Vývoj řídicích systémů pro ochranu jízdní obálky pomocí nelineárního prediktivního řízení

Abstract

Tato diplomová práce prezentuje implementaci nelineárního prediktivního řízení (NMPC) pro závodní auto. Vytvořený kontrolér přijímá referenci od lidského řidiče (stav volantu, brzdového a plynového pedálu) a informaci o stavu vozidla; na výstupu dává vylepšenou verze reference od řidiče. Takto vylepšený řídicí signál má minimalizovat případné chyby v řízení lidského řidiče, který má pouze omezenou a přibližnou znalost o stavu vozidla a jeho dynamice. Obvyklou chybou v řízení auta, které lze takto předejít, je například uzamčení kol, ztráta trakce a ztráta kontroly nad směrem vozidla. Ačkoli bezpečnostní sytémy mající tuto funkci, tedy protiblokovací systém (ABS), a další již existují, představený kontrolér má za cíl nahradit více takovýchto bezpečnostních systémů jedním tzv. full-time-full-authority systémem. Myšlenka full-time-full-authority systému pochází z leteckého průmyslu a zdá se, že automobilový průmysl by z ní také mohl těžit. Pro účely návrhu NMPC byl zvolen jednostopý model auta. Omezení optimizační úlohy pak plynou z nové definice řídicí obálky. Výsledný počítačový program byl vygenerován s použitím softwaru FORCESPRO; je schopen běhu na notebooku v reálném čase, a byl testován na závodním simulátoru Live for Speed.

This thesis presents an implementation of a nonlinear model predictive control (NMPC) strategy for a racing car. The strategy takes into account the reference from a human driver (i.e. from the steering wheel, the accelerator and brake pedals) and the current state of the vehicle, and outputs an optimized version of the driver’s actions on the vehicle state. In this way, possible mistakes of the driver, who has only a limited and approximate knowledge of the vehicle state, are mitigated. Common mistakes which might be corrected by this strategy include driving commands leading to locking the wheels, traction loss, and loss of directional control. Although similar safety systems, such as the anti-lock braking system (ABS) already exist, the presented strategy attempts to replace multiple safety systems by using a single full-time-full-authority control system. The idea of using a full-time-full-authority control comes from the flight control industry; it appears that the automotive industry could advance in this area. For the purposes of NMPC design, a single-track model of a car was chosen. The optimization problem constraints stem from a previously defined vehicle driving envelope. The resulting computer program was generated by the FORCESPRO optimization software; it runs in real-time on a laptop and was tested with the Live for Speed racing simulator.