مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی مسیر حرکت و کنترل یکپارچه بر اساس مدل دوچرخه غیرخطی خودرو برای تعویض خط خودکارِ سرعت بالا

نویسندگان
1 دانشجو دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران
2 استادیار، عضو هیئت علمی و معاون پژوهشی دانشکده مهندسی مکانیک / دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
3 استاد، عضو هیات علمی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
هدف این پژوهش توسعه یک سیستم کمک راننده پیشرفته برای هدایت یکپارچه طولی- عرضی خودرو در مانورهای تعویض خطِ سرعت بالا می باشد. عملکرد سیستم به این صورت است که در مرحله اول با در نظر گرفتن موقعیت خودرو هدف، محدوده سرعت مجاز جاده و محدوده شتاب طولی قابل ارائه توسط خودرو، چندین مسیر حرکت با شتاب های مختلف تولید می شوند. در ادامه با لحاظ نمودن دینامیک خودرو و دینامیک تایر، از میان مسیرهای تولید شده، مسیر مناسب انتخاب می گردد. بنابراین مسیر حرکت انتخابی، یک مسیر عاری از برخورد و قابل پیمایش خواهد بود. نظر به این که در روش پیشنهادی، محاسبات طراحی مسیر حرکت به صورت جبری انجام می شود، هزینه محاسباتی آن ناچیز بوده که از جنبه پیاده سازی عملی بسیار ارزشمند می باشد. در گام بعد با استفاده از یک کنترل کننده یکپارچه طولی- عرضی، ورودی های کنترلی محاسبه و به عملگرهای ترمز/گاز و فرمان ارسال می گردند. برای کنترل یکپارچه از تکنیک مود لغزشی استفاده شده است. لازم به ذکر است که هم در بحث طراحی مسیر حرکت و هم در بحث طراحی کنترل کننده یکپارچه، دینامیک غیر خطی تایر در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه سازی های انجام شده نشان می دهند که الگوریتم هدایت یکپارچه طولی- عرضی هم در حوزه طراحی مسیر حرکت و هم و در حوزه کنترل یکپارچه به خوبی عمل نموده است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Trajectory planning and integrated control with the Nonlinear Bicycle Model for high-speed autonomous lane change

نویسندگان English

Hadi Sazgar 1
Shahram Azadi 2
Reza Kazemi 3
1 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor and Faculty member in Department of Mechanical Engineering / KN. Toosi University of Technology
3 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The purpose of this research is to develop an advanced driver assistance system (ADAS) for the integrated longitudinal and lateral guidance of vehicles in high speed lane change maneuver. At the first step, the ADAS by considering the target vehicle position, the speed limit of the road and the available range of longitudinal acceleration produced several trajectories with different acceleration. Then, by considering vehicle and tire dynamics, the optimal trajectory is selected. Therefore, the chosen trajectory is collision free and feasible. Because the trajectory planning is carried out algebraically, its computational cost is low. This feature is very valuable in the experimental implementation. In the next step, using a combined longitudinal-lateral controller, the control inputs are calculated and transmitted to the brake/gas and steering actuators. The integrated controller design is based on sliding mode technique. Trajectory planning and controller design is based on a nonlinear tire model. Simulation results are presented and the results show the effectiveness of the integrated longitudinal and lateral guidance system.

