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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85469| Type: | Dissertação |
| Title: | Desacoplamento de controle longitudinal e lateral em veículos autônomos usando controle preditivo baseado em modelo: validação usando o simulador CARLA |
| Authors: | Rodrigues, João Pedro da Silva |
| Advisor: | Viana, Ícaro Bezerra |
| Keywords in Brazilian Portuguese : | veículos autônomos;controle preditivo baseado em modelo;controle proporcional integral;programação inteira mista;controle de trajetória;controle longitudinal;CARLA |
| Keywords in English : | autonomous vehicles;model predictive control;proportional-integral control;mixedinteger programming;tracking control;longitudinal control;CARLA |
| Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS |
| Issue Date: | 2025 |
| Citation: | RODRIGUES, João Pedro da Silva. Desacoplamento de controle longitudinal e lateral em veículos autônomos usando controle preditivo baseado em modelo: validação usando o simulador CARLA. 2025. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação), Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, 2025. |
| Abstract in Brazilian Portuguese: | Essa Dissertação traz a comparação e validação de duas estratégias de controle de trajetória para veículos autônomos dentro de uma arquitetura hierárquica de planejamento e controle. Na primeira, de controle acoplado, um módulo de controle preditivo baseado em modelo (Model Predictive Controller, MPC) realiza simultaneamente as ações de controle lateral e longitudinal, enquanto na segunda estratégia de controle desacoplado, o controlador preditivo realiza o controle lateral e um controlador proporcional-integral (PI) controla a dinâmica longitudinal do veículo. Em ambos os casos, o controle preditivo baseia-se no modelo dinâmico de bicicleta. O controle lateral mantém o veículo na trajetória desejada, enquanto o controlador longitudinal mantém o veículo com uma velocidade fixa pré-estabelecida, gerando aceleração conforme a velocidade longitudinal de referência. As trajetórias e a velocidade de referência são geradas por um planejador de trajetórias que utiliza uma estratégia de controle com horizonte-retrocedente baseado em programação quadrática inteira mista. A validação é realizada em co-simulação nos ambientes MATLAB e CARLA, sendo os controladores implementados no MATLAB e o modelo do veículo no CARLA, um simulador de código aberto de alta fidelidade para pesquisa em condução autônoma. Os experimentos de simulação consideram dois cenários distintos. No primeiro cenário, avalia-se a manobra de um veículo que se desloca ao longo de uma estrada de mão única na presença de um obstáculo estático. No segundo cenário, avalia-se a manobra para um obstáculo dinâmico, que se desloca com velocidade longitudinal constante. Os resultados mostram que a estratégia acoplada rastreia melhor a trajetória lateral, sobretudo em altas velocidades, apresentando erro quadrático médio (Root Mean Square Error, RMSE) de 0,084m contra 0,089m do método desacoplado. No entanto, ela é menos precisa no controle da velocidade longitudinal, com RMSE de 1,32m contra 1,21m. A análise de desempenho computacional indica que ambas as abordagens atendem a requisitos de desempenho computacional e são viáveis em tempo real, com o método desacoplado exibindo tempo de solução ligeiramente menor (2,6 ms contra 2,7 ms). |
| Abstract: | This dissertation presents the comparison and validation of two trajectory control strategies for autonomous vehicles within a hierarchical planning and control architecture. In the first approach, referred to as coupled control, a Model Predictive Controller (MPC) simultaneously performs both lateral and longitudinal control actions, while in the second approach, referred to as decoupled control, the predictive controller is responsible for lateral control and a proportional– integral (PI) controller governs the vehicle’s longitudinal dynamics. In both cases, the predictive control is based on the dynamic bicycle model. The lateral controller ensures that the vehicle follows the desired trajectory, while the longitudinal controller maintains the vehicle at a predefined constant speed by generating acceleration based on the longitudinal reference velocity. The reference trajectories and velocity are generated by a trajectory planner that employs a receding-horizon control strategy based on mixed-integer quadratic programming. Validation is carried out through co-simulation in MATLAB and CARLA environments, where the controllers are implemented in MATLAB and the vehicle model is simulated in CARLA, an open-source high-fidelity simulator for autonomous driving research. The simulation experiments consider two distinct scenarios. In the first scenario, the maneuver of a vehicle traveling along a one-way road in the presence of a static obstacle is evaluated. In the second scenario, the maneuver is evaluated in the presence of a dynamic obstacle moving at a constant longitudinal speed. The results show that the coupled strategy achieves better lateral trajectory tracking, especially at higher speeds, with a root mean square error (RMSE) of 0.084 m compared to 0.089 m for the decoupled method. However, it is less accurate in longitudinal speed control, with an RMSE of 1.32 m compared to 1.21 m. The computational performance analysis indicates that both approaches meet real-time requirements and are computationally feasible, with the decoupled method exhibiting a slightly lower solution time (2.6 ms versus 2.7 ms). |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85469 |
| Author's ORCID: | https://www.orcid.org/0009000826772881 |
| Author's Lattes: | https://lattes.cnpq.br/6261946512103000 |
| Advisor's ORCID: | https://www.orcid.org/0000000200098330 |
| Advisor's Lattes: | https://lattes.cnpq.br/2863980011548140 |
| Access Rights: | Acesso Aberto |
| Appears in Collections: | PPGEEC - SOBRAL - Dissertações defendidas na UFC |
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