Definice a Ochrana Obálky Stability a Bezpečnosti Vozidla

Abstract

Srovnáním historie leteckých a pozemních vozidel lze konstatovat rychlý růst komplexity a počítačového řízení letadel během posledních sedmdesáti let. Tento růst vychází z vysoké ceny každého letadla a jeho pilota a finančních toků na výzkumné účely během studené války. Tyto klíčové faktory v leteckém průmyslu vedly k zvyšení agilitu a složitosti letadel a zavedení řídicích algoritmů sloužících k redukci zátěže pilotů a tím redukci jejich chyb či selhání.Na druhou stranu se pozemní vozidla začala pomalu rozvíjet v posledních třech desetiletích, kdy byly poprvé zavedeny bezpečnostní algoritmy, jako jsou antiblokovací brzdové systémy, jako nutné vybavení pro každé vyrobené vozidlo. Automobily jdou stejnou cestou zlepšení jako letadla: od X-by-wire systémů přes přeaktuováné platformy (kde je počet aktuátorů větší, než je potřeba pro řízení, tj. nezávislé ovládání, brzdění a pohon kol) a definování bezpečnostní obálky (kde dynamika vozidla není ohrožena a jeho okolí nepředstavuje žádné nebezpečí) až po algoritmy ochrany obálky (které zlepšují lidské operace pro zvýšení bezpečnosti a stability vozidla).Tato disertace si klade za cíl poslední dva kroky, definuje obálku vozidlo-silnice a zavádí řídicí algoritmy k ochraně jejích hranic. Obálka vozidlo-silnice je strategicky rozdělena do dvou hlavních částí: řídíci a dopravního prostředi. První určuje stavy v prostoru dynamiky vozidla, kde každé kolo nebude zablokováno, přetáčeno ani nebude klouzat. Druhá část definuje bezpečné operační pozice, kde lze každé kolo umístit tak, aby se předešlo vyjetí ze silnice, kolizím s ostatními účastníky silničního provozu a jízdním nepravidelnostem, jako jsou díry nebo malé předměty na vozovce. Definice obálky se provádí vzhledem ke kolům, což umožňuje využití tohoto konceptu pro konfiguraci jakéhokoli automobilu (nebo jakékoli jiné platformy na kolech).Algoritmus ochrany řídící obálky lze použít jako integrovaný kontrolér, který plní funkci protiblokovacího brzdového systému, trakčního řízení, elektronického programu stability a systémů řízení rozjezdu. Stejně tak algoritmus ochrany obálky dopravního prostředi lze použít jako integrovaný systém udržování jízdního pruhu a vyhýbání se kolizím. Nicméně může být také využíván pro polo-automatizovanou jízdu na běžných vozovkách i v terénu.

Comparing the history of aerospace and ground vehicles, one can admit the fast growth in the complexity and computerization of aircraft during the past seven decades. This growth is based on the high cost of each aircraft and its pilot and money flow for research purposes during the Cold War. These key factors matured the aerospace industry, increasing aircraft's agility and complexity and introducing control algorithms to reduce the burden from pilots and their mistakes or failures.On the other hand, ground vehicles have slowly started to mature in the past three decades, when the first safety algorithms, such as anti-locking braking systems, were introduced as necessary equipment for each produced vehicle. Cars are going the same way of improvement, as the aircraft did: from X-by-wire systems, through over-action of platforms (where it has more ways of actuation per degree of freedom, i.e., independent steering, braking, and driving) and definition of safety envelope (where the vehicle dynamics is not compromised and its surrounding does not make any harmful danger) to envelope protection algorithms (which enhance human operations to increase the vehicle safety and stability). This dissertation aims at the last two steps. It defines the vehicle-road envelope and introduces control algorithms to protect its boundaries. The vehicle-road envelope is strategically divided into two main parts: driving and environmental envelopes. The former defines states in vehicle dynamics space, where each wheel will not be locked, overspun, or skidding. The latter defines safe operational positions, where each wheel can be placed to avoid road departure, collisions with other road users, and drivable road irregularities, such as potholes or small objects on the road. The envelope definition is wheel-centric, allowing the utilization of this concept for any car (or any other wheeled platform) configuration.The driving envelope protection algorithm can be used as an integrated controller, which does the functionality of an anti-locking braking system, traction control, electronic stability program, and launch control systems. In the same way, the environmental envelope protection algorithm can be used as an integrated lane-keeping and collision-avoidance system. However, it can also be used for semi-automated driving on regular and off-road roads.