This paper presents a multi-layer motion planning and control architecture for autonomous racing, capable of avoiding static obstacles, performing active overtakes, and reaching velocities above 75 $m/s$. The used offline global trajectory generation and the online model predictive controller are highly based on optimization and dynamic models of the vehicle, where the tires and camber effects are represented in an extended version of the basic Pacejka Magic Formula. The proposed single-track model is identified and validated using multi-body motorsport libraries which allow simulating the vehicle dynamics properly, especially useful when real experimental data are missing. The fundamental regularization terms and constraints of the controller are tuned to reduce the rate of change of the inputs while assuring an acceptable velocity and path tracking. The motion planning strategy consists of a Fren\'et-Frame-based planner which considers a forecast of the opponent produced by a Kalman filter. The planner chooses the collision-free path and velocity profile to be tracked on a 3 seconds horizon to realize different goals such as following and overtaking. The proposed solution has been applied on a Dallara AV-21 racecar and tested at oval race tracks achieving lateral accelerations up to 25 $m/s^{2}$.


翻译:本文为自动赛提供了一个多层运动规划和控制结构,能够避免静态障碍,进行积极的超越,并达到75美元/美元以上的速度。使用的全球离线轨道生成和在线模型预测控制器高度基于车辆优化和动态模型,轮胎和凸轮效应在基本Pacejka Magiful 的扩大版本中体现。拟议的单轨模型使用多机体机动运动port图书馆确定和验证,这些图书馆能够正确模拟车辆动态,特别是在缺少真实的实验数据时特别有用。控制器的基本正规化条件和限制是调整降低投入变化速度,同时确保可接受的速度和路径跟踪。运动规划战略包括一个基于Fren\'et-Frame的规划器,其中考虑Kalman过滤器对对手的预测。规划器选择了无碰撞路径和速度配置,在3秒钟的视野上跟踪,以便实现不同的目标,例如跟踪和超载。拟议解决方案已经应用在Dallaraa$AV-21赛车上,并在后期测试了25号赛道/赛跑速度。

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