Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving)

[EN] Nowadays, there are many electronic products that incorporate elements and features coming from the research in the field of mobile robotics. For instance, the well-known vacuum cleaning robot Roomba by iRobot, which belongs to the field of service robotics, one of the most active within the sector. There are also numerous autonomous robotic systems in industrial warehouses and plants. It is the case of Autonomous Guided Vehicles (AGVs), which are able to drive completely autonomously in very structured environments. Apart from industry and consumer electronics, within the automotive field there are some devices that give intelligence to the vehicle, derived in most cases from advances in mobile robotics. In fact, more and more often vehicles incorporate Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), such as navigation control with automatic speed regulation, lane change and overtaking assistant, automatic parking or collision warning, among other features. However, despite all the advances there are some problems that remain unresolved and can be improved. Collisions and rollovers stand out among the most common accidents of vehicles with manual or autonomous driving. In fact, it is almost impossible to guarantee driving without accidents in unstructured environments where vehicles share the space with other moving agents, such as other vehicles and pedestrians. That is why searching for techniques to improve safety in intelligent vehicles, either autonomous or manual-assisted driving, is still a trending topic within the robotics community. This thesis focuses on the design of tools and techniques for planning and control of intelligent vehicles in order to improve safety and comfort. The dissertation is divided into two parts, the first one on autonomous driving and the second one on manual-assisted driving. The main link between them is the use of clothoids as mathematical formulation for both trajectory generation and collision detection. Among the problems solved the following stand out: obstacle avoidance, rollover avoidance and advanced driver assistance to avoid collisions with pedestrians.[ES] En la actualidad se comercializan infinidad de productos de electrónica de consumo que incorporan elementos y características procedentes de avances en el sector de la robótica móvil. Por ejemplo, el conocido robot aspirador Roomba de la empresa iRobot, el cual pertenece al campo de la robótica de servicio, uno de los más activos en el sector. También hay numerosos sistemas robóticos autónomos en almacenes y plantas industriales. Es el caso de los vehículos autoguiados (AGVs), capaces de conducir de forma totalmente autónoma en entornos muy estructurados. Además de en la industria y en electrónica de consumo, dentro del campo de la automoción también existen dispositivos que dotan de cierta inteligencia al vehículo, derivados la mayoría de las veces de avances en robótica móvil. De hecho, cada vez con mayor frecuencia los vehículos incorporan sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), tales como control de navegación con regulación automática de velocidad, asistente de cambio de carril y adelantamiento, aparcamiento automático o aviso de colisión, entre otras prestaciones. No obstante, pese a todos los avances siguen existiendo problemas sin resolver y que pueden mejorarse. La colisión y el vuelco destacan entre los accidentes más comunes en vehículos con conducción tanto manual como autónoma. De hecho, la dificultad de conducir en entornos desestructurados compartiendo el espacio con otros agentes móviles, tales como coches o personas, hace casi imposible garantizar la conducción sin accidentes. Es por ello que la búsqueda de técnicas para mejorar la seguridad en vehículos inteligentes, ya sean de conducción autónoma o manual asistida, es un tema que siempre está en auge en la comunidad robótica. La presente tesis se centra en el diseño de herramientas y técnicas de planificación y control de vehículos inteligentes, para la mejora de la seguridad y el confort. La disertación se ha dividido en dos partes, la primera sobre conducción autónoma y la segunda sobre conducción manual asistida. El principal nexo de unión es el uso de clotoides como elemento de generación de trayectorias y detección de colisiones. Entre los problemas que se resuelven destacan la evitación de obstáculos, la evitación de vuelcos y la asistencia avanzada al conductor para evitar colisiones con peatones.[CA] En l'actualitat es comercialitzen infinitat de productes d'electrònica de consum que incorporen elements i característiques procedents d'avanços en el sector de la robòtica mòbil. Per exemple, el conegut robot aspirador Roomba de l'empresa iRobot, el qual pertany al camp de la robòtica de servici, un dels més actius en el sector. També hi ha nombrosos sistemes robòtics autònoms en magatzems i plantes industrials. És el cas dels vehicles autoguiats (AGVs), els quals són capaços de conduir de forma totalment autònoma en entorns molt estructurats. A més de en la indústria i en l'electrònica de consum, dins el camp de l'automoció també existeixen dispositius que doten al vehicle de certa intel·ligència, la majoria de les vegades derivats d'avanços en robòtica mòbil. De fet, cada vegada amb més freqüència els vehicles incorporen sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS per les sigles en anglés), com ara control de navegació amb regulació automàtica de velocitat, assistent de canvi de carril i avançament, aparcament automàtic o avís de col·lisió, entre altres prestacions. No obstant això, malgrat tots els avanços segueixen existint problemes sense resoldre i que poden millorar-se. La col·lisió i la bolcada destaquen entre els accidents més comuns en vehicles amb conducció tant manual com autònoma. De fet, la dificultat de conduir en entorns desestructurats compartint l'espai amb altres agents mòbils, tals com cotxes o persones, fa quasi impossible garantitzar la conducció sense accidents. És per això que la recerca de tècniques per millorar la seguretat en vehicles intel·ligents, ja siguen de conducció autònoma o manual assistida, és un tema que sempre està en auge a la comunitat robòtica. La present tesi es centra en el disseny d'eines i tècniques de planificació i control de vehicles intel·ligents, per a la millora de la seguretat i el confort. La dissertació s'ha dividit en dues parts, la primera sobre conducció autònoma i la segona sobre conducció manual assistida. El principal nexe d'unió és l'ús de clotoides com a element de generació de trajectòries i detecció de col·lisions. Entre els problemes que es resolen destaquen l'evitació d'obstacles, l'evitació de bolcades i l'assistència avançada al conductor per evitar col·lisions amb vianants.Girbés Juan, V. (2016). Clothoid-based Planning and Control in Intelligent Vehicles (Autonomous and Manual-Assisted Driving) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65072TESI

