Integrated control of active steering and electronic differentials in four wheel drive and steering vehicles

This thesis presents new results in the design and the integration of the active front/rear steering control with front/rear electronic differential in four wheel drive and steering vehicles; an application to vision based autonomous lane keeping control is also deployed. In four wheel steering vehicles it is shown that the lateral speed and yaw rate dynamics can be asymptotically decoupled by feeding back longitudinal speed and yaw rate measurements: lateral speed measurements or observers are not required. A proportional-integral (PI) active front steering control and a proportional-integral (PI) active rear steering control from the yaw rate error together with an additive feedforward reference signal for the vehicle sideslip angle can asymptotically decouple the lateral velocity and the yaw rate dynamics, that is the control can set arbitrary steady state values for lateral speed and yaw rate at any longitudinal speed; moreover the PI controls can suppress oscillatory behaviours by assigning real stable eigenvalues to the basic linear model of the vehicle steering dynamics for any value of longitudinal speed in understeering vehicles. The active front steering is also integrated with the front and rear active or semiactive electronically controlled differentials: the goal is to improve vehicle dynamics, by suppressing resonances and enlarging the bandwidth for the yaw rate tracking dynamics, and to reduce the driver effort. Moreover the control law on the electronically controlled differentials is designed in order to improve safety. The control strategy for the electronic differentials is not only aimed at keeping the wheel speed differences at desired values but it is also integrated with the active steering control action (a PI control on the yaw rate error) to produce a yaw moment, based on the yaw rate error, which improves the vehicle steering dynamics since the corresponding eigenvalues can be placed to be all real at every speed to prevent oscillations. The stability analysis is performed using both singular perturbation and Lyapunov techniques in the presence of small parameters which are due to the ratio between the moments of inertia of the wheels and of the vehicle. A control scheme which integrates the active steering action based on the yaw rate error with the lane keeping action based on lateral offsets is also analyzed. A nested PID steering control for lane keeping in vision based autonomous vehicles is designed to perform path following in the case of roads with a curvature which increases linearly with respect to time. No lateral speed measurement is used since it can be hardly measured with high cost and low accuracy and reliability. The designed control input is the steering wheel angle: it is computed on the basis of yaw rate measured by a gyroscope and the lateral offset measured by the vision system as the distance between the road centerline and a virtual point at a fixed distance from the vehicle. A PI active front steering control on the yaw rate tracking error is used to reject constant disturbances and the effect of uncertain parameters while improving vehicle steering dynamics. To integrate the additional lateral offset measure the yaw rate reference is viewed as the control signal in an external control loop: it is designed using a PID control (with an additive double integral action) on the lateral offset to reject the disturbances on the curvature which increase linearly with respect to time. To confirm the results and to explore the robustness all the controls are tested on CarSim vehicle model.

La tesi presenta nuovi risultati nel progetto integrato di sistemi di controllo per veicoli dotati di sterzatura attiva dell’asse anteriore e posteriore oppure veicoli dotati di differenziale elettronico e sterzatura attiva dell’asse anteriore. L’integrazione della sterzatura attiva dell’asse anteriore in veicoli autonomi dotati di visione artificiale è stata anch’essa analizzata. Per i veicoli con quattro ruote sterzanti si è mostrato che la dinamica della velocità laterale e quella di imbardata possono essere disaccoppiate asintoticamente rispetto ai relativi ingressi di riferimento senza dover ricorrere all’utilizzo di misure di accelerazione laterale, velocità laterale oppure osservatori per tali grandezze. Nella progettazione del controllo dei due angoli di sterzo si sono utilizzati due regolatori proporzionali integrali sulla misura d’errore della velocità di imbardata in aggiunta ad un ulteriore segnale di riferimento relativo alla velocità laterale. Il controllo proposto, oltre a disaccoppiare asintoticamente le dinamiche di sterzo, sopprime i tipici comportamenti oscillanti presenti nel modello semplificato della dinamica di sterzo del veicolo assegnando autovalori stabili e reali. Per veicoli dotati di differenziale elettronico, posto sia sull’asse anteriore che posteriore, si è proposta una legge di controllo in grado di integrare tale sistema con la sterzatura attiva dell’angolo di sterzo anteriore con l’obiettivo di migliorare la dinamica del veicolo, sopprimendo le oscillazioni ed allargando la banda passante per la dinamica della velocità di imbardata, ridurre il lavoro del pilota sull’asse di sterzo anteriore e migliorare la sicurezza del veicolo. La strategia di controllo dei differenziali non è limitata alla regolazione della differenza di velocità delle ruote sullo stesso assale ma è integrata con la sterzatura anteriore al fine di generare un momento di imbardata (un controllore proporzionale integrale sulla velocità di imbardata) in grado di migliorare la dinamica del veicolo riducendone le oscillazioni. L’analisi di stabilità è stata effettuata utilizzando sia la teoria delle perturbazioni singolari che Lyapunov. Si è inoltre proposto uno schema di integrazione della sterzatura attiva sull’asse anteriore in veicoli autonomi dotati di sistema di visione artificiale. Un sistemabasato su due controllori PID nidificati è stato proggettato per l’inseguimento di traiettorie stradali con un raggio di curvatura che cresce linearmente. In tale controllo un regolatore proporzionale-integrale all’errore di inseguimento della velocità di imbardata garantisce il miglioramento della dinamica del veicolo. Un secondo anello di controllo proporzionale-integrale-derivativo allo spostamento laterale rispetto alla linea di mezzeria, misurato dal sistema di visione, fornisce il riferimento per la velocità di imbardata all’anello di controllo interno. Per tutti i controlli proposti, al fine di validare i risultati ottenuti ed esplorare la robustezza e le prestazioni ottenute, si sono realizzate molte simulazioni nell’ ambiente di sviluppo offerto dal CarSim il quale include accurati modelli dinamici di autoveicoli.