Discrete-time Robust PD Controlled System with DOB/CDOB Compensation for High Speed Autonomous Vehicle Path Following

要約

自律走行車両の経路追従性能は、重要な考慮事項の 1 つです。
この論文では、自律車両の経路追従性能を向上させるための、外乱オブザーバ (DOB) および通信外乱オブザーバ (CDOB) 補償を備えたロバストな PD 制御システムの離散時間設計について説明します。
DOB および CDOB 構造は常にデジタル デバイスに実装されますが、文献や以前の研究では通常、連続時間で設計されています。
ただし、ラピッド コントローラー プロトタイピング システムを使用して、連続時間設計ブロック図を対応する離散時間コントローラーに自動的に変換するには、高いサンプリング レートが必要です。
本論文では直接離散時間設計を行う。
デジタル PD フィードバック コントローラーは、提案されたパラメーター空間アプローチを使用して公称プラントに基づいて設計されています。
ゼロ次ホールド法を適用して、連続領域の公称プラント、DOB、CDOB 構造を離散化します。
離散時間 DOB は、車両質量、車両速度、道路とタイヤの摩擦係数などの車両パラメータの不確実性が存在し、横風力などの外乱を排除するモデル調整のため、ステアリングから経路追従エラー ループに組み込まれます。
一方、CAN バス ベースのセンサーとアクチュエータ コマンド インターフェイスからの時間遅延は、大きな負の位相角がプラント周波数応答に追加されるため、システム パフォーマンスの低下をもたらします。
離散時間 CDOB 補償制御システムは、遅延時間値の正確な知識が必要ない時間遅延補償に使用できます。
高速走行中のシミュレーション解析には、当社ラボのフォード フュージョン ハイブリッド自動運転研究車両の検証済みモデルが使用されます。
シミュレーション結果は、提案された離散時間 DOB および CDOB 構造による自律車両の経路追従性能の向上を首尾よく実証しました。

要約(オリジナル)

Autonomous vehicle path following performance is one of significant consideration. This paper presents discrete time design of robust PD controlled system with disturbance observer (DOB) and communication disturbance observer (CDOB) compensation to enhance autonomous vehicle path following performance. Although always implemented on digital devices, DOB and CDOB structure are usually designed in continuous time in the literature and also in our previous work. However, it requires high sampling rate for continuous-time design block diagram to automatically convert to corresponding discrete-time controller using rapid controller prototyping systems. In this paper, direct discrete time design is carried out. Digital PD feedback controller is designed based on the nominal plant using the proposed parameter space approach. Zero order hold method is applied to discretize the nominal plant, DOB and CDOB structure in continuous domain. Discrete time DOB is embedded into the steering to path following error loop for model regulation in the presence of uncertainty in vehicle parameters such as vehicle mass, vehicle speed and road-tire friction coefficient and rejecting external disturbance like crosswind force. On the other hand, time delay from CAN bus based sensor and actuator command interfaces results in degradation of system performance since large negative phase angles are added to the plant frequency response. Discrete time CDOB compensated control system can be used for time delay compensation where the accurate knowledge of delay time value is not necessary. A validated model of our lab Ford Fusion hybrid automated driving research vehicle is used for the simulation analysis while the vehicle is driving at high speed. Simulation results successfully demonstrate the improvement of autonomous vehicle path following performance with the proposed discrete time DOB and CDOB structure.

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