Controller parameter tuning for an adaptive cruise control system based on particle swarm optimization approach
Adaptif seyir sistemi kontrolcüsü parametrelerinin parçacık sürü optimizasyonu yöntemi ile belirlenmesi
- Tez No: 609247
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Otomotiv piyasasında gün geçtikte ve teknolojinin yüksek hızda gelişimiyle birlikte daha otonom, güvenli ve daha konforlu araçların üretilmesi amacı yeni bir trend haline gelmiştir. Bu amaca ulaşmak için araç üreticileri; daha yüksek otonom özelliklere sahip, daha otomatikleşmiş gelişmiş sürücü yardım sistemleri geliştirmeye ve bu sistemleri araçlarına entegre etmeye çalışmaktadır. Sürücü yardım sistemlerinin geçmişine bakacak olursak, aktif güvenlik önlemleri olarak 1990'lı yılların başlarında anti-lock braking system (ABS) ile otomotiv endüstrisine entegre olmaya başlamıştır. ABS'den daha sonra aracın stabilizasyonunu sağlamaya çalışan electronic stability program (ESP) aracı daha güvenli bir noktaya götüren bir sistem olarak entegre edilmeye başlanmıştır. Yıllarca süren gelişmeler ışığında bu sistemler aktif güvenlik amaçlarını koruyarak, günümüzde sürücü konforuna da olumlu etki yapmaya başlamışlardır. Seyir sistemleri de bu etkiyi yaratan teknolojik gelişimin ilk üyeleridir. Seyir sistemleri ilk olarak, sürücü tarafından belirlenen hızda sabit olarak hızı tutmaya çalışan cruise control ve belirlenen bir hızda aktif olarak hızı limitleyen hız limitleyicisi ile araçlarda sunulmuştur. Daha sonrasında ilerleyen teknoloji ile birlikte cruise control seyir sistemi kendisini adaptif seyir sistemlerine evirmiştir. Bu sistemler bir menzil sensörü ile öndeki aracın hızını algılayıp, belirlenen kontrol metoduyla iki araç arasındaki mesafeyi, zamanı veya hız farkını belirli bir düzeyde tutacak şekilde arkadaki aracın öndeki aracı takip etmesine olanak sağlar. Menzil sensörü için farklı sensörler kullanılabilir. Bu sensörlerin başında radar gelmektedir. Adaptif seyir sistemlerinde en fazla kullanılan sensör olan radar haricinde, sistemde kamera, ultrasonik sensörler veya lidar kullanılmaktadır. Adaptif seyir sistemleri sonrasında da sürücü destek sistemleri teknolojik gelişimine devam etmektedir. Son yıllarda otonom araç trendi bunun açıkça bir kanıtı olarak görülebilir. Destek sistemlerinden daha çok sürücüsüz araçlara yönelik çalışamalar gün geçtikte artmaktadır. Artan teknolojik gelişmelerle, bu sistemlerin yazılımlarının çok daha karmaşık ve her durumu kapsayıcı şekilde tasarlanma gerekliliği aşikardır. Gün geçtikçe yazılımlar daha kapsamlı hale geliyor ve doğal bir sonuç olarak yazılımları doğru çalıştırmak için gerekli kalibrasyon aktiviteleri de büyük önem kazanmaktadır. Ayrıca yüksek hızda gelişen teknolojiyle paralel olarak, birçok cevaplanmamış soru ve tartışma hala var olmaktadır. Herhangi bir sensör ya da yazılım yanlışı veya hatası çok kötü sonuçlar doğurabilir. Bu sebepten ötürü de yazılımların doğru şekilde kalibre ve optimize edilmesi hayati değer taşımaktadır. Bu sistemler için gerekli yasalar ve regülasyonlar da oluşturulmaya başlamıştır. Bu kadar kapsamlı ve güvenlik kritik bir durum için yazılımların optimizasyonu otomatik optimizasyon yazılımları ile, çok daha güvenilir ve kolay şekilde çözülebilir. Bu çalışmada adaptif seyir sistemleri algoritmalarının tasarımı ve tasarlanmış olan kontrolcünün modern optimizasyon tekniklerinden biriyle optimize edilmesi anlatılmaktadır. Modern