Discrete-time optimal preview control

There are many situations in which one can preview future reference signals, or future disturbances. Optimal Preview Control is concerned with designing controllers which use this preview to improve closed-loop performance. In this thesis a general preview control problem is presented which includes previewable disturbances, dynamic weighting functions, output feedback and nonpreviewable disturbances. It is then shown how a variety of problems may be cast as special cases of this general problem; of particular interest is the robust preview tracking problem and the problem of disturbance rejection with uncertainty in the previewed signal. . (', The general preview problem is solved in both the Fh and Beo settings. The H2 solution is a relatively straightforward extension ofpreviously known results, however, our contribution is to provide a single framework that may be used as a reference work when tackling a variety of preview problems. We also provide some new analysis concerning the maximum possible reduction in closed-loop H2 norm which accrues from the addition of preview action. / Name of candidate: Title of thesis: I DESCRIPTION OF THESIS Andrew Hazell Discrete-Time Optimal Preview Control The solution to the Hoo problem involves a completely new approach to Hoo preview control, in which the structure of the associated Riccati equation is exploited in order to find an efficient algorithm for computing the optimal controller. The problem tackled here is also more generic than those previously appearing in the literature. The above theory finds obvious applications in the design of controllers for autonomous vehicles, however, a particular class of nonlinearities found in typical vehicle models presents additional problems. The final chapters are concerned with a generic framework for implementing vehicle preview controllers, and also a'case study on preview control of a bicycle.Imperial Users onl

Actuators for Intelligent Electric Vehicles

This book details the advanced actuators for IEVs and the control algorithm design. In the actuator design, the configuration four-wheel independent drive/steering electric vehicles is reviewed. An in-wheel two-speed AMT with selectable one-way clutch is designed for IEV. Considering uncertainties, the optimization design for the planetary gear train of IEV is conducted. An electric power steering system is designed for IEV. In addition, advanced control algorithms are proposed in favour of active safety improvement. A supervision mechanism is applied to the segment drift control of autonomous driving. Double super-resolution network is used to design the intelligent driving algorithm. Torque distribution control technology and four-wheel steering technology are utilized for path tracking and adaptive cruise control. To advance the control accuracy, advanced estimation algorithms are studied in this book. The tyre-road peak friction coefficient under full slip rate range is identified based on the normalized tyre model. The pressure of the electro-hydraulic brake system is estimated based on signal fusion. Besides, a multi-semantic driver behaviour recognition model of autonomous vehicles is designed using confidence fusion mechanism. Moreover, a mono-vision based lateral localization system of low-cost autonomous vehicles is proposed with deep learning curb detection. To sum up, the discussed advanced actuators, control and estimation algorithms are beneficial to the active safety improvement of IEVs

Eleventh Annual Conference on Manual Control

Human operator performance and servomechanism analyses for manual vehicle control tasks are studied

