title: Analysis of cruise control systems for autonomous vehicles on lane-free roads with sampled-data and saturated control inputs

title: Ανάλυση συστημάτων ελέγχου πορείας για αυτόνομα οχήματα σε δρόμους απαλλαγμένους από λωρίδες με διακριτή δειγματοληψία και κορεσμένες εισόδους

Creators: name: Τζωρτζογλου Φιλιππος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Vehicle automation has made tremendous advances in recent decades and the path to full automation of vehicles seems inevitable. In this dissertation, cruise control systems for autonomous vehicles on lane-free roads were studied using the “nudging” effect that depicts the ability of the vehicles to exert a virtual force to the front ones. The model depicting the motion of such vehicles is described by a large number of nonlinear continuous-time differential equations. The application of such models in real systems requires conversion of the continuous-time system into a discrete-time system with the additional feature that the values of the input signals are sampled. The modeling and conversion of the continuous-time system into a sampled-data control system was studied in this diploma thesis, first.  Next, appropriate design of controllers with discrete sampling were considered. The design of controllers for discrete sampling systems is performed using the simulation approach in which we first design a controller in the continuous-time domain and then discretize the controller and apply it digitally. Since the digital controller approach can only be successful if the sampling period is sufficiently short, the selection of the sampling period that guarantees the stability of the system to the proposed controllers by discrete sampling was examined through simulations.  At the same time, using appropriate proven Lemmas, it was examined the occasion when the sampling period changes non- periodically. Then a study was made through simulations of the discrete-time model when there are saturation effects on the input of the system. Finally, an algorithm was examined that creates realistic initial positions in order to avoid high initial energies which can lead to a collision course.
description: Ο αυτοματισμός των οχημάτων έχει σημειώσει τεράστια πρόοδο τις τελευταίες δεκαετίες και η πορεία προς την πλήρη αυτοματοποίηση των οχημάτων φαίνεται αναπόφευκτη. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία θα μελετήθηκαν συστήματα ελέγχου ταχύτητας για αυτόνομα οχήματα σε δρόμους απαλλαγμένους από λωρίδες χρησιμοποιώντας την αρχή της «εικονική ώθησης» που υποδηλώνει την δυνατότητα των οχημάτων να ασκούν μια εικονική δύναμη στα οχήματα που προπορεύονται. Το μοντέλο που περιγράφει την κίνηση τέτοιων οχημάτων περιγράφεται από ένα μεγάλο πλήθος μη-γραμμικών διαφορικών εξισώσεων συνεχούς χρόνου. Η εφαρμογή τέτοιων μοντέλων σε πραγματικά συστήματα απαιτεί τη μετατροπή του συστήματος συνεχούς χρόνου σε σύστημα διακριτού χρόνου με το επιπλέον χαρακτηριστικό ότι οι τιμές των σημάτων εισόδου είναι διακριτοποιημένες μέσω δειγματοληψίας. Αρχικά, στην εν λόγω διπλωματική έλαβε χώρα η μοντελοποίηση και μετατροπή του συστήματος συνεχούς χρόνου σε σύστημα ελέγχου με διακριτή δειγματοληψία (sampled-data control system). Έπειτα πραγματοποιήθηκε κατάλληλος επανασχεδιασμός ελεγκτών με διακριτή δειγματοληψία. Ο σχεδιασμός ελεγκτών για συστήματα με διακριτή δειγματοληψία πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας την προσέγγιση εξομοίωσης στην οποία σχεδιάζουμε πρώτα έναν ελεγκτή σε συνεχή χρόνο και στη συνέχεια διακριτοποιούμε τον ελεγκτή και τον εφαρμόζουμε ψηφιακά. Η προσέγγιση του συνεχούς ελεγκτή από τον ψηφιακό μπορεί να είναι επιτυχής μόνο εάν η περίοδος δειγματοληψίας είναι επαρκώς μικρή. Για τον λόγο αυτό μελετήθηκε μέσω προσομοιώσεων, η επιλογή της περιόδου δειγματοληψίας που εγγυάται τη σταθερότητα του συστήματος στους προτεινόμενους ελεγκτές με διακριτή δειγματοληψία. Ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας κατάλληλα αποδεδειγμένα Λήμματα, έγινε δυνατή η μη περιοδική επιλογή της περιόδου δειγματοληψίας ανάλογα με την κατάσταση του συστήματος ανά χρονική στιγμή. Έπειτα, έγινε μελέτη μέσω προσομοιώσεων του μοντέλου διακριτού χρόνου όταν στην είσοδο του συστήματος υπάρχουν φαινόμενα κορεσμού. Η μελέτη σε αυτή την περίπτωση έγινε με χρήση κατάλληλων συναρτήσεων που εκφράζουν την ολική ενέργεια του συστήματος. Τέλος παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος ο οποίος παράγει αρχικές ρεαλιστικές συνθήκες προκειμένου να αποφευχθούν μεγάλες αρχικές ενέργειες που οδηγούν σε άμεση σύγκρουση.