[論文レビュー] Guaranteeing Consistency in a Motion Planning and Control Architecture Using a Kinematic Bicycle Model

Philip Polack, Florent Altché+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2018

Vehicle Dynamics and Control SystemsEngineering参考文献 22被引用数 20

ひとこと要約

本論文では、自律走行車両の計画と制御における動的妥当性と一貫性を保証するため、10Hzの運動計画法としての運動学的自転車モデルMPCと、100Hzの閉ループPID制御器を組み合わせた手法を提案する。速度と横方向加速度の制限（≤0.5μg）に基づくステアリング角の制約により、すべての計画された軌道が運動学的モデルのもとで有効であることが保証され、障害物有無を問わず高カーブ半径の状況でも安全かつ実行可能に追従可能であることが、高精細シミュレーションで検証された。

ABSTRACT

This paper proposes to combine a 10Hz motion planner based on a kinematic bicycle Model Predictive Control (MPC) and a 100Hz closed-loop Proportional-Integral-Derivative (PID) controller to cope with normal driving situations. Its novelty consists in ensuring the feasibility of the computed trajectory by the motion planner through a limitation of the steering angle depending on the speed. This ensures the validity of the kinematic bicycle model at any time. The architecture is tested on a high-fidelity simulation model on a challenging track with small curve radius, with and without surrounding obstacles.

研究の動機と目的

• 自律走行車両の計画層と制御層の間の不整合という重要な安全性の問題に対処すること。
• 運動学的自転車モデルを用いて計画された軌道が、実際の車両動的特性のもとでも動的に妥当であることを保証すること。
• 高周波の閉ループ制御により、外乱やモデル誤差に対して頑健性を維持すること。
• 道路の幾何形状と摩擦係数の制限に基づき、安全で非過剰な速度の適応を可能にし、モデルの有効性を損なわないこと。
• 小曲率半径のカーブや静的障害物を含む困難な条件下で、高精細シミュレーションを用いてアーキテクチャを検証すること。

提案手法

• 運動計画器は、最大速度と道路のカーブ半径に応じた予測時間窓を持つ10Hzの運動学的自転車MPCを用いる。
• 動的制約により横方向加速度が≤0.5μg（μは道路の摩擦係数）に制限され、運動学的モデルの有効性が保証される。
• 速度とカーブ半径に基づいてステアリング角を動的に制限することで、この横方向加速度制限を実現する。
• 100Hzの閉ループPID制御器が参照軌道を追従し、外乱やモデル誤差に対する頑健性が向上する。
• ヒューリスティックな局所速度計画器を用いて、カーブ半径と摩擦係数に基づき安全な速度を計算し、MPCの指針とする。
• PreScanシミュレーションでは、高精細な9自由度車両動的モデルとタイヤ摩擦円モデルを用い、妥当性と追従性能の両面で検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡略化された運動学的モデルを用いる場合、計画と制御の間の一貫性をどのように保証できるか？
• RQ2 実際の車両動的特性のもとで運動学的自転車モデルが有効であることを保証するためのステアリング角制約は何か？
• RQ3 障害物有無の両方の高カーブ半径シナリオにおいて、このアーキテクチャの性能はいかがであるか？
• RQ4 オープンループ制御と比較して、100HzのPID制御は追従の頑健性をどの程度向上させるか？
• RQ5 道路の幾何形状に基づき安全に速度を適応可能にできるか、動的妥当性を損なわないか？

主な発見

• 横方向加速度を常に≤0.5μgに制限することで、運動計画器は一貫して実行可能な軌道を生成し、モデルの有効性が常に保証された。
• すべてのテストシナリオにおいて、車両は横方向パス誤差を0.4 m未満に維持し、正確な追従が実現した。
• すべてのシミュレーションにおいてMPCの計算時間は100 ms未満に保たれ、リアルタイム要件を満たした。
• 低レベルのPID制御器は、高横力がかかるタイトなカーブでもスリップやスピンを効果的に防止した。
• カーブ半径と摩擦係数に基づき、速度を動的に適応可能にしたが、過剰に慎重になることはなかった。
• 障害物なし・障害物ありの両方のシナリオにおいて、アーキテクチャは頑健であり、軌道追従の失敗は一切発生しなかった。