Аналитический обзор подходов к управлению продольной и поперечной динамикой беспилотного автомобиля

Введение (постановка задачи и актуальность). Одной из важнейших задач при реализации движения беспилотного автомобиля, является управление исполнительными механизмами автомобиля для отработки запросов от регуляторов, отвечающих за планирование траектории движения. В настоящее время продольное управление динамикой осуществляется за счёт контроля момента на колёсах от силовой установки и тормозной системы, поперечное – рулевым управлением. В статье рассмотрены существующие подходы к управлению движением автомобилей различных уровней автономности, различные типы регуляторов с их преимуществами и недостатками.
Цель исследования – провести аналитический обзор используемых подходов управления продольной и поперечной динамикой беспилотного автомобиля, сопоставить закономерности используемых решений и теории автомобиля, обозначить основные проблемы управления динамикой беспилотного транспортного средства.
Методология и методы. Аналитический метод исследования: анализ отечественной и зарубежной технической литературы, предлагающей подходы к управлению исполнительными механизмами беспилотного автомобиля.
Результаты и научная новизна. Проведён анализ подходов при формировании алгоритмов управления исполнительными механизмами беспилотного автомобиля и сопоставлены закономерности используемых решений и теории автомобиля. В результате анализа сделан вывод, что отсутствуют подходы синтеза регулятора для управления исполнительными механизмами высокоавтоматизированного транспортного средства, структура которых теоретически обоснована при решении задачи управления с учётом теории автомобиля, принципов оптимального управления и принципов адаптивного управления.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при постановке задачи разработки систем управления нижнего уровня с применением функционала качества, в которой синтез регулятора проходит по результатам решения задачи управления на основе теории автомобиля, принципов оптимального управления и принципов адаптивного управления и структура регулятора теоретически обоснована.

1. National Highway Traffi c Safety Administration (NHTSA): Automated Driving Systems: A Vision for Safety. U.S. Department of Transportation, DOT HS 812 442, September 2017.

2. Гинцбург Л.Л. Устойчивость и управляемость автомобиля. Виртуальный анализ: монография. – М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2013 – 272 с.: ил.

3. Lienke C., Schmidt M., Wissing C., Keller M., Manna C., Nattermann T., Bertram T. Core components of automated driving – algorithms for situation analysis, decisionmaking, and trajectory planning. In: Bertram, T. (ed.): Automatisiertes Fahren 2019 (Tagungsband). Wiesbaden: Springer Vieweg, 2019. – P. 195–215.

4. Attia R., Orjuela R., Basset M. Longitudinal Control for Automated Vehicle Guidance // IFAC Proceeding Volumes. – 2012. – V. 45. – Iss. 30. – P. 65–71.

5. Rajamani R. Vehicle Dynamics and Control. – University of Minnesota, USA, 2006. – 497 р.

6. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. – Л.: «Энергия», 1975. – 416 с.

7. Samak C., Samak T., Kandhasamy S. Control Strategies for Autonomous Vehicles. Autonomous Systems Laboratory Department of Mechatronics Engineering SRM Institute of Science and Technology. URL: https://arxiv.org/pdf/2011.08729.pdf (дата обращения: 13.05.2022).

8. Filho C.M., Wolf D.F., Grassi V.Jr., Osorio F.S. Longitudinal and Lateral Control for Autonomous Ground Vehicles / IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV) June 8-11, 2014. – Dearborn, Michigan, USA.

9. Tiwari T., Agarwal S., Etar A. Controller Design for Autonomous Vehicle / 2021 International Conference on Advances in Electrical, Computing, Communication and Sustainable Technologies (ICAECT).

10. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления / Изд. 4-е, перераб. и доп. – СПб.: Профессия, 2003. – 752 с.

11. Jain Y.M. Comparison of Model-Predictive control and PID control for Adaptive Cruise Control of UW EcoCAR vehicle. A thesis submitted in partial fulfi llment of the requirements for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering, University of Washington, 2020.

