Vehicle stability controller based on model predictive control

Abstract

Os Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista (ADAS) são dispositivos automotivos desenvolvidas para auxiliar o motorista na condução, com intuito de melhorar o desempenho dos veículos em diversos aspectos, incluindo segurança. Do ponto de vista da dinâmica veicular, segurança diz respeito a como o veículo responde aos comandos do motorista em manobras arriscadas. A melhoria de manobrabilidade em situações críticas pode ser obtida pela inclusão de controladores eletrônicos de estabilidade (ESCs). Os ESCs são ADAS desenvolvidos para evitar que o motorista perca o controle do veículo. Uma estratégia de atuação utilizada em ESCs é o controle dos torques transferidso para as rodas, de forma que seja aplicado no eixo de guinada um momento estabilizador resultante da diferença entre as forças geradas nos pneus. Essa estratégia é denominada controle direto do momento de guinada (DYC). O ESCs que utilizam DYC podem ser classificados em dois níveis: alto e baixo. O primeiro calcula o momento estabilizador, sem especificar como deve ser feita a distribuição de torque entre as rodas. E o segundo calcula o torque que deve ser transferido para cada roda, por isso é desenvolvido dedicado para o sistema de atuação disponível no veículo. Nessa pesquisa são propostos DYCs de alto e baixo nível baseados em controle preditivo (MPC). O MPC foi escolhido devido às suas capacidades de considerar os limites do sistema de atuação e prever a desestabilização. Porém, a aplicação do MPC em sistemas de controle em tempo real tem como desafio a obtenção de tempos de cálculo compatíveis com a velocidade da dinâmica do processo controlado. Por isso, foram aplicadas parametrizações da for- mulação do MPC que reduzem a sua complecidade computacional. E, para considerar a eficiência computacional na validação dos controladores, os algoritmos propostos foram implementados em ARM Cortex A8 e submetidos a um procedimento de sintonização, que define as configurações ótimas e caracteriza os tempos de cálculo. Simulações model-in-the-loop e hardware-in-the-loop foram realizadas para validação dos controladores. Os resultados dessas simulações mostram que os ESCs são eficazes em evitar a desestabilização da condução, e que os algoritmos possuem efi- ciência computacional para serem eficazes em tempo real, mesmo executando em um hardware de baixo custo. A comparação entre os resultados obtidos com MPC e regulador quadrático linear (LQR) mostrou que é mais vantajoso utilizar o MPC, mesmo seu tempo de cálculo sendo maior. A comparação entre os desempenhos obtidos com diferentes modelos de predição mostrou que, em manobras com maior risco de instabilidade, um melhor desempenho é obtido com o modelo que considera a rolagem, mesmo que insto impacte no aumento do tempo de cálculo. Além disso, dos resultados para veículos com parâmetros diferentes dos valores nominais assumidos na configuração dos controladores, observou-se que os ESCs são sensíveis ao descasamento entre planta e modelo, de forma que não são comprometidas suas eficácias em evitar que o motorista perca o controle do veículo