کلیدواژه‌ها English

Advanced Driver Assistant System
High Speed Drives
Trajectory Planning
Integrated Longitudinal & Lateral Control
Nonlinear Bicycle Model
[1] Road traffic injuries, Accessed on 2 September 2017; http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs358/en/#content.
[2] Causes of collisions, Accessed on 2 September 2017; http://www.roadsafetymayo.ie/Causes of Collisions.
[3] In the last fourteen years, 315 thousand people have died as a result of road traffic crashes, Accessed on 5 October 2015; http://www.mehrnews.com/news/2933947. (in Persian فارسی(
[4] K. Bengler, K. Dietmayer, B. Farber, M. Maurer, C. Stiller, H. Winner, Three decades of driver assistance systems: review and future perspectives, IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine, Vol. 6, No. 4, pp. 6-22, 2014.
[5] Automated Driving, Accessed on 5 September 2017; https://www.vda.de/en/topics/innovation-and-technology/ automateddriving/automated-driving.
[6] R. Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, Second Edittion, pp. 15-46, New York: Springer, 2012.
[7] J. Jeon, R. V. Cowlagi, S. C. Peters, S. Karaman, E. Frazzoli, P. Tsiotras, K. Iagnemma, Optimal motion planning with the half-car dynamical model for autonomous high-speed drivin, Proceedings of The 2013 American Control Conference, USA, Washington, June 17-19, 2013.
[8] S. C. Peters, Optimal Planning and Control for Hazard Avoidance of FrontSteered Ground Vehicles, Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2012.
[9] E. Velenis, P. Tsiotras, J. Lu, Optimality properties and driver input parameterization for trail-braking cornering, Control, Vol. 14, No. 4, pp. 308–320, 2008.
[10] U. Kiencke, L. Nielsen, Automotive Control Systems, Second Edittion, pp. 301-349, Berlin: Springer, 2005.
[11] F. You, R. Zhang, G. Lie, H. Wang, H. Wen, J. Xu, Trajectory planning and tracking control for autonomous lane change maneuver based on the cooperative vehicle infrastructure system, Expert Systems with Applications, Vol. 42, No. 14, pp. 5932-5946, 2015.
[12] S. Samiee, The Design of Vehicle Control System with Drowsy Driver Based on Vehicle-Driver Interaction, Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, 2016. (in (فارسی Persian
[13] F. You, R. Zhang, G. Lie, H. Wang, H. Wen, J. Xu, Trajectory planning and tracking control for autonomous lane change maneuver based on the cooperative vehicle infrastructure system, Expert Systems with Applications, Vol. 42, No. 14, pp. 5932–5946, 2015.
[14] Y. Cong, O. Sawodny, Hong Chen, J. Zimmermann, A. Lutz, Motion planning for an autonomous vehicle driving on motorways by using flatness properties, Proceedings of The 2010 IEEE International Conference on Control Applications, Japan, Yokohama, September 8-10, 2010.
[15] X. Li, Z. Sun, Q. Zhu, D. Liu, A unified approach to local trajectory planning and control for autonomous driving along a reference path, Proceedings of The 2014 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, China, Tianjin, August 3-6, 2014.
[16] A. Cadkhodajafarian, A. Analooee, S. Azadi, R. Kazem, Collision-free navigation and control for autonomous vehicle in complex urban environments, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 277- 288, 2017. (in Persian فارسی(
[17] S. Shojaei, A. Rahmani Hanzaki, S. Azadi, M. Saeedi, Collision- Design of decision-making lane change algorithm of truck-semitrailer in real dynamic environment, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 9, pp. 351-360, 2017. (in Persian فارسی(
[18] E. Kayacan, H. Ramon, W. Saeys, Robust trajectory tracking error modelbased predictive control for unmanned ground vehicles, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 21, No. 2, pp. 806-814, 2016.
[19] P. Petrov, F. Nashashibi, Modeling and nonlinear adaptive control for autonomous vehicle overtaking, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, Vol. 15, No. 4, pp. 1643-1656, 2014.
[20] L. Nehaoua, L. Nouveliere, Backstepping based approach for the combined longitudinal-lateral vehicle control, Proceedings of The 2012 IEEE Intelligent Vehicles Symposium, Alcala de Henares, Spain, June, 3-7, 2012.
[21] J. Guo, P. Hu, R. Wang, Nonlinear coordinated steering and braking control of vision-based autonomous vehicles in emergency obstacle avoidance, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, Vol. 17, No. 11, pp. 1-11, 2016.
[22] J. Choi, K. Yi, J. Suh, B. Ko, Coordinated control of motor-driven power steering torque overlay and differential braking for emergency driving support, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 63, No. 2, pp. 566-579, 2014.
[23] R. Attia, R. Orjuela, M. Basset, Combined longitudinal and lateral control for automated vehicle guidance, Vehicle System Dynamics, Vol. 52, No. 2, pp. 261–279, 2014.
[24] J. Slotine, Sliding controller design for non-linear systems, Control, Vol. 40, No. 2, pp. 421-434, 1984.