Diseño de un Controlador Tolerante a Fallos en la Dirección mediante Vectorización de Torque para Vehículos Eléctricos
Barra lateral del artículo
Contenido principal del artículo
Resumen
La seguridad en vehículos automóviles es un tema de creciente importancia especialmente ante el creciente desarrollo de sistemas electrónicos y de control avanzados, impulsados por el aumento del uso de los vehículos eléctricos y automatizados. Sin embargo, a medida que estos sistemas se vuelven más complejos por el incremento en la cantidad de componentes, la probabilidad de fallos también aumenta. Los potenciales fallos de funcionamiento en los actuadores, como el de dirección, pueden degradar el desempeño del vehículo, llegando incluso a comprometer la estabilidad y seguridad del mismo y por tanto de los pasajeros que lo ocupan.
En este contexto, el presente trabajo propone el diseño de un controlador tolerante a fallos basado en la dinámica lateral de un vehículo, capaz de corregir la trayectoria del vehículo cuando este se desvíe debido a un mal funcionamiento en el sistema de dirección. El controlador diseñado en condiciones normales se encarga del control de la dirección del vehículo mediante el actuador de dirección convencional. En el momento en el que se detecte un fallo en dicho actuador, el sistema activa una estrategia de control basada en la vectorización de par. El controlador proporciona el momento total que se debe aplicar sobre el eje vertical del vehículo y a través de acciones coordinadas de frenado y/o aceleración, aprovechando las características de un vehículo eléctrico, en el cual es posible distribuir el par de manera independiente a cada una de las ruedas del vehículo. De esta manera, el controlador actúa de forma adaptable, manteniendo el control del vehículo y corrigiendo su trayectoria al redistribuir el par entre las ruedas, incluso cuando el sistema de dirección no funciona en condiciones óptimas. El controlador es diseñado robusto frente a las perturbaciones y mediante teoría de Lyapunov y utilizando una estrategia de politopos para tener en cuenta las no-linealidades del sistema como son la velocidad y las rigideces a deriva de los neumáticos. Estas últimas, aunque no se pueden medir, se tienen en cuenta para el diseño del controlador. La estabilidad del sistema en bucle cerrado es estudiada tanto para las situaciones en los que se producen fallos, como en los que el sistema funciona correctamente. Además, el controlador requiere únicamente información fácilmente obtenible mediante los sensores que se encuentran en vehículo comerciales, facilitando de esta manera su implementación en vehículos reales.
Con el fin de validar la metodología propuesta, se realizan simulaciones utilizando el software de simulación de dinámica vehicular CarSim. Este programa permite modelar con precisión el comportamiento del vehículo en diversas condiciones de conducción. A través de estas simulaciones, realizadas en escenarios de conducción extrema donde una falla en el actuador podría afectar gravemente la estabilidad del vehículo, se exploran a fondo los límites operativos de la metodología propuesta
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
CC BY-NC-SA 4.0)
El lector puede compartir, copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato, siempre y cuando cumpla con las siguientes condiciones:
-
Atribución (BY): Debe dar crédito adecuado al autor original, proporcionando un enlace a la licencia y señalando si se han realizado cambios.
-
No Comercial (NC): No puede utilizar el material con fines comerciales. Esto significa que no puede venderlo ni obtener ganancias directas de su uso.
-
Compartir Igual (SA): Si adapta, transforma o construye sobre el material, debe distribuir sus contribuciones bajo la misma licencia que el original.
Recuerda que esta licencia no afecta los derechos legales del autor, como el derecho moral o las excepciones de uso justo.
Citas
F. Viadero-Monasterio, M. Meléndez-Useros, M. Jiménez-Salas, and B. L. Boada, “Robust Adaptive Heterogeneous Vehicle Platoon Control Based on Disturbances Estimation and Compensation,” IEEE Access, vol. 12, pp. 96924–96935, 2024, doi: 10.1109/ACCESS.2024.3428341.
F. Viadero‐Monasterio, M. Meléndez‐Useros, M. Jiménez‐Salas, and M. J. L. Boada, “Fault‐Tolerant Robust Output‐Feedback Control of a Vehicle Platoon Considering Measurement Noise and Road Disturbances,” IET Intell. Transp. Syst., vol. 19, no. 1, Jan. 2025, doi: 10.1049/itr2.70007.
Z. Wang, X. Qu, Q. Cai, F. Chu, J. Wang, and D. Shi, “Efficiency Analysis of Electric Vehicles with AMT and Dual-Motor Systems,” World Electr. Veh. J., vol. 15, no. 5, p. 182, Apr. 2024, doi: 10.3390/wevj15050182.
F. Viadero-Monasterio, R. Gutiérrez-Moizant, M. Meléndez-Useros, and M. J. López Boada, “Static Output Feedback Control for Vehicle Platoons with Robustness to Mass Uncertainty,” Electronics, vol. 14, no. 1, p. 139, Dec. 2024, doi: 10.3390/electronics14010139.
D. S. Puma-Benavides, J. de D. Calderon-Najera, J. Izquierdo-Reyes, R. Galluzzi, and E. A. Llanes-Cedeño, “Methodology to Improve an Extended-Range Electric Vehicle Module and Control Integration Based on Equivalent Consumption Minimization Strategy,” World Electr. Veh. J., vol. 15, no. 10, p. 439, Sep. 2024, doi: 10.3390/wevj15100439.
N. H. Amer et al., “Adaptive modified Stanley controller with fuzzy supervisory system for trajectory tracking of an autonomous armoured vehicle,” Rob. Auton. Syst., vol. 105, pp. 94–111, Jul. 2018, doi: 10.1016/j.robot.2018.03.006.