optimizasyon teknikleri bu tarz problem için oldukça faydalı metotlardır. Bu teknikler ile istenen amaç fonksiyonu kullanıcının istediği şekilde minimize edebilir, maksimize edebilir ya da istenen herhangi bir değere yakınsatılabilir. Ayrıca belirlenen amaç fonksiyonu tek bir parametrenin sonucu değil, birden fazla parametrenin ortak bir fonksiyonu şeklinde belirlenerek, aynı anda birden fazla istenen sonuç olan problemlerde kullanılabilir. Bu tezin odaklandığı ana nokta optimizasyon algoritmasının sisteme entegrasyonu ve simülasyonların doğru şekilde tamamlanarak sonuçlanmasıdır. İlk olarak bu tezde, gerçekçi sonuçlar ve davranışlar görebilmek için boylamsal eksende araç tek bir kütle olarak Matlab/Simulink platformunda modellenmiştir. Aynı zamanda adaptif seyir sistemi yazılımı tasarlanmış ve bu tasarım detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Tasarlanan adaptif seyir sistemi yazılımı ile birlikte oluşturulan boylamsal araç modeli yine aynı platformda birbirlerine entegre edilmiştir. Sistemde sadece kontrol edilen, adaptif seyir sistemine sahip olan, aracın boylamsal modeli mevcuttur. Herhangi bir sensör modeli yoktur ve bu çalışmadaki odak noktası değildir. Öndeki aracı simüle etmek için öndeki araca ait bir hız profili ortaya çıkarılmış ve dışarıdan sisteme beslenmiştir. Bu hız profili çok kapsamlı bir paket program olan AVL VSM tarafından oluşturulmuştur. AVL VSM; araç hakkında tekerleklerden süspansiyona, araç dinamiğinden motora kadar tüm bilgilerin girildiği araç dinamiği simulasyon programıdır. Ayrıca hız profili ve manevra da oluşturalabilmektedir. Lider araç için farklı hız profillerine sahip senaryolar bu programda oluşturulmuştur. Daha sonrasında parçacık sürüsü optimizasyonu sisteme uygun şekilde Matlab platformunda kodlanmış ve yazılım Simulink'teki entegre edilmiş araç ve seyir sistemi modeline bağlanmıştır. Optimize etmek istenilen parametreler simulasyon ortamında defalarca simulasyon koşularak istenen sonucu sağlayacak şekilde denenmiş ve kalibre edilmiştir. Parçacık sürü optimizasyonunun ana mantığına bakacak olursak: bu metot“swarm intelligence”diye tanımlanan sürü zekası algoritmalarından biridir. Bu tarz algoritmalarda doğada sürü halinde yemek bulmaya veya avlanmaya çalışan canlı toplulukları birincil örnekler olarak düşünülmüştür. Örnek verecek olursak, bir kuş sürüsü sürü halinde bir noktadan başka bir noktaya hareket etmektedir. Sürü zekası algoritmalarının genelinde sürü içerisindeki bireylerin birbiri ile haberleştiği öngörülmektedir. Bu şekilde sürekli doğru noktaya doğru birbirlerini yönlendirirler. Bu çalışmada kullanılan PSO metotu da bu yöntemle her yapılan iterasyonun sonucunu birbiriyle paylaşan bir sürünün doğru noktaya ulaşması için uğraşır. Yazılımda tezin içerisinde detaylı bir şekilde anlatılacak olan parçacık ve iterasyon sayıları aslında bu sürünün kaç kuştan oluştuğu ve kaç defa hareket edeceğinin ölçütleridir. Doğru sonuca bizi doğru şekilde iletmesi açısından bu parametreler oldukça önemlidir. Tezin ana akışı ve amaçları dışında ana yapısına bakacak olursak, bu tez toplam altı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tezin amacı kısa ve öz bir şekilde anlatıldıktan sonra literatürdeki benzer çalışmalardan bahsedilmiştir. Bu bölümde literatür araştımaları daha çok PID kontrol metotlarının nasıl kalibre ya da optimize edildiği ile alakalıdır. Farklı kontrol algoritmaları ile aynı sistemin çalışma örnekleri