Optimal vehicle dynamics control and state estimation for a low cost GNSS-based collision avoidance system

Katriniok, Alexander; Abel, Dirk

doi:0178-9546

Optimal vehicle dynamics control and state estimation for a low cost GNSS-based collision avoidance system = Optimale Fahrdynamikregelung und Zustandsschätzung für ein Low-Cost GNSS-basiertes Kollisionsvermeidungssystem

Katriniok, Alexander (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Katriniok

AusgabeAls Ms. gedr.

ImpressumDüsseldorf : VDI-Verl. 2014

UmfangX, 198 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheFortschritt-Berichte VDI / Reihe 8, Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik Berichte aus dem Institut für Regelungstechnik, RWTH Aachen ; 1230

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Auf d. Rücken: Low cost GNSS-based collision avoidance. - Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49576
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229251/files/4957.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kollisionsvermeidung (Genormte SW) ; Navigation (Genormte SW) ; Prädiktive Regelung (Genormte SW) ; Fahrdynamik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; modellbasierte prädiktive Regelung (frei) ; Fahrzustandsschätzung (frei) ; Fahrdynamikregelung (frei) ; collision avoidance (frei) ; navigation systems (frei) ; vehicle state estimation (frei) ; vehicle dynamics control (frei) ; model predictive control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Kontext dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Erforschung und experimentelle Evaluierung eines auf einem Satellitennavigationssystem (GNSS, Global Navigation Satellite System) basierendem Kollisionsvermeidungssystem für Personenkraftwagen im Rahmen des öffentlich geförderten Forschungsprojekts Galileo above. Während die Kollisionsvermeidung eine Vielzahl an Forschungsthemen umfasst, fokussiert sich die vorliegende Dissertation dabei auf die Schwerpunkte der Navigation, Fahrzustandsschätzung und Fahrzeugführung im fahrdynamischen Grenzbereich. Ziel der wissenschaftlichen Arbeit ist dabei, autonome Ausweichmanöver auf Basis eines low-cost GNSS-Empfängers (absolute horizontale Positionsgenauigkeit von ca. 4 m) und Inertialsensorik darstellen zu können. In Vorarbeiten kommen dagegen meist hochgenaue, kostenintensive Navigationssysteme (absolute horizontale Positionsgenauigkeit im Bereich weniger Zentimeter) zum Einsatz. Zur Lösung der Navigationsaufgabe wird ein Ansatz präsentiert, der auf Basis von Relativpositionierung für Ausweichmanöver mit hohen Horizontalbeschleunigungen von mehr als 7 m/s^2 geeignet ist. Die Fahrzustandsschätzung ermittelt die Fahrzustände (insbesondere die longitudinale und laterale Schwerpunktgeschwindigkeit), die mit konventionellen Sensoren nicht direkt messbar jedoch zur Umsetzung des verwendeten Regelungskonzepts notwendig sind. Der entworfene Schätzer ist dabei so ausgelegt, dass sowohl die fahrdynamischen Größen im Grenzbereich adäquat ermittelt werden als auch eine Adaption an Unsicherheiten im Rad-Straße-Kontakt stattfinden kann. Zur autonomen Fahrzeugführung im Grenzbereich wird ein modellprädiktiver Regelungsansatz verfolgt, da zum einen die Ausweichbahn bzw. -trajektorie a prioi bekannt ist, zum anderen aber auch Aktorbeschränkungen und die Haftreibungsgrenze zwischen Rad und Straße explizit berücksichtigt werden sollen. Neben der Diskussion der methodischen Ansätze werden die erzielten experimentellen Ergebnisse vorgestellt und evaluiert.

The context of this dissertation is the investigation and experimental evaluation of a global navigation satellite system (GNSS) based automotive collision avoidance system in the scope of the project Galileo above. While the application of collision avoidance comprises a variety of research topics, this thesis focuses on the issues of navigation, vehicle state estimation and vehicle guidance at the handling limits. The main aim of this thesis is to investigate and implement a concept for conducting autonomous evasion maneuvers based on a low-cost GNSS receiver (absolute horizontal position accuracy of about 4 m) and inertial sensors. In previous publications, centimeter-precision high-cost navigation systems (absolute horizontal position accuracy in the centimeter range) have commonly been employed for this purpose. To solve the navigation task, a navigation concept based on relative positioning is introduced that is appropriate for evasion maneuvers having high horizontal accelerations greater than 7 m/s^2. Vehicle state estimation is related to determining key drive dynamic vehicle states (especially the longitudinal and lateral velocity at the center of gravity) which can generally not be measured using series production sensors but are required for the considered control concept. The estimator is designed in such a way that these vehicle states can be determined appropriately even at the handling limits. Furthermore, the concept allows for being adaptive with respect to uncertainties in the tire-road contact. As the evasion path respectively trajectory is considered to be given over a finite time horizon and physical constraints like actuator limitations and the tire-road friction limit are taken into account, a model predictive control scheme is employed to guide the vehicle autonomously. Besides the discussion of the proposed algorithms, experimental results are presented and evaluated.

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