J. Zhao, X. Zhang, P. Shi, and Y. Liu, “Automatic Driving Control Method Based on Time Delay Dynamic Prediction,” 2017, pp. 443–453. doi: 10.1007/978-981-10-5230-9_43.
M. Moreno-Gonzalez, A. Artuñedo, J. Villagra, C. Join, and M. Fliess, “Speed-Adaptive Model-Free Path-Tracking Control for Autonomous Vehicles: Analysis and Design,” Vehicles, vol. 5, no. 2, pp. 698–717, Jun. 2023, doi: 10.3390/vehicles5020038.
S. Xu and H. Peng, “Design, Analysis, and Experiments of Preview Path Tracking Control for Autonomous Vehicles,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 21, no. 1, pp. 48–58, Jan. 2020, doi: 10.1109/TITS.2019.2892926.
F. Viadero-Monasterio, A.-T. Nguyen, J. Lauber, M. J. L. Boada, and B. L. Boada, “Event-Triggered Robust Path Tracking Control Considering Roll Stability Under Network-Induced Delays for Autonomous Vehicles,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 24, no. 12, pp. 14743–14756, Dec. 2023, doi: 10.1109/TITS.2023.3321415.
F. Viadero-Monasterio, M. Jimenez-Salas, M. Meléndez-Useros, B. L. Boada, and M. J. L. Boada, “Event-Triggered Fault-Tolerant Control for Vehicle Rollover Avoidance Based on an Active Suspension with Robustness Against Disturbances and Communication Delays,” 2024, pp. 795–805. doi: 10.1007/978-3-031-45709-8_77.
J. Guo, Y. Luo, C. Hu, C. Tao, and K. Li, “Robust Combined Lane Keeping and Direct Yaw Moment Control for Intelligent Electric Vehicles with Time Delay,” Int. J. Automot. Technol., vol. 20, no. 2, pp. 289–296, Apr. 2019, doi: 10.1007/s12239-019-0028-5.
H. Taghavifar and S. Rakheja, “Path-tracking of autonomous vehicles using a novel adaptive robust exponential-like-sliding-mode fuzzy type-2 neural network controller,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 130, pp. 41–55, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.ymssp.2019.04.060.
P. Stano et al., “Model predictive path tracking control for automated road vehicles: A review,” Annu. Rev. Control, vol. 55, pp. 194–236, 2023, doi: 10.1016/j.arcontrol.2022.11.001.
S. Yang, Y. Qian, W. Hu, J. Xu, and H. Sun, “Adaptive MPC-Based Lateral Path-Tracking Control for Automatic Vehicles,” World Electr. Veh. J., vol. 15, no. 3, p. 95, Mar. 2024, doi: 10.3390/wevj15030095.
F. Viadero-Monasterio, J. García, M. Meléndez-Useros, M. Jiménez-Salas, B. L. Boada, and M. J. López Boada, “Simultaneous Estimation of Vehicle Sideslip and Roll Angles Using an Event-Triggered-Based IoT Architecture,” Machines, vol. 12, no. 1, p. 53, Jan. 2024, doi: 10.3390/machines12010053.
F. Viadero-Monasterio, B. L. Boada, M. J. L. Boada, and V. Díaz, “H∞ dynamic output feedback control for a networked control active suspension system under actuator faults,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 162, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.ymssp.2021.108050.
F. Viadero-Monasterio, B. L. Boada, H. Zhang, and M. J. L. Boada, “Integral-based event triggering actuator fault-tolerant control for an active suspension system under a networked communication scheme,” IEEE Trans. Veh. Technol., pp. 1–13, 2023, doi: 10.1109/TVT.2023.3279460.
M. Meléndez-Useros, M. Jiménez-Salas, F. Viadero-Monasterio, and M. J. López-Boada, “Novel Methodology for Integrated Actuator and Sensors Fault Detection and Estimation in an Active Suspension System,” IEEE Trans. Reliab., pp. 1–14, 2024, doi: 10.1109/TR.2024.3389290.
X. Wu, C. Wei, H. Tian, W. Wang, and C. Jiang, “Fault-Tolerant Control for Path-Following of Independently Actuated Autonomous Vehicles Using Tube-Based Model Predictive Control,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 23, no. 11, pp. 20282–20297, Nov. 2022, doi: 10.1109/TITS.2022.3191755.
T. Chen, L. Chen, X. Xu, Y. Cai, H. Jiang, and X. Sun, “Passive fault-tolerant path following control of autonomous distributed drive electric vehicle considering steering system fault,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 123, pp. 298–315, May 2019, doi: 10.1016/j.ymssp.2019.01.019.
Y. Wang, C. Zong, H. Guo, and H. Chen, “Fault‐tolerant path‐following control for in‐wheel‐motor‐driven autonomous ground vehicles with differential steering,” Asian J. Control, vol. 22, no. 3, pp. 1230–1240, May 2020, doi: 10.1002/asjc.1976.
M. Meléndez-Useros, M. Jiménez-Salas, F. Viadero-Monasterio, and B. L. Boada, “Tire Slip H∞ Control for Optimal Braking Depending on Road Condition,” Sensors, vol. 23, no. 3, p. 1417, Jan. 2023, doi: 10.3390/s23031417.
K. Yang, X. Tang, Y. Qin, Y. Huang, H. Wang, and H. Pu, “Comparative Study of Trajectory Tracking Control for Automated Vehicles via Model Predictive Control and Robust H-infinity State Feedback Control,” Chinese J. Mech. Eng. (English Ed., vol. 34, no. 1, Dec. 2021, doi: 10.1186/s10033-021-00590-3.
Y. Wang, C. Zong, K. Li, and H. Chen, “Fault-tolerant control for in-wheel-motor-driven electric ground vehicles in discrete time,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 121, pp. 441–454, Apr. 2019, doi: 10.1016/j.ymssp.2018.11.030.