Aerospace Medicine and Biology. A continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 244 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in February 1981. Aerospace medicine and aerobiology topics are included. Listings for physiological factors, astronaut performance, control theory, artificial intelligence, and cybernetics are included

Nineteenth Annual Conference on Manual Control

No abstract availabl

Model-Based Control Techniques for Automotive Applications

Two different topics are covered in the thesis. Model Predictive Control applied to the Motion Cueing Problem In the last years the interest about dynamic driving simulators is increasing and new commercial solutions are arising. Driving simulators play an important role in the development of new vehicles and advanced driver assistance devices: in fact, on the one hand, having a human driver on a driving simulator allows automotive manufacturers to bridge the gap between virtual prototyping and on-road testing during the vehicle development phase; on the other hand, novel driver assistance systems (such as advanced accident avoidance systems) can be safely tested by having the driver operating the vehicle in a virtual, highly realistic environment, while being exposed to hazardous situations. In both applications, it is crucial to faithfully reproduce in the simulator the driver's perception of forces acting on the vehicle and its acceleration. This has to be achieved while keeping the platform within its limited operation space. Such strategies go under the name of Motion Cueing Algorithms. In this work, a particular implementation of a Motion Cueing algorithm is described, that is based on Model Predictive Control technique. A distinctive feature of such approach is that it exploits a detailed model of the human vestibular system, and consequently differs from standard Motion Cueing strategies based on Washout Filters: such feature allows for better implementation of tilt coordination and more efficient handling of the platform limits. The algorithm has been evaluated in practice on a small-size, innovative platform, by performing tests with professional drivers. Results show that the MPC-based motion cueing algorithm allows to effectively handle the platform working area, to limit the presence of those platform movements that are typically associated with driver motion sickness, and to devise simple and intuitive tuning procedures. Moreover, the availability of an effective virtual driver allows the development of effective predictive strategies, and first simulation results are reported in the thesis. Control Techniques for a Hybrid Sport Motorcycle Reduction of the environmental impact of transportation systems is a world wide priority. Hybrid propulsion vehicles have proved to have a strong potential to this regard, and different four-wheels solutions have spread out in the market. Differently from cars, and even if they are considered the ideal solution for urban mobility, motorbikes and mopeds have not seen a wide application of hybrid propulsion yet, mostly due to the more strict constraints on available space and driving feeling. In the thesis, the problem of providing a commercial 125cc motorbike with a hybrid propulsion system is considered, by adding an electric engine to its standard internal combustion engine. The aim for the prototype is to use the electrical machine (directly keyed on the drive shaft) to obtain a torque boost during accelerations, improving and regularizing the supplied power while reducing the emissions. Two different control algorithms are proposed 1) the first is based on a standard heuristic with adaptive features, simpler to implement on the ECU for the prototype; 2) the second is a torque-split optimal-control strategy, managing the different contributions from the two engines. A crucial point is the implementation of a Simulink virtual environment, realized starting from a commercial tool, VI-BikeRealTime, to test the algorithms. The hybrid engine model has been implemented in the tool from scratch, as well as a simple battery model, derived directly from data-sheet characteristics by using polynomial interpolation. The simulation system is completed by a virtual rider and a tool for build test circuits. Results of the simulations on a realistic track are included, to evaluate the different performance of the two strategies in a closed loop environment (thanks to the virtual rider). The results from on-track tests of the real prototype, using the first control strategy, are reported too

