Mechatronisch redundantes und rekonfigurierbares 1:14-Maßstab-Autonomes Fahrzeug mit robusten Sim2Real-Steuerung

Core Concepts

Dieser Artikel präsentiert einen generalisierbaren Rahmen für die zuverlässige Überführung von Autonomie-orientierten Regelsystemen vom Simulator in die Realität unter Verwendung von Multi-Modell-Multi-Ziel-robuster optimaler Regelsynthese, die gut für die Handhabung von Unsicherheiten und Störungsunterdrückung mit theoretischen Garantien geeignet ist.

Abstract

Dieser Artikel stellt das Design, die Modellierung der Dynamik, die Parameteridentifikation und die robuste stabilisierende sowie Verfolgungsregelung eines neuartigen, überaktuierten, skalierten autonomen Fahrzeugs namens Nigel vor. Nigel bietet eine unabhängige Allrad-Antriebssteuerung und eine unabhängige Allrad-Lenkung, deren erweiterter Konfigurationsraum für robuste Regelungsanwendungen gut geeignet ist. Der Artikel beschreibt zunächst den mechatronischen Aufbau von Nigel und leitet dann ein lineares, parametervariabl es Modell des Systems her, das Unsicherheiten in den Reifenreibwerten berücksichtigt. Anschließend wird ein robuster optimaler Regler entworfen, der einen Kompromiss zwischen H2- und H∞-Leistung unter Berücksichtigung der D-Stabilität sucht. Die Leistungsfähigkeit des Reglers wird durch umfangreiche Experimente in Simulation und Realwelt validiert, wobei absichtlich übertriebene Störungen und Unsicherheiten eingebracht werden.

Stats

Die Masse des Fahrzeugs beträgt 2,68 kg. Der Giermoment-Trägheitsmoment des Fahrzeugs beträgt 0,01944 kg·m². Der Abstand des Schwerpunkts von der Vorderachse beträgt 0,06226 m. Der Abstand des Schwerpunkts von der Hinterachse beträgt 0,07929 m. Der nominelle Reibwert zwischen Reifen und Straße beträgt 0,4. Die Reifensteifigkeit beträgt 22,4768 N/rad.

Quotes

"Dieser Artikel präsentiert einen generalisierbaren Rahmen für die zuverlässige Überführung von Autonomie-orientierten Regelsystemen vom Simulator in die Realität unter Verwendung von Multi-Modell-Multi-Ziel-robuster optimaler Regelsynthese, die gut für die Handhabung von Unsicherheiten und Störungsunterdrückung mit theoretischen Garantien geeignet ist." "Nigel bietet eine unabhängige Allrad-Antriebssteuerung und eine unabhängige Allrad-Lenkung, deren erweiterter Konfigurationsraum für robuste Regelungsanwendungen gut geeignet ist."

Key Insights Distilled From

Nigel -- Mechatronic Design and Robust Sim2Real Control of an Over-Actuated Autonomous Vehicle

by Chinmay Vila... at arxiv.org 03-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2401.11542.pdf

Deeper Inquiries

Wie könnte der vorgestellte robuste Regelungsrahmen auf größere Maßstäbe oder Fahrzeugklassen skaliert werden?

Um den vorgestellten robusten Regelungsrahmen auf größere Maßstäbe oder Fahrzeugklassen zu skalieren, könnten mehrere Ansätze verfolgt werden. Zunächst könnte eine Erweiterung der Anzahl der Freiheitsgrade des Fahrzeugs in Betracht gezogen werden, um komplexere Bewegungen und Manöver zu ermöglichen. Dies würde eine Anpassung der Regelungsstrategie erfordern, um die zusätzlichen Freiheitsgrade effektiv zu steuern. Darüber hinaus könnte die Integration von zusätzlichen Sensoren, wie beispielsweise Radarsensoren für die Umgebungswahrnehmung oder Lidar für präzise Abstandsmessungen, die Robustheit des Systems weiter verbessern. Eine weitere Möglichkeit zur Skalierung auf größere Maßstäbe wäre die Implementierung einer verteilten Regelungsarchitektur, bei der mehrere Unterregler für verschiedene Teilsysteme des Fahrzeugs verantwortlich sind. Dies würde die Komplexität des Systems erhöhen, aber auch die Leistungsfähigkeit und Robustheit verbessern. Darüber hinaus könnte die Integration von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz in den Regelungsrahmen dazu beitragen, das Fahrzeug an verschiedene Betriebsbedingungen anzupassen und autonomes Verhalten zu verbessern.

Welche zusätzlichen Sensoren oder Aktoren könnten in das Fahrzeugdesign integriert werden, um die Robustheit weiter zu erhöhen?

Um die Robustheit des Fahrzeugs weiter zu erhöhen, könnten zusätzliche Sensoren und Aktoren in das Fahrzeugdesign integriert werden. Beispielsweise könnten Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate verwendet werden, um eine präzisere Zustandsschätzung des Fahrzeugs zu ermöglichen. Dies würde die Regelung des Fahrzeugs verbessern und die Reaktion auf externe Störungen optimieren. Des Weiteren könnten redundante Aktuatoren, wie beispielsweise redundante Lenksysteme oder Antriebseinheiten, in das Fahrzeug integriert werden, um Ausfälle einzelner Komponenten abzufangen und die Fahrzeugstabilität zu gewährleisten. Durch die Implementierung von Redundanzen könnten potenzielle Ausfälle frühzeitig erkannt und kompensiert werden, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöhen würde. Zusätzlich könnten Umgebungssensoren, wie Kameras, Radarsensoren und Lidar, in das Fahrzeugdesign integriert werden, um eine umfassende Umgebungswahrnehmung zu gewährleisten. Diese Sensoren könnten dazu beitragen, Kollisionen zu vermeiden, Hindernisse zu erkennen und eine präzise Navigation des Fahrzeugs zu ermöglichen.

Wie könnte der Reglerentwurf um Aspekte der Fehlertoleranz erweitert werden, um das Fahrzeug auch bei Ausfällen einzelner Komponenten stabil zu halten?

Um den Reglerentwurf um Aspekte der Fehlertoleranz zu erweitern und das Fahrzeug auch bei Ausfällen einzelner Komponenten stabil zu halten, könnten verschiedene Strategien verfolgt werden. Eine Möglichkeit wäre die Implementierung von Redundanzen in den Regelungs- und Aktuationssystemen des Fahrzeugs. Dies könnte bedeuten, dass mehrere Regelungsalgorithmen parallel ausgeführt werden, um im Falle eines Ausfalls nahtlos auf ein Backup-System umzuschalten. Des Weiteren könnten Fehlererkennungs- und Diagnosesysteme in das Fahrzeug integriert werden, um potenzielle Ausfälle frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren. Durch die kontinuierliche Überwachung der Systemkomponenten könnten Abweichungen von den Sollwerten erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um die Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Fehlertoleranz wäre die Implementierung von adaptiven Regelungsstrategien, die sich an veränderte Betriebsbedingungen und Ausfälle anpassen können. Durch die kontinuierliche Anpassung der Regelungsparameter an die aktuellen Systemzustände könnte das Fahrzeug auch bei unvorhergesehenen Ereignissen stabil gehalten werden.