[論文レビュー] Trajectory Generation using Sharpness Continuous Dubins-like Paths with Applications in Control of Heavy Duty Vehicles

Rui Oliveira, Pedro F. Lima+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ステアリング角、変動率、加速度制限を直接強制することで、滑らかで連続微分可能なステアリングプロファイルを保証する、三次曲率に基づくスムーズ連続（SC）パスを導入する。この手法により、重装丁車両におけるより高速で安定したパス追従が可能となり、乗員の快適性が向上し、アクチュエータへの負荷が低減される。シミュレーションでは、従来のデュビンス法やクロソイドベースのパスを凌駕する性能を示した。

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.

研究の動機と目的

• 現在のパス計画手法が曲率制約のみを考慮しているのに対し、実際のステアリングアクチュエータのダイナミクスを考慮していないという限界を是正すること。
• 遅いアクチュエータダイナミクスを有する重装丁車両において、制御器の性能と乗員の快適性を向上させること。
• ステアリング角、変動率、加速度制限を直接強制する、計算効率の高い手法を開発すること。
• 自律走行重装丁車両における、リアルタイムでのオンライン軌道生成を可能にすること。
• 滑らかで実行可能かつ追従可能な車両運動をサポートする、G³連続パスフレームワークを提供すること。

提案手法

• 三次曲率セグメントと円弧を用いて、ステアリングプロファイルにおけるG³連続性を保証するスムーズ連続（SC）パスを提案する。
• 標準的な自転車モデルを用いて車両運動学をモデル化し、κ = tan(φ)/L により曲率をステアリング角に関連付ける。
• 曲率の微分ではなく、ステアリング角の大きさ、変動率（dφ/dt）、加速度（d²φ/dt²）に制約を直接課す。
• 直線部と曲がり部との間での滑らかな遷移を実現するために、三次曲率パスを構築ブロックとして用いる。
• 追従性能の評価のために、PID制御器を統合したフィードバック制御ループにパス生成を統合する。
• 横方向誤差と姿勢誤差を制御するためのフィードフォワードと比例フィードバックを備えたハイレベルパス追従制御器を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステアリングアクチュエータの制限（大きさ、変動率、加速度）を直接考慮するような軌道生成手法を開発可能か？
• RQ2 スムーズ連続パスによるG³連続性の強制が、制御器の追従性能と安定性にどのように影響するか？
• RQ3 従来の曲率制約パスと比較して、SCパスはアクチュエータへの負荷をどの程度低減し、乗員の快適性を向上させるか？
• RQ4 提案手法は、自律走行重装丁車両におけるオンライン利用に適したリアルタイム計算を達成できるか？
• RQ5 横方向誤差収束性と横方向ジャージャーの観点から、SCパスはCC（三次曲率）パスと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• SCパス手法は安定した制御器応答を示したが、CCパスでは曲がり中、横方向誤差が無制限に増大する不安定な挙動を示した。
• SCパスは著しく滑らかな横方向加速度プロファイルを達成し、ジャージャーを低減し、乗員の快適性を向上させた。
• SCパスの三次ステアリングプロファイルにより、連続した微分が保証され、追従性能が向上し、アクチュエータへのストレスが低減した。
• 本手法はリアルタイム計算能力を維持しており、複雑なモーションプランナにオンライン統合可能であった。
• 最大ステアリング角および変動率制限が同一の条件下でも、SCパスはCCパスよりも追従安定性と滑らかさの両面で優れていた。
• SCパスの定式化にステアリング角加速度制限を組み込むことで、より現実的で実行可能なアクチュエータ命令が得られた。