Diseño y Validación de un Controlador Predictivo No lineal Basado en Modelo aplicado al Seguimiento de Trayectorias de Vehículos Autónomos - Sánchez Mateu, Marc; Gamba, Daniel S.; Pérez-Fernández, Javier; Cabrera-Carrillo, Juan Antonio; Castillo-Aguilar, Juan J. (Anales de Ingeniería Mecánica, 2025)
El campo de los vehículos y la conducción autónoma se encuentra inmerso en un rápido crecimiento y expansión. Es por ello, que en el presente artículo se pretende diseñar un controlador predictivo que sea capaz de calcular el ángulo de dirección óptimo para poder seguir una trayectoria genérica, además de realizar trayectorias como el cambio de carril o el doble cambio de carril. Este tipo de controladores necesitan de un modelo interno que represente la dinámica longitudinal, lateral y la guiñada con precisión, el cual se describe mediante un conjunto de ecuaciones diferenciales de segundo orden que describen dicho comportamiento dinámico. A diferencia de otros tipos de controladores, el controlador predictivo requiere de la resolución de un problema de optimización para obtener la acción de control. La función de coste característica de la optimización se compone de un conjunto de matrices que, en su totalidad, describen el comportamiento del controlador predictivo. Se destaca la importancia de recoger el comportamiento dinámico del modelo en su forma matricial. Para ello, se debe someter al conjunto de ecuaciones diferenciales a un proceso matemático de linealización, obteniendo la representación en espacio de estados del modelo. Una vez representado en su forma matricial, se construyen el resto de matrices de la optimización a partir de estas. En la resolución del problema de seguimiento de trayectorias, es habitual el uso de modelos de vehículo simplificados que asumen un comportamiento del neumático lineal. Donde las fuerzas laterales y longitudinales de estos son proporcionales al ángulo de deriva. La aplicación de los modelos simplificados y lineales tienen ciertas limitaciones para ángulos de deslizamientos muy elevados, donde el neumático pierde la linealidad en la que se fundamenta el modelo. Por tanto, estos modelos simplificados no reproducen adecuadamente el comportamiento del vehículo en situaciones de emergencia o maniobras evasivas. En el presente artículo, se propone el uso de un modelo no lineal basado en el modelo de neumático de Dugoff, el cual asume que la rigidez del neumático no es constante, y que es función de los ángulos de deslizamiento longitudinal y lateral de las ruedas. Finalmente, se realiza una comparativa con un controlador lineal, demostrando el potencial de aplicar un modelo más complejo al control de seguimiento de trayectorias. También se comparará el coste computacional de ambos y la capacidad de realizar simulaciones en tiempo real.