications to falling liquid film flows

In this thesis, we study the problem of controlling the solutions of various nonlinear PDE models that describe the evolution of the free interface in thin liquid films flowing down inclined planes. We propose a control methodology based on linear feedback controls, which are proportional to the deviation between the current state of the system and a prescribed desired state. We first derive the controls for weakly nonlinear models such as the Kuramoto-Sivashinsky equation and some of its generalisations, and then use the insight that the analytical results obtained there provide us to derive suitable generalisations of the controls for reduced-order long-wave models. We use two long-wave models to test our controls: the first order Benney equation and the first order weighted-residual model, and compare some linear stability results with the full 2-D Navier-Stokes equations. We find that using point actuated controls it is possible to stabilise the full range of solutions to the generalised Kuramoto-Sivashinsky equation, and that distributed controls have a similar effect on both long-wave models. Furthermore, point-actuated controls are efficient when stabilising the flat solution of both long-wave models. We extend our results to systems of coupled Kuramoto-Sivashinsky equations and to stochastic partial differential equations that arise by adding noise to the weakly nonlinear models.Open Acces

Nonlinear Trajectory Tracking Control for Marine Vessels with Additive Uncertainties

The paper presents a nonlinear control law for a marine vessel to track a reference trajectory. In the wake of theresults obtained in [19], an integrative approach is incorporated in the linear algebra methodology in order toreduce the effect of the uncertainty in the tracking error. This new approach does not increase the complexityof the design methodology. In addition, the zero convergence of tracking error under polynomial uncertaintiesis demonstrated. Simulation results under environmental disturbance and model mismatches are presentedand discussed.Fil: Serrano, Mario Emanuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; ArgentinaFil: Godoy Bordes, Sebastian Alejandro. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Gandolfo, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Mut, Vicente Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automática; ArgentinaFil: Scaglia, Gustavo Juan Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química; Argentin