[논문 리뷰] A Fault-Tolerant Integrated Vehicle Stability Control Using Adaptive Control Allocation

Ozan Temiz, Melih Çakmakçı외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 13.

Vehicle Dynamics and Control Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 액추에이터 고장 상황에서도 차량 안정성을 유지하기 위해 적응형 제어 할당을 사용하는 고장 내성 통합 차량 안정성 제어 시스템을 제안한다. 고장 식별이 필요 없이 실시간으로 부속 액추에이터 간 제어 역할을 재분배하는 고수준 가상 제어 입력과 저수준 적응형 할당기 구조를 채택하여, 시뮬레이션에서 고장 조건 하에서 조향 시 최대 30% 높은 종방향 운동 속도와 35% 낮은 전복/경사 각도를 달성한다.

ABSTRACT

The focus of this paper is an integrated, fault-tolerant vehicle supervisory control algorithm for the overall stability of ground vehicles. Vehicle control systems contain many sensors and actuators that can communicate with each other over communication networks. The proposed supervisory control scheme is composed of a high-level controller that creates a virtual control input vector and a low-level control allocator that distributes the virtual control effort among redundant actuators. Virtual control input incorporates the required traction force, yaw, pitch, and roll moment corrections, and the lateral force correction to ensure stability while following a maneuvering reference initiated by the driver. Based on the virtual control input vector, the allocation module determines front steering angle correction, rear steering angle, traction forces at each tire, and active suspension forces. The proposed control framework distinguishes itself from earlier results in the literature by its ability to adapt to failures and uncertainties by updating its parameters online, without the need for fault identification. The control structure is validated in the simulation environment using a fourteen degree of freedom nonlinear vehicle model. Our results demonstrate that the proposed approach ensures that the vehicle follows references created by the driver despite the loss of actuator effectiveness up to 30% higher longitudinal maneuver velocity and approximately 35% lower roll and pitch angles during steering with representative driving scenarios.

연구 동기 및 목표

• 액추에이터 고장과 불확실성 상황에서도 차량 안정성을 보장하는 통합 감시 제어 프레임워크를 개발하는 것.
• 제어 할당기 내 온라인 파rameter 적응을 통해 고장 식별을 명시적으로 필요로 하지 않도록 하는 것.
• 최대 30%의 액추에이터 효율성 손실이 발생하더라도 고속 주행 및 복잡한 주행 환경에서 차량 안정성을 유지하는 것.
• 가상 제어 입력 벡터를 통한 통합 제어 목표(횡방향, 요, 경사, 전복 안정성)의 조율.
• 고정밀 비선형 차량 모델을 사용하여 실제 고장 조건 하에서 제어 프레임워크의 강인성과 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 고수준 제어기가 요구되는 牵引力, 요모멘트 보정, 경사 모멘트 보정, 횡방향 힘 조정을 통합한 가상 제어 입력 벡터를 생성한다.
• 적응형 제어 할당기가 앞뒤 조향각, 개별 타이어 牽引力, 활성 서스펜션 힘을 포함한 부속 액추에이터들 사이에 가상 제어 역할을 분배한다.
• 고장 식별이 필요 없이 액추에이터 고장과 불확실성에 대응하기 위해 온라인 파rameter 업데이트 법칙을 사용한다.
• 제어 구조는 실제 주행 조건을 시뮬레이션하기 위해 14 자유도 비선형 차량 동역학 모델 내에 구현된다.
• 고속 차선 변경 및 공격적인 주행 동작과 같은 대표적인 주행 시나리오를 사용하여 프레임워크를 검증한다.
• 적응 메커니즘이 액추에이터 효율성이 크게 감소하더라도 제어 권한을 효과적으로 재분배함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알 수 없는 액추에이터 고장 상황에서도 명시적 고장 식별이 없이 차량 안정성을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ2 제어 시스템이 제어 효율성이 감소할 경우에도 원하는 차량 동역학을 유지할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 조향, 牽引力 및 활성 서스펜션 제어의 통합이 고장 조건 하에서 전체 차량 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 제안된 적응형 할당을 통해 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가? 특히 전복 및 경사 각도 감소와 더 높은 주행 속도 측면에서.
• RQ5 액추에이터 효율성이 시간이 지남에 따라 떨어질 경우 적응형 제어 할당기는 어떻게 제어 권한과 안정성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 제어 시스템은 액추에이터 고장 조건 하에서도 운전자가 시작한 주행 동작을 최대 30% 높은 종방향 속도로 따라갈 수 있다.
• 고장 조건 하에서 조향 동작 중 전복 및 경사 각도가 기준 시나리오 대비 약 35% 감소하였다.
• 고장 식별이 필요 없이 온라인 파rameter 적응에 의존하여 안정성과 제어 성능을 유지하였다.
• 적응형 할당기는 부속 액추에이터들 사이에 제어 역할을 성공적으로 재분배하여 차량 조작성과 안전 여유를 유지하였다.
• 14 자유도 비선형 모델을 사용한 시뮬레이션 결과, 고속 차선 변경과 같은 다양한 주행 시나리오에서 강인함을 확인하였다.
• 통합 제어 프레임워크는 횡방향, 요, 경사 및 전복 안정성을 효과적으로 조율하여 고장 조건 하에서도 뛰어난 동적 반응을 보였다.