bir sonraki bölümde verilmiştir. İkinci bölümde adaptif seyir sistemlerinin konsepti, ana çalışma mantığı ve yapısı ile birlikte literatürdeki kontrol metotları detaylı bir şekilde anlatılmıştır. PID dışından yeni metotlar da daha önce söylendiği gibi bu bölümün parçalarından biridir. Yine aynı bölümde bu tezde kullanılmış olan adaptif seyir sistemi yazılımı detaylı bir şekilde gösterilmiş ve formülize edilmiştir. Bir sonraki bölüm olan üçüncü bölümde, boylamsal olarak aracın nasıl modellendiği seçilen ve teknik özellikleri anlatılan bir araç üzerinden hesaplarla birlikte gösterilmiştir. Araç seçilip parameterler belirlendikten sonra; aracın tekerlek modeli kurulmuş, maruz kaldığı direnç kuvvetleri teker teker tanıtılmıştır. Sistemin doğru bir şekilde simüle edilebilmesi için kritik olan noktalardan biri aracın limitlerinin modelde doğru şekilde oluşturulmasıdır. Bu yüzden gerekli vites ve motor bilgileri ile birlikte limitasyonları modellenmiştir. Bu tezin asıl odaklandığı nokta optimizasyon algoritmasının entegrasyonu olduğu için aracın vites değişimi mekanizması basit bir mantık ile kurulmuştur. Belirli bir motor hızında sürekli vites değişimi öngörülmekte ve bunun detayları anlatılmaktadır. Dördüncü bölümde bu tezde kullanılan modern optimizasyon metodu, PSO, anlatılmıştır. Detaylı PSO anlatımından önce, PID kontrolcülerinin tarihi boyunca nasıl kalibre edildiği tartışılmış, literatürdeki çalışmalardan yararlanılmıştır. Ayrıca diğer modern optimizasyon metotlarından da bahsedilmiştir. Sonrasında detaylı bir şekilde PSO denklemleri tanımlanmış ve bu çalışmada nasıl kullanılacağından bahsedilmiştir. Beşinci bölüm sistemin ana entegrasyonu ve simülasyonundan oluşmaktadır. Önce Matlab/Simulink ortamında modellerin ve yazılımın nasıl bir arada çalıştığı anlatılmış, belirlenmesi gereken parametreler belirlenmiş ve sebepleri açıklanmıştır. Burada parameterlerin belirlenmesindeki literatürdeki farklı metotlardan ayrıca bahsedilmiştir. Optimizasyon algoritmasının ana çalışmasını ve sonucunu direk etkileyen parametreler üzerinden çalışılan sistem ile ilişkiler kurularak neyin neden ve ne şekilde kullanıldığı açıklanmıştır. Daha sonrasında seyir sistemlerini ayrı ayrı ve birlikte değerlendiren farklı senaryolar ile birlikte simülasyon sonuçları paylaşılmıştır. Paylaşılan simülasyon sonuçları yorumlanmış ve beklenilen sonuçlara erişilmiştir. Son bölüm olan sonuç bölümünde sonuçlar açık bir şekilde paylaşıldıktan sonra ileriki çalışmalar için öneriler sunulmuştur. Bu çalışmanın sonrasında yapılabilecek bir çok çalışmadan bahsedilmiştir. Bu çalışmaları kısaca tanımlayacak olursak, en başta kontrolcü algoritmanın başka durumlara entegre bir şekilde çalışabilmesi için daha komplex ve genel bir şekilde tanımlanması gelir. Sonrasında tek kütleli bir sistem olarak modellenen aracın tam olarak dört kütleli model şeklinde modellenerek, aracın tüm komponentlerinin neredeyse etkisi daha gerçekçi bir biçimde simule edilecektir. Parçacık sürüsü optimizasyonunun parametreleri de geliştirilebilecek noktalardan biridir. Parametrelerin belirlenmesinde var olan farklı yaklaşımlar denenebilir. Son olarak bu sistem gerçek araç üzerinde yolda denenerek doğruluğu test edilmiş olacaktır. Bu bölümden sonra tezin içerisinde ayrıntılı olduğu için direkt olarak anlatılmamış ekler verilmiştir. Sonuçları gösterilmeyen senaryoların hepsinin sonucu ve bu sonuçların yorumları da ekler bölümünde mevcuttur.
