Control de seguimiento de trayectoria durante maniobras evasivas de un vehículo usando MPC-offline y vectorización de par

Resumen

El desarrollo de sistemas de automatización de la conducción ha aumentado considerablemente en los últimos años, buscando soluciones enfocadas principalmente en reducir el número y la gravedad de los accidentes de tráfico y disminuir el impacto medioambiental en el sector del transporte. Uno de los aspectos que más afectan al comportamiento del vehículo es cómo se realiza el control longitudinal y lateral del mismo para realizar el seguimiento de una trayectoria preplanificada. La mayoría de trabajos en este ámbito se enfocan en el diseño de controladores que trabajan en condiciones normales de conducción. Sin embargo, en el caso de situaciones de emergencia como maniobras evasivas, es necesario tener en cuenta la alta no-linealidad y el acoplamiento de las dinámicas longitudinal y lateral del vehículo, lo que transforma el problema de control en un reto complejo.

El control predictivo basado en modelo, o “Model Predictive Control” (MPC), es una de las estrategias de control más usadas para el seguimiento de trayectoria de vehículos. Sin embargo, a medida que se requiere mayor fiabilidad en situaciones de conducción críticas, la complejidad de los modelos de vehículo aumenta junto con el tiempo de procesamiento “online”. Esto último puede comprometer la seguridad del vehículo en situaciones donde se requiere una respuesta muy rápida del controlador. Además, en maniobras evasivas de emergencia el vehículo se mueve cerca del límite de la estabilidad. Las acciones de control que se aplican en cada momento (giro de volante y par total aplicado en las ruedas) deben asegurar el mínimo error de seguimiento a la vez que se mantiene el vehículo dentro del límite de adherencia.

En vista de las anteriores razones, se propone el diseño de un controlador MPC “offline” de seguimiento de trayectoria basado en un modelo combinado de vehículo con vectorización de par para su aplicación en maniobras evasivas de emergencia. La estabilidad del sistema en bucle cerrado se ha asegurado mediante un análisis de estabilidad usando funciones de Lyapunov y basado en la teoría de las elipses robustamente invariantes, obteniendo ganancias de control para un amplio rango de estados del vehículo. En tiempo real, el control se realiza en dos etapas.  En primer lugar, se lleva a cabo una programación de ganancias en función de las mediciones y estimaciones de los estados del vehículo para generar el giro de las ruedas delanteras y el par necesarios para seguir la trayectoria y la velocidad de referencia. En la segunda etapa, se calcula el momento de guiñada necesario para reducir el error con la trayectoria de referencia sin que el vehículo sobrepase el límite de manejo mediante un control combinado de la velocidad de guiñada y el ángulo de deriva del vehículo. Por último, el par total calculado en la primera etapa se distribuye entre las cuatro ruedas para generar el momento de guiñada deseado. Se han realizado simulaciones en el software de simulación de dinámica vehicular Carsim donde se ha podido comprobar la superioridad del sistema de control propuesto en maniobras evasivas (doble cambio de carril) con asfalto húmedo frente a un control de seguimiento de trayectoria sin vectorización de par.