Driver Attention Assessment from Gaze and Situational Variables

Fahrer, die der Fahrsituation nicht genügend Aufmerksamkeit widmen, stellen eine Gefahr für die Verkehrssicherheit dar. Dies liegt daran, dass in diesem Fall das Fahrvermögen der Betroffenen deutlich verringert ist, was in Folge zu einem erhöhten Unfallrisiko führt. Deshalb versprechen Systeme, die die Fahreraufmerksamkeit automatisch beurteilen und entsprechend warnen oder eingreifen können, eine große Verbesserung der Verkehrssicherheit. Hierbei ist aber eine genaue und echtzeitfähige Beurteilung der Fahreraufmerksamkeit bezüglich des damit verbundenen Unfallrisikos erforderlich. Diese Dissertation führt eine neue Methode zur Beurteilung von Fahreraufmerksamkeit im situativen Kontext ein. Es wird vorgeschlagen angemessenes Blickverhalten durch Blickstrategien in einem entscheidungstheoretischen Formalismus festzulegen. In diesem Ansatz werden Modelle der Fahrsit- uation sowie der Wahrnehmung und der Fahrzeugführung des Fahrers verwendet. Bisherige Arbeiten beurteilen Fahreraufmerksamkeit zumeist alleine anhand Fahr- und Blickverhaltens. Ein deutlicher Nachteil ist dabei, dass somit das Zusammenspiel aus Fahrerverhalten, Fahrsituation und Unfallrisiko vernachlässigt wird. Das ist umso gravierender, da bekannt ist, dass erfahrene Fahrer an die Fahrsituation abgestimmte Blickstrategien zeigen, die die Beeinträchtigung ihrer Fahrleistung abmildern können. Ähnliche Blickstrategien enstehen auf natürliche Art und Weise aus dem gewählten entscheidungstheoretischen Ansatz. In der Arbeit wird der entscheidungstheoretische Ansatz beispielhaft an der Fahraufgabe des Spurhaltens untersucht. Hier wird auf die Modellbildung, die Echtzeitberechnung, die passende Parametrisierung sowie auf die Evaluierung der Methode in der Anwendung in einem neuen Warnsystem eingegangen. Zuerst wird die Aufgabe des Spurhaltens bei einer Nebenaufgabe, die um die visuelle Aufmerksamkeit konkurriert, modelliert. Dazu wird ein Partially Observable Markov Decision Process (POMDP) verwendet, der ein kinematisches Model der Fahraufgabe, ein Model der sensorischen Eigenschaften des Fahrers sowie ein Modell der Nebenaufgabe enthält. Danach wird die Berechnung von Strategien in dem POMDP untersucht. Diese Strategien dienen dazu das angemessene Blickverhalten festzulegen. Schließlich wird die Wirklichkeitstreue dieser Strategien überprüft und der erforderliche Rechenaufwand analysiert. Zweitens wird die Wahl einer passenden Belohnungsfunktion betrachtet. Diese ist deswegen von Bedeutung, da sie schlussendlich das angemessene Blickverhalten festlegt. Es wird ein neues Verfahren der inversen optimalen Steuerung entwickelt, das es vermag Parameter der Belohnungsfunktion aus dem Verhalten erfahrener Fahrer zu schätzen. In einem Experiment im Realverkehr erhobenes Fahrerverhalten wird benutzt um die entwickelte Methode hinsichtlich der Genauigkeit in der Verhaltensvorhersage zu prüfen. Die vorliegende Arbeit untersucht drittens die Schätzung von Modellen der sensorischen Eigenschaften von Fahrern. Dazu wird der erste allgemeine Ansatz für dieses Inferenzproblem in sequenziellen Entscheidungsproblemen vorgestellt. Darauffolgend wird eine Umsetzung des Ansatzes für den vorherig eingeführten POMDP entwickelt. Das resultierende Verfahren wird mittels Fahrverhaltensdaten aus einem weiteren Fahrversuch geprüft. Schließlich wird viertens die Entwicklung eines Warnsystems und dessen Einbindung in ein Versuchsfahrzeug verfolgt. Das System zielt darauf ab den Fahrer bei der Aufrechterhaltung von genügen Aufmerksamkeit zu unterstützen. In einem abschließenden Nutzertest wird das entwickelte System mit einem Warnsystem nach dem aktuellen Stand der Technik verglichen, wobei sowohl die Akzeptanz durch die Nutzer als auch die Auswirkungen auf die Fahrleistung untersucht werden. Im Ganzen verdeutlicht diese Arbeit die Umsetzbarkeit und die Vorteile des verfolgten Ansatzes des angemessenen Blickverhaltens für die automatische Bewertung von Fahreraufmerksamkeit. Es wurde gezeigt, dass der benötigte Rechenaufwand eine Echtzeitanwendung zulässt und dass geeignete Modellparameter automatisch geschätzt werden können. Schließlich wurde die Verbesserung eines Ablenkungswarnsystems belegt. Folglich stellt die Methodologie, die in dieser Arbeit eingeführt wurde, einen vielversprechenden neuen Ansatz zur Bewertung von Fahreraufmerksamkeit dar, der die Probleme des aktuellen Standes der Technik vermeidet

Proceedings of the Seventeenth Annual Conference on Manual Control

Manual control is considered, with concentration on perceptive/cognitive man-machine interaction and interface

Benelux meeting on systems and control, 23rd, March 17-19, 2004, Helvoirt, The Netherlands

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