[論文レビュー] A Fault-Tolerant Integrated Vehicle Stability Control Using Adaptive Control Allocation

Ozan Temiz, Melih Çakmakçı+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Vehicle Dynamics and Control Systems被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、故障を許容する統合型車両安定化制御システムを提案し、制御配分の適応的アプローチを用いてアクチュエータ故障下でも車両の安定性を維持する。高レベルの仮想制御入力と低レベルの適応的アロケータを採用し、故障の特定を必要とせずリアルタイムで制御努力を冗長アクチュエータ間で再配分することで、シミュレーション上、故障状態における旋回時、縦方向の操舵速度が最大30%向上し、ロール/ピッチ角が35%低減された。

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.

研究の動機と目的

• アクチュエータ故障および不確実性下でも車両の安定性を保証する統合型監視制御フレームワークの開発。
• 制御アロケータにおけるオンラインパrameter適応を可能にすることで、故障の明示的同定を不要にする。
• 最大30%のアクチュエータ効率低下が生じても、高速走行時および複雑な走行シナリオ下での車両安定性の維持。
• 一様な仮想制御入力ベクトルを用いて、横方向、ヨー、ピッチ、ロール安定性の複数の制御目標を統合的に調整。
• 高精度非線形車両モデルを用いて、現実的な故障状態下での制御フレームワークのロバストネスおよび性能を検証。

提案手法

• 高レベル制御器が、必要な駆動力、ヨー・ピッチ・ロールモーメント補正、横方向力調整を統合した仮想制御入力ベクトルを生成する。
• 適応的制御アロケータが、フロントおよびリアステアリング角、個々のタイヤ駆動力、アクティブサスペンション力といった冗長アクチュエータ間で仮想制御努力を分配する。
• 故障検出や同定を必要とせず、オンラインパrameter更新則を用いてアクチュエータ故障および不確実性に適応する。
• 制御構造は、現実の走行状態を再現する14自由度非線形車両動力学モデル内に実装されている。
• 代表的な走行シナリオ、特に高速走行時の車線変更および攻撃的操舵を用いてフレームワークを検証した。
• 適応メカニズムにより、アクチュエータ効率が著しく低下しても制御権限が効果的に再配分された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 未知のアクチュエータ故障下でも、故障の明示的同定を要せず、車両の安定性をどのように維持できるか？
• RQ2 制御システムは、アクチュエータ効率が低下しても、所望の車両動態をどの程度維持できるか？
• RQ3 ステアリング、駆動力、アクティブサスペンション制御の統合は、故障状態下での総合的車両安定性をどのように向上させるか？
• RQ4 提案された適応的配分により、ロールおよびピッチ角の低減と、より高い操舵速度がどの程度達成可能か？
• RQ5 アクチュエータ効率が時間経過とともに低下する状況下でも、適応的制御アロケータは制御権限と安定性をどのように維持するか？

主な発見

• 提案された制御システムにより、アクチュエータ故障下でもドライバーの指示に従う走行が可能となり、縦方向の操舵速度が最大30%向上した。
• 故障状態下の旋回時、ロールおよびピッチ角はベースライン状況と比較して約35%低減された。
• 故障同定を必要とせず、オンラインパrameter適応に依存するだけで、安定性と制御性能を維持した。
• 適応的アロケータは、冗長アクチュエータ間で制御努力を効果的に再配分し、車両の操舵性と安全マージンを保持した。
• 14自由度非線形モデルを用いたシミュレーション結果により、高速走行時の車線変更を含む多様な走行シナリオでロバストネスが確認された。
• 統合制御フレームワークは、横方向、ヨー、ピッチ、ロール安定性を効果的に統合的に制御し、故障状態下でも優れた動的応答を示した。