Tractionadaptiv rörelseplanering för autonom racing

Autonomous driving technology is continuously evolving at an accelerated pace. The road environment is always uncertain, which requires an evasive manoeuvre that an autonomous vehicle can take. This evasive behaviour to avoid accidents in a critical situation is analogous to autonomous racing that operates at the limits of stable vehicle handling. In autonomous racing, the vehicle must operate in highly nonlinear operating conditions such as high-speed manoeuvre on sharp turns, avoiding obstacles and slippery road conditions. These dynamically changing racing situations require advanced path planning systems with obstacle avoidance executed in real-time. Therefore, the motion planning problem for autonomous racing is analogous to safe and reliable autonomous vehicle operation in critical situations. This thesis project evaluates the application of traction adaptive motion planning to autonomous racing on different road surfaces for a small-scale test vehicle in real-time. The evaluation is based on a state-of-the-art algorithm that uses a combination of optimization, trajectory rollout, and constraint adaption framework called "Sampling Augmented Real-Time Iteration (SAARTI)". SAARTI allows motion planning and control with respect to time-varying vehicle actuation capabilities while taking locally adaptive traction into account for different parts of the track as a constraint. Initially, the SAARTI framework is adapted to work with the SmallVehicles-for-Autonomy (SVEA) system; then, the whole system is simulated in a ROS (Robot Operating System) based SVEA simulator with a Hardware-in-the-loop setup. Later, the same setup is used for the real time experiments that are carried out using the SVEA vehicles, and the different critical scenarios are tested on the SVEA vehicle. The emphasis was given to the experimental results; therefore, the results also consider computationally intensive localization inputs while the motion planner was implemented in real-time instead of a simulation setup. The experimental results showed the impact of planning motions according to an approximately correct friction estimate when the friction parameter was close to the actual value. The results indicated that the traction variation had indeed affected the lap time and trajectory taken by the test vehicle. The lap time is affected significantly when the coefficient of friction value is far away from the real friction coefficient. It is observed that the lap time increased significantly at higher values of friction coefficient, when involving more excessive over-estimation of the traction, leading to the oscillatory motion and lane exits. Furthermore, the non-adaptive case scenario result shows that the test vehicle performed better when given friction parameter inputs to the algorithm approximately equal to the real friction value. Teknik för autonom körning har utvecklats i snabb takt de senaste åren. Trafikmiljön innehåller många källor till osäkerhet, vilket ibland kräver undanmanövrar av det autonoma fordonet. Undanmanövrar i kritiska situationer är analoga med autonom racing i det avseendet att fordonet opererar nära gränsen av dess fysiska förmåga. I autonom racing måste fordonet fungera i hög grad olinjära driftsförhållanden som höghastighetsmanöver i skarpa svängar, undvika hinder och halt väglag. Dessa dynamiska föränderliga racingsituationer kräver avancerad vägplaneringssystem med undvikande av hinder exekveras i realtid. Därför är rörelseplaneringsproblemet för autonom racing är analogt med det för säkra undanmanövrer i kritiska situationer. Detta examensarbete utvärderar tillämpningen av dragkraft adaptiv till autonom racing på olika väglag för ett småskaligt testfordon i realtid. Utvärderingen baseras på en algoritm som kallas "Sampling Augmented Real Time Iteration (SAARTI)" som tillåter rörelse planering och kontroll med avseende på tidsvarierande fordonsdynamik, på så vis tar algoritmen hänsyn till lokalt varierande väglag. Arbetet började med att integrera SAARTI-ramverket med testplattformen Small-Vehicles-for-Autonomy (SVEA). Därefter utfördes hardware-in-the-loop simuleringar i ROS (Robot Operating System), och därefter utfördes fysiska tester med SVEA plattformen. Under experimenten kördes SAARTI-algoritmen parallellt med en beräkningsintensiv SLAM-algoritm för lokalisering. De experimentella resultaten visade att adaptiv rörelseplanering kan avhjälpa problemet med lokalt varierande väglag, givet att den uppskattade friktionsparametern är approximativt korrekt. Varvtiden påverkas negativt när friktionsskattningen avviker från den verkliga friktionskoefficienten. Vidare observerades att varvtiden ökade vid höga värden på den skattade friktionsparametern, vilket gav upphov till mer aggressiva manövrer, vilket i sin tur gav upphov till oscillerande rörelser och avåkningar.