Comparison of automated vehicle steering control methods

Abstract

This thesis investigates control systems and steering models that are used to control steering of the automated vehicles. The aim of the study is to gain insight into the current control system of the research vehicle, to identify its basic challenges and to look for areas of improvement. Although automated driving is undergoing continuous technological advancements, the nonlinearity of the system and other challenges complicate the design process, making it difficult to find a single optimal solution. The work is divided into two parts: a theoretical part and an experimental part. The theoretical part covers various types of controllers as well as dynamic and kinematic models. The use of models enables to study properties of the system under investigation and the design of the control system. Therefore, it is important to obtain the most suitable model for design purposes. In addition, the theoretical part of the thesis discusses different performance measures that can be used to study the performance of a closed-loop control system. These performance indices focus on the calculation of error accumulation in different ways, which makes them well suited to study the servo performance of the control system. Control systems are often based on negative feedback, where the measured output is fed back to the input and then the error is calculated. With the error, the controller generates a control signal that controls the system and tries to mitigate the error between the setpoint and the measurement. Therefore, the limitations and uncertainties of the measurement and control system must be taken care of as well as possible. In the theoretical part, the sensors and hardware of the automated driving system are discussed and the constraints they impose are examined. The experimental part presents the measurements carried out with the three different types of controllers. In the experimental part the performance of the control system was evaluated using P (Proportional), PI (Proportional-Integral), and PID (Proportional-Integral-Derivative) controllers. The results showed that the best performance was achieved with P and PI controllers. The PID controller caused significant oscillation in the vehicle steering, which resulted in poorest performance in the controller comparison.

Tässä työssä keskitytään automatisoitujen ajoneuvojen ohjaamiseen käytettyjen mallien ja säätömenetelmien tarkasteluun. Tutkimuksen päämääränä on syventyä testiajoneuvon nykyiseen säätöjärjestelmään, tunnistaa sen haasteet ja etsiä kehityskohteita, joilla järjestelmää voitaisiin kehittää. Tällä hetkellä automatisoitu ajaminen kehittyy teknisesti jatkuvasti, mutta järjestelmän epälineaarisuus ja muut haasteet hankaloittavat suunnitteluprosessia eikä automaattiseen ajamiseen ole yhtä oikeaa ratkaisua löydettävissä. Työ on jaettu kahteen osaan: teoriaosuuteen ja kokeelliseen osuuteen. Teoriaosuudessa käsitellään erilaisia säädintyyppejä sekä dynaamisia ja kineettisiä malleja. Mallien käyttö helpottaa tutkittavan systeemin ominaisuuksien tutkimista sekä säädinsuunnittelua, minkä vuoksi mahdollisimman sopivan mallin saaminen on tärkeää. Lisäksi teoriaosuudessa käsitellään erilaisia hyvyyslukuja, joilla voidaan tutkia säätöjärjestelmän suorituskykyä. Kyseiset hyvyysluvut keskittyvät virheen kertymisen laskemiseen erilaisin tavoin, jonka vuoksi ne soveltuvat hyvin tämän työn säätöjärjestelmän servotehtävän hyvyyden tutkimiseen. Säätöjärjestelmät perustuvat usein negatiiviseen takaisinkytkentään, jossa asetusarvosta vähennetään ulostulon mittaus. Tätä kutsutaan erosuureeksi, joka muodostetaan säätimessä. Erosuureen avulla säädin muodostaa ohjaussignaalin, joka säätää järjestelmää ja pyrkii pienentämään asetusarvon ja mittauksen välisen virheen. Tämän vuoksi mittaus – ja ohjausjärjestelmän rajoitteet ja epävarmuudet on tunnettava mahdollisimman hyvin. Teoriaosuudessa arvioitiin automaattisen ajoneuvon antureita ja laitteistoa sekä tutkitaan näiden aiheuttamia rajoitteita. Kokeellisessa osuudessa esitellään kolmella eri säädintyypillä suoritetut mittaukset ja niiden tulokset. Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa arvioitiin säätöjärjestelmän suorituskykyä käyttäen P- (Proportional), PI- (Proportional-Integral), ja PID (Proportional-Integral-Derivative) -säätimiä. Tulosten perusteella havaittiin, että parhaimmat suoritusominaisuudet saavutettiin P- ja PI-säätimillä. PID-säätimen käyttö aiheutti ajoneuvon ohjaukseen merkittävää värähtelyä, joka johti sen heikkoon suorituskykyyn säädinvertailussa.