[논문 리뷰] Gain Scheduling LPV Control Scheme for the Autonomous Guidance Problem using a Dynamic Modelling Approach

Eugenio Alcalá, Vicenç Puig외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

Vehicle Dynamics and Control Systems참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 운전 경로의 기하학적 특성과 차량의 동적 거동을 별도로 모델링하여 종방향 및 횡방향 제어를 분리한 캐스케이드 제어 구조를 통해 자율 주행 차량의 가속도 스케줄링 LPV 제어 기법을 제안한다. 내부 동적 제어기(내부 루프)가 외부 운동학적 제어기(외부 루프)보다 더 빠르게 작동하도록 하여 두 개의 작은 LMI-LQR 문제를 별도로 해결함으로써 안정성과 성능을 향상시키며, 시뮬레이션된 도심 환경에서 0.5 km/h 이하의 속도 오차와 1미터 이내의 횡방향 오차를 달성하였다.

ABSTRACT

This work proposes a solution for the longitudinal and lateral control problem of urban autonomous vehicles using a gain scheduling LPV control approach. Using the kinematic and dynamic vehicle models, a linear parameter varying (LPV) representation is adopted and a cascade control methodology is proposed for controlling both vehicle behaviours. In particular, for the control design, the use of both models separately lead to solve two LPV LMI-LQR problems. Furthermore, to achieve the desired levels of performance, an approach based on cascade design of the the kinematic and dynamic controllers has been proposed. This cascade control scheme is based on the idea that the dynamic closed loop behaviour is designed to be faster than the kinematic closed loop one. The obtained gain scheduling LPV control approach, jointly with a trajectory generation module, has presented suitable results in a simulated city driving scenario.

연구 동기 및 목표

• 교통, 인프라 및 안전 제약 조건이 증가하는 도심 환경에서 복잡한 자율 주행 가이던스 문제를 해결한다.
• 단일 모델 제어의 한계를 극복하기 위해 운동학적 및 동적 차량 거동을 분리하여 더 정확하고 안정적인 제어를 실현한다.
• 종방향 및 횡방향 제어의 복합성을 개선하기 위해 내부 동적 루프가 외부 운동학적 루프보다 더 빠르게 작동하도록 보장함으로써 성능과 내구성을 향상시킨다.
• 변동하는 차량 운행 조건을 처리하기 위해 선형행렬부등식(LMI) 기반 LQR 설계를 사용한 LPV 시스템용 확장 가능하고 모듈식인 제어 솔루션을 개발한다.
• 복잡하고 동적인 시나리오에서의 타당성과 성능을 입증하기 위해 실제 도심 주행 시뮬레이션을 통해 접근 방식을 검증한다.

제안 방법

• 차량의 선형 매개변수 변화(LPV) 표현을 운동학적 및 동적 모델을 별도로 사용하여 구성함으로써 서로 다른 시간 상수의 거동을 포괄한다.
• 운동학적 외부 루프(위치 및 방향 제어용)와 동적 내부 루프(속도 및 요행 속도 제어용)에 대해 독립적인 LMI-LQR 제어기를 설계하여 설계 과정을 단순화한다.
• 내부 동적 루프가 외부 운동학적 루프보다 더 빠르게 작동하도록 하여 안정성과 성능을 확보하는 캐스케이드 제어 아키텍처를 구현한다.
• 폐쇄 루프 근의 배치를 조정하고 원하는 일시적 응답을 확보하기 위해 감쇠율 제약 조건(η = 3을 동적 루프용, β = 0.5를 운동학적 루프용으로 설정한다).
• 제어 기법을 궤적 생성 모듈과 통합하여 도심 환경 시뮬레이션에서 제어기용 부드러운 기준 신호를 생성한다.
• 실제 도심 주행 조건에서의 속도, 위치 및 제어 입력 궤적에 대해 시뮬레이션 결과를 활용해 제어 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 단일 제어 프레임워크가 도심 자율 주행 시나리오에서 종방향 및 횡방향 차량 거동을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ2 운동학적 및 동적 모델을 별도로 사용하는 캐스케이드 LPV 제어 구조는 통합된 단일 제어기보다 성능과 안정성 면에서 향상되는가?
• RQ3 내부 루프의 동적 응답 속도를 더 빠르게 제약하는 것이 전체 시스템의 성능과 내구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LPV 모델에 적용된 LMI-LQR 기법이 다양한 차량 속도 및 회전 속도 조건에서 안정성과 성능을 얼마나 잘 보장할 수 있는가?
• RQ5 복잡하고 실제 도심 환경을 닮은 상황에서 도출된 제어 동작과 추적 오차는 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 운동학적-동적 캐스케이드 LPV 제어 기법은 최대 0.5 km/h 이내의 선형 속도 오차를 기록하여 경로 곡률 조건에서도 기준 속도를 효과적으로 추적함을 입증하였다.
• 적분 작용 덕분에 각속도 응답에서 성능 향상이 있었지만, 곡선을 빠져나가는 순간 기준 신호의 급격한 변화로 인해 약간의 오버슈트가 발생하였다.
• 정상 주행 조건에서는 종방향 위치 오차가 0.4 m 이내로 유지되어 안정 상태에서 우수한 경로 추적 성능을 보였다.
• 횡방향 위치 오차는 몇 십 센티미터 이내로 유지되었으며, 높은 속도나 높은 각속도 조건에서 약간 증가했지만 도심 주행에 있어 허용 가능한 수준을 유지하였다.
• 스티어링 제어 동작은 부드러운 행동을 보였지만, 종방향 및 횡방향 동역학 간의 높은 결합성과 전용 브레이크 제어 부재로 인해 곡선에 접근할 때 브레이킹 힘 신호가 급격하게 변화하였다.
• 폐쇄 루프 근 배치 결과, 두 제어기가 각각의 감쇠율 제약 조건(η = 3, β = 0.5)을 충족함을 확인하였으며, 이는 계층적 설계의 타당성과 안정적이고 신속한 내부 루프 동역학을 검증하였다.