Özet (Çeviri)
As the day goes on, there are some new trends which aim to product higher automated, safer and more comfortable vehicles in automotive industry. In order to achieve this aim, original equipment manufacturers (OEM) try to design higher automated, advanced driver assistance systems (ADAS) and implement to their vehicles. Implementation started with active safety features such as anti-lock braking system (ABS), electronic stability program (ESP) etc. which makes the vehicle safer in terms of vehicle dynamics and behaviours. Then this evolves to implementation of driver assistance systems which provide more driving comfort with safety nowadays. Moreover, developing ADAS features increase the vehicle safety, enhance driving convenience, increase fuel efficiency, reduce traffic accidents, improve pedestrian safety. But it is known that still there are many questions and discussions related with safety. Any sensor or algorithm failure can cause hazardous effect unless controller algorithms are robust and inclusive for all use cases in environment. Also with developing features and applications, legislations and standards are started to be established. Thus, in order to meet the requirements and provide safety, algorithms should be more comprehensive and well-designed. As a result of this, the calibration or optimization of this algorithms is becoming a problem. At this point, automated optimization algorithms is able to handle this problem more unique. This thesis includes the design of adaptive cruise controller (ACC) algorithm and optimization method for that algorithm to achieve the objectives which are defined. Main scope of this thesis is implementation of optimization algorithm and its results. Firstly, in order to generate realistic results and behaviours, longitudinal vehicle model is built on Matlab/Simulink platform. Then, created ACC and vehicle model are connected. Various scenarios are generated on AVL VSM vehicle dynamics simulation software to simulate the following vehicle for each controllers which are conventional cruise control (CCC) and ACC respectively. Finally, particle swarm optimization (PSO) algorithm is connected to the complete model to optimize the defined variables and results are interpreted according to requirements. Apart from main flow of thesis; in the first chapter purpose of thesis is briefly given and literature is reviewed, the second chapter gives detailed information about concept and controller methodologies of ACC, then longitudinal vehicle dynamic equations and Simulink model integration are presented. Conventional and current controller optimization methods are briefly demonstrated in the fourth chapter and PSO is reviewed with relevant samples. Then, in the fifth chapter, the whole system is tackled, integration of vehicle model, controller and optimization tool are shown with using defined scenarios. As a last chapter, conclusions are explained and further studies are suggested.
Benzer Tezler
- Çekici tip kamyonlar için dikey park algoritması geliştirme
Development of a perpendicular parking algorithm for truck-trailer
CENK SÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
- Destek vektör regresyonu ile PID kontrolör tasarımı
Design of PID controller via support vector regression
KEMAL UÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLAY ÖKE
- Active slam with informative path planning for heterogeneous robot teams
Heterojen robot takımları için bilgilendirici yol planlamalı aktif EZKH
MEHMET CANER AKAY
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Adaptive elliptic trajