[論文レビュー] Nonholonomic dynamics and control of road vehicles: moving toward automation

Wubing B. Qin, Yiming Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Vehicle Dynamics and Control Systems参考文献 73被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、状態変数を最小限に抑え、運動制約を排除することで、自動運転車両向けに低コストで高精度な制御を可能にする、Appellian手法を用いた非ホロノミック車両動力学モデルの導出を提案する。この手法により、特異性のない運動方程式が得られ、微分平坦性を満たすため、計算遅延が最小限の複雑な運動の計画と制御が可能となる。

ABSTRACT

Nonholonomic models of automobiles are developed by utilizing tools of analytical mechanics, in particular the Appellian approach that allows one to describe the vehicle dynamics with minimum number of time-dependent state variables. The models are categorized based on how they represent the wheel-ground contact, whether they incorporate the longitudinal dynamics, and whether they consider the steering dynamics. It is demonstrated that the developed models can be used to design low-complexity controllers that enable automated vehicles to execute a large variety of maneuvers with high precision.

研究の動機と目的

• Appellian手法を用いて、最小限の状態変数で非ホロノミック車両モデルを構築すること。
• 動的変数の低減により運動制約を排除し、計算コストの高い最適化を回避すること。
• 高精度な操舵性能を確保する低コスト非線形制御器を、自動車向けに設計すること。
• 微分平坦性と経路座標形式を活用することで、高速かつリアルタイムな制御を実現すること。
• 過渡応答とロバストネスを考慮することで、理論的制御と実際の実装のギャップを埋めること。

提案手法

• 反力の制約を回避するため、最小動的変数を用いて運動方程式をAppellian手法で導出する。
• 剛体スケートと点接触の車輪を用いて、車輪-地面接触をモデル化し、転がり条件を満たすための制約力の導出を行う。
• 経路座標に運動方程式を再定式化することで、経路追従制御の相対的位置決めを可能にする。
• 微分平坦性に基づく非線形制御器を構築し、計算コストを低減し、高速な評価を実現する。
• ラグランジュ力学を用いて非ホロノミック制約力を導出し、その後Appellian手法に再定式化することで特異性を回避する。
• 急な旋回を含む複雑な運動に対して制御器を検証し、最大12 m/s²の横加速度下でも高精度な追従を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解析的力学を用いて、非ホロノミック車両動力学を最小状態変数でどのようにモデル化できるか？
• RQ2 Appellian手法は運動制約を排除し、車両動力学における特異性のない運動方程式を導出できるか？
• RQ3 導出されたモデルの微分平坦性は、低コストな運動計画と制御をどのように可能にするか？
• RQ4 急な旋回などの高横加速度運動において、提案された制御器の性能はいかがなものか？
• RQ5 突然の車線変更などの過渡的イベントに対し、計算遅延なく制御器はどのように対応するか？

主な発見

• Appellian手法により、ラグランジュ形式で生じる特異性を回避した、非ホロノミック車両系の特異性のない運動方程式が成功裏に導出された。
• モデルは依然として微分平坦性を保持しており、計算オーバーヘッドを最小限に抑えた効率的な運動計画と低コスト制御器設計が可能となった。
• 経路座標に基づく制御器は、横加速度が最大12 m/s²に達する急な旋回においても、高精度な経路追従を達成した。
• 急な運動ではステアリング角が顕著に高くなる（例：100°以上）ことが確認され、モデルが極端な運動を処理できる能力を示した。
• タイトな旋回では横力と重量比が著しく増加し、トラクションの喪失を防ぐためにロバスト制御の必要性が浮き彫りになった。
• 本手法は、高精度なタイヤモデルやサスペンションダイナミクスと統合可能であり、低コスト制御器の性能検証が可能となった。