Performance comparison of algorithms for time-energy optimal control in a prototype competition vehicle

Abstract

Com o objetivo de encontrar o controle ótimo de um veículo de competição, o trabalho realizou uma comparação entre diferentes modelos físicos de veículos, desde o modelo massa-pontual até um veículo completo com seis graus de liberdade, tração traseira, direção Ackermann e arrasto aerodinâmico, avaliando também distintos métodos de otimização, como SLSQP, SOCP e SQP. Foi demonstrado que o problema é convexo, com hessiana tridiagonal e gradientes esparsos, o que motivou o uso de métodos de segunda ordem. Além disso, foi proposto um protocolo de redução de variáveis do problema de otimização com o uso da pseudoinversa de Moore-Penrose como estratégia de simplificação. A combinação modelo físico - postura de otimização ideal para cada caso foi identificado.

With the objective of finding the optimal control of a competition vehicle, the work carried out a comparison between different physical models of vehicles, ranging from a point-mass model to a complete six-degrees-of-freedom vehicle with rear-wheel drive, Ackermann steering, and aerodynamic drag, while also evaluating different optimization methods such as SLSQP, SOCP, and SQP. It was shown that the problem is convex, with a tridiagonal Hessian and sparse gradients, which motivated the use of second-order methods. Furthermore, a variable-reduction protocol for the optimization problem was proposed using the Moore-Penrose pseudoinverse as a simplification strategy. The ideal pairing of physical model and optimization approach for each case was identified.