[논문 리뷰] Guaranteeing Consistency in a Motion Planning and Control Architecture Using a Kinematic Bicycle Model

Philip Polack, Florent Altché외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 23.

Vehicle Dynamics and Control SystemsEngineering참고 문헌 22인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 자율주행차 계획 및 제어에서 동적 타당성과 일관성을 보장하기 위해 10Hz 운동학적 자전거 모델 예측 제어(MPC)와 100Hz 피드백 제어 루프 PID 제어기를 결합한 방법을 제안한다. 속도와 횡가속도 제한(≤0.5μg)에 기반한 조향각 제약을 통해 모든 계획된 경로가 운동학 모델 하에서 유효하게 유지됨을 보장하며, 장애물 유무에 관계없이 고곡률 상황에서도 안전하고 타당한 추적을 가능하게 한다. 이는 고정밀 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자율주행차의 계획 및 제어 계층 간 불일치라는 핵심 안전 문제를 해결하기 위해.
• 운동학적 자전거 모델을 사용해 계획된 경로가 실제 차량 동역학 하에서도 동적으로 타당하게 유지되도록 보장하기 위해.
• 고주파 피드백 제어를 통해 외란 및 모델링 오차에 대한 강건성을 확보하기 위해.
• 모델 타당성 손실 없이 도로 기하학성과 마찰 한계에 기반한 안전하고 비보수적인 속도 적응을 가능하게 하기 위해.
• 소형 반경 곡선과 정적 장애물이 포함된 도전적인 조건에서 고정밀 시뮬레이션을 통해 아키텍처를 검증하기 위해.

제안 방법

• 운동 계획기는 최대 속도와 도로 곡률에 따라 예측 수평이 변하는 10Hz 운동학적 자전거 MPC를 사용한다.
• 동적 제약 조건을 통해 횡가속도를 ≤0.5μg(μ는 도로 마찰 계수)로 제한하여 운동학 모델이 항상 유효하도록 보장한다.
• 속도와 곡률에 기반해 조향각을 동적으로 제한하여 이 횡가속도 제약을 이행한다.
• 기본 경로를 추적하기 위해 100Hz 피드백 제어 루프 PID 제어기를 사용하여 외란 및 모델링 오차에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 지역적 속도 계획기 히우리스틱을 통해 곡률과 마찰에 기반한 안전한 속도를 계산하고 MPC를 안내한다.
• 기본 경로 추적 성능과 타당성 검증을 위해 PreScan 시뮬레이션에서 9 자유도 차량 동역학 및 타이어 마찰 원형 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간소화된 운동학 모델을 사용할 경우 계획 및 제어 계층 간 일관성이 어떻게 보장될 수 있는가?
• RQ2 실제 차량 동역학 하에서 운동학 자전거 모델이 유효하게 유지되기 위해 어떤 조향각 제약 조건이 필요한가?
• RQ3 장애물이 있는가 없는가에 관계없이 고곡률 상황에서 아키텍처의 성능은 어떠한가?
• RQ4 오픈 루프 제어에 비해 100Hz PID 제어기가 경로 추적 강건성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 모델 타당성 손실 없이 도로 기하학성에 기반해 안전하게 속도를 적응적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 시뮬레이션에서 횡가속도 ≤0.5μg를 강제 적용함으로써 운동 계획기가 항상 타당한 경로를 생성하였다. 이는 항상 모델 타당성을 보장하였다.
• 모든 테스트 시나리오에서 차량은 횡방향 경로 오차를 0.4m 이내로 유지하여 정확한 추적 성능을 입증하였다.
• 모든 시뮬레이션에서 MPC 계산 시간이 100ms 이내로 유지되어 실시간 요구 조건을 충족하였다.
• 저수준의 PID 제어기가 고가속도 횡력이 작용하는 좁은 곡선에서도 미끄러짐과 슬립을 효과적으로 방지하였다.
• 곡률과 마찰에 기반해 속도를 동적으로 적응시켜 과도하게 보수적인 행동을 피하는 데 성공하였다.
• 장애물이 없는 경우와 장애물을 만날 경우 모두 아키텍처는 강건성을 유지하였으며, 경로 추적 실패가 발생하지 않았다.