[논문 리뷰] Trajectory Generation using Sharpness Continuous Dubins-like Paths with Applications in Control of Heavy Duty Vehicles

Rui Oliveira, Pedro F. Lima외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 26.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 조향 각도, 속도 및 가속도 제한을 직접 강제하여 매끄럽고 연속적으로 미분 가능한 조향 프로파일을 보장하는 삼차 곡률 기반 경로인 스위프니스 연속성(Sharpness Continuous, SC) 경로를 도입한다. 이 방법은 무거운 차량에서 더 빠르고 안정적인 경로 추적을 가능하게 하며 승객의 편안함을 향상시키고 액추에이터의 노력도 줄여주며, 시뮬레이션에서 기존의 두빈스 및 클로토이드 기반 경로를 능가한다.

ABSTRACT

We present a trajectory generation framework for control of wheeled vehicles under steering actuator constraints. The motivation is smooth autonomous driving of heavy vehicles. The key idea is to take into account rate, and additionally, torque limitations of the steering actuator directly. Previous methods only take into account curvature rate limitations, which deal indirectly with steering rate limitations. We propose the new concept of Sharpness Continuous curves, which uses cubic and sigmoid curvature trajectories together with circular arcs to steer the vehicle. The obtained trajectories are characterized by a smooth and continuously differentiable steering angle profile. These trajectories provide low-level controllers with reference signals which are easier to track, resulting in improved performance. The smoothness of the obtained steering profiles also results in increased passenger comfort. The method is characterized by a fast computation time, which can be further speeded up through the use of simple pre-computations. We detail possible path planning applications of the method, and conduct simulations that show its advantages and real time capabilities.

연구 동기 및 목표

• 기존의 경로 계획 방법이 곡률 제약만 고려할 뿐 실제 조향 액추에이터의 동역학을 고려하지 않는 한계를 해결하기 위해.
• 느린 액추에이터 동역학을 가진 중량 차량에서 제어기 성능 향상과 승객의 편안함 향상을 위해.
• 조향 각도, 속도 및 가속도 제한을 직접 강제하는 계산 효율적인 방법을 개발하기 위해.
• 자율 주행 중량 차량을 위한 실시간 온라인 경로 생성을 가능하게 하기 위해.
• 매끄럽고 실현 가능하며 추적 가능한 차량 운동을 지원하는 G³-연속 경로 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 삼차 곡률 세그먼트와 원호를 사용하여 조향 프로파일에서 G³ 연속성을 보장하는 스위프니스 연속성(SC) 경로를 제안한다.
• κ = tan(φ)/L를 통해 조향 각도와 곡률을 연결한 표준 자전거 모델을 사용하여 차량 운동학을 모델링한다.
• 곡률 도함수에 대한 제약이 아니라, 조향 각도 크기, 속도(dφ/dt), 가속도(d²φ/dt²)에 직접 제약을 적용한다.
• 삼차 곡률 경로를 빌딩 블록으로 사용하여 직선 세그먼트와 회전 세그먼트 간의 매끄러운 전환을 달성한다.
• 추적 성능 평가를 위해 경로 생성을 피드백 제어 루프에 통합하고 PID 제어기를 사용한다.
• 횡방향 및 헤딩 오차를 조절하기 위해 피드포워드와 비례 피드백을 포함한 고수준 경로 추적 제어기를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조향 액추에이터의 크기, 속도 및 가속도 제한을 직접 고려하는 경로 생성 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ2 스위프니스 연속성 경로를 통해 G³ 연속성을 강제할 경우 제어기 추적 성능 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 곡률 제약 경로에 비해 SC 경로가 액추에이터의 노력 감소와 승객의 편안함 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 제안된 방법이 자율 주행 중량 차량의 온라인 사용을 위한 실시간 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ5 SC 경로는 CC(삼차 곡률) 경로와 비교해 횡방향 오차 수렴성과 횡방향 제트(jerk) 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• SC 경로 방법은 안정적인 제어기 반응을 보였지만, CC 경로는 회전 중 횡방향 오차가 무한대로 증가하는 불안정성을 보였다.
• SC 경로는 횡가속도 프로파일이 훨씬 매끄럽게 나타나 제트를 감소시키고 승객의 편안함을 향상시켰다.
• SC 경로의 삼차 조향 프로파일은 연속적인 도함수 덕분에 더 나은 추적 성능을 달성했으며, 액추에이터의 스트레스를 줄였다.
• 이 방법은 실시간 계산 능력을 유지하여 복잡한 운동 계획기와의 온라인 통합에 적합했다.
• 동일한 최대 조향 각도 및 속도 제약 조건 하에서도 SC 경로가 CC 경로보다 추적 안정성과 매끄러움 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• SC 경로 수식에 조향 각도 가속도 제한을 포함시킴으로써 더 현실적이고 실현 가능한 액추에이터 명령을 도출할 수 있었다.