Trends in vehicle motion control for automated driving on public roads

In this paper, we describe how vehicle systems and the vehicle motion control are affected by automated driving on public roads. We describe the redundancy needed for a road vehicle to meet certain safety goals. The concept of system safety as well as system solutions to fault tolerant actuation of steering and braking and the associated fault tolerant power supply is described. Notably restriction of the operational domain in case of reduced capability of the driving automation system is discussed. Further we consider path tracking, state estimation of vehicle motion control required for automated driving as well as an example of a minimum risk manoeuver and redundant steering by means of differential braking. The steering by differential braking could offer heterogeneous or dissimilar redundancy that complements the redundancy of described fault tolerant steering systems for driving automation equipped vehicles. Finally, the important topic of verification of driving automation systems is addressed

Automated driving and autonomous functions on road vehicles

In recent years, road vehicle automation has become an important and popular topic for research and development in both academic and industrial spheres. New developments received extensive coverage in the popular press, and it may be said that the topic has captured the public imagination. Indeed, the topic has generated interest across a wide range of academic, industry and governmental communities, well beyond vehicle engineering; these include computer science, transportation, urban planning, legal, social science and psychology. While this follows a similar surge of interest – and subsequent hiatus – of Automated Highway Systems in the 1990’s, the current level of interest is substantially greater, and current expectations are high. It is common to frame the new technologies under the banner of “self-driving cars” – robotic systems potentially taking over the entire role of the human driver, a capability that does not fully exist at present. However, this single vision leads one to ignore the existing range of automated systems that are both feasible and useful. Recent developments are underpinned by substantial and long-term trends in “computerisation” of the automobile, with developments in sensors, actuators and control technologies to spur the new developments in both industry and academia. In this paper we review the evolution of the intelligent vehicle and the supporting technologies with a focus on the progress and key challenges for vehicle system dynamics. A number of relevant themes around driving automation are explored in this article, with special focus on those most relevant to the underlying vehicle system dynamics. One conclusion is that increased precision is needed in sensing and controlling vehicle motions, a trend that can mimic that of the aerospace industry, and similarly benefit from increased use of redundant by-wire actuators

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

Design and validation of decision and control systems in automated driving

xxvi, 148 p.En la última década ha surgido una tendencia creciente hacia la automatización de los vehículos, generando un cambio significativo en la movilidad, que afectará profundamente el modo de vida de las personas, la logística de mercancías y otros sectores dependientes del transporte. En el desarrollo de la conducción automatizada en entornos estructurados, la seguridad y el confort, como parte de las nuevas funcionalidades de la conducción, aún no se describen de forma estandarizada. Dado que los métodos de prueba utilizan cada vez más las técnicas de simulación, los desarrollos existentes deben adaptarse a este proceso. Por ejemplo, dado que las tecnologías de seguimiento de trayectorias son habilitadores esenciales, se deben aplicar verificaciones exhaustivas en aplicaciones relacionadas como el control de movimiento del vehículo y la estimación de parámetros. Además, las tecnologías en el vehículo deben ser lo suficientemente robustas para cumplir con los requisitos de seguridad, mejorando la redundancia y respaldar una operación a prueba de fallos. Considerando las premisas mencionadas, esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el diseño y la implementación de un marco para lograr Sistemas de Conducción Automatizados (ADS) considerando aspectos cruciales, como la ejecución en tiempo real, la robustez, el rango operativo y el ajuste sencillo de parámetros. Para desarrollar las aportaciones relacionadas con este trabajo, se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual en tecnologías de alta automatización de conducción. Luego, se propone un método de dos pasos que aborda la validación de ambos modelos de vehículos de simulación y ADS. Se introducen nuevas formulaciones predictivas basadas en modelos para mejorar la seguridad y el confort en el proceso de seguimiento de trayectorias. Por último, se evalúan escenarios de mal funcionamiento para mejorar la seguridad en entornos urbanos, proponiendo una estrategia alternativa de estimación de posicionamiento para minimizar las condiciones de riesgo

K-BMPC: Derivative-based Koopman Bilinear Model Predictive Control For Tractor-trailer Trajectory Tracking With Unknown Parameters

Nonlinear dynamics bring difficulties to controller design for control-affine systems such as tractor-trailer vehicles, especially when the parameters in dynamics are unknown. To address this constraint, we propose a derivative-based lifting function construction method, show that the corresponding infinite dimensional Koopman bilinear model over the lifting function is equivalent to the original control-affine system. Further, we analyze the propagation and bounds of state prediction errors caused by the the truncation in derivative order. The identified finite dimensional Koopman bilinear model would serve as predictive model in next step. Koopman Bilinear Model Predictive control (K-BMPC) is proposed to solve the trajectory tracking problem. We linearize the bilinear model around the estimation of the lifted state and control input. Then the bilinear Model Predictive Control problem is approximated by a quadratic programming problem. Further, the estimation is updated at each iteration until the convergence is reached. Moreover, we implement our algorithm on a tractor-trailer dynamic system, taking into account the longitudinal and side slip effects. The open-loop simulation shows the proposed Koopman bilinear model captures the dynamics with unknown parameters and has good prediction performance. Closed loop tracking results show the proposed K-BMPC exhibits elevated tracking precision along with commendable computational efficiency. The experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method

Cloud Control of Connected Vehicle under Bi-directional Time-varying delay: An Application of Predictor-observer Structured Controller

This article is devoted to addressing the cloud control of connected vehicles, specifically focusing on analyzing the effect of bi-directional communication-induced delays. To mitigate the adverse effects of such delays, a novel predictor-observer structured controller is proposed which compensate for both measurable output delays and unmeasurable, yet bounded, input delays simultaneously. The study begins by novelly constructing an equivalent delay-free inter-connected system model that incorporates the Predictor-Observer controller, considering certain delay boundaries and model uncertainties. Subsequently, a stability analysis is conducted to assess the system's robustness under these conditions. Next, the connected vehicle lateral control scenario is built which contain high-fidelity vehicle dynamic model. The results demonstrate the controller's ability to accurately predict the system states, even under time-varying bi-directional delays. Finally, the proposed method is deployed in a real connected vehicle lateral control system. Comparative tests with a conventional linear feedback controller showcase significantly improved control performance under dominant bi-directional delay conditions, affirming the superiority of the proposed method against the delay