12. Ko S.-J., Lee J.-J. Fuzzy Logic Based Adaptive Cruise Control with Guaranteed String Stability / International Conference on Control, Automation and Systems. – Oct. 17-20, 2007 in COEX, Seoul, Korea.

13. Kim H.M., Dickerson J., Kosko B. Fuzzy throttle and brake control for platoons of smart cars // Fuzzy Sets and Systems. – 1996. – Р. 209–234.

14. Sheikholeslam S., Charles A. Longitudinal Control of a Platoon of Vehicles with no Communication of Lead Vehicle Information: A System Level Study // IEEE Trans. Veh. Technol. – 1993. – V. 42. – P. 546–554.

15. Petin V.V., Keller A.V. Description and tests of a control system for automatic emergency braking of a car with an algorithm for predicting the adhesion of automobile tires to the road surface / Journal of Physics: Conference Series: International Conference on Actual Issues of Mechanical Engineering (AIME 2021), Novorossiysk, 15–16 июня 2021 года / IOP Publishing. – Novorossiysk: IOP Publishing LTD, Temple Circus, Temple Way, Bristol, England, BS1 6BE, 2021. – P. 012100. – EDN GEHHTU.

16. Cai L., Rad A., Chan W. An Intelligent Longitudinal Controller for Application in Semiautonomous Vehicles // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2010. – V. 57. – P. 1487–1497.

17. Ferrera A., Pisu P. Minimum Sensor Second-Order Sliding Mode Longitudinal Control of Passenger Vehicles // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. – 2004. – V. 5, no. 1, march.

18. Devineau G., Polack P., Altche F., Fabien M. Coupled Longitudinal and Lateral Control of a Vehicle using Deep Learning / 21st International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2018.

19. Dominguez S., Alan Ali A., Garcia G., Martinet P. Comparison of lateral controllers for autonomous vehicle: experimental results / 2016 IEEE 19th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC) Windsor Oceanico Hotel, Rio de Janeiro, Brazil, November 1-4, 2016.

20. Canale M., Fagiano L., Ferrara A., Vecchio C. Vehicle Yaw Control via Second-Order Sliding-Mode Technique // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2008. – V. 55, no. 11. – P. 3908–3916.

21. Chaib S., Netto M.S., Mammar S. H∞, adaptive, PID and fuzzy control: a comparison of controllers for vehicle lane keeping / Intelligent Vehicles Symposium. – 2004. – P. 139–144.

22. Snider J.M. Automatic Steering Methods for Autonomous Automobile Path Tracking. tech. report CMURI- TR-09-08, Robotics Institute, Carnegie Mellon University, February, 2009.

23. Шадрин С.С. Методология создания систем управления движением автономных колёсных транспортных средств, интегрированных в интеллектуальную транспортную среду. Дисс. … д-ра техн. наук. – М.: МАДИ, 2017. – 400 с.

24. Бузников С.Е., Ендачев Д.В., Елкин Д.С., Струков В.О. Задача стабилизации беспилотного транспортного средства на заданной траектории / Международный автомобильный научный форум МАНФ-2017 «Интеллектуальные транспортные системы»: сборник трудов конференции, Москва, 18–19 октября 2017 года. – М.: ФГУП «НАМИ», 2017. – С. 166–177.

25. Chebly A., Taji R., Charara A. Coupled Longitudinal and Lateral Control for an Autonomous Vehicle Dynamics Modeled Using a Robotics Formalism, IFAC PapersOnLine 50-1 (2017) 12526-125-32.

26. Bae I., Moon J., Cha J. Integrated Lateral and Longitudinal Control System for Autonomous Vehicles / IEEE 17th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC) October 8-11, 2014. – Qingdao, China.

27. Zhao J., El Kamel A. Integrated Longitudinal and Lateral Control System Design for Autonomous Vehicles // IFAC Proceeding Volumes. – 2009. – V. 42. – Iss. 19. – P. 496–501.

28. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. – М: Высш. шк., 1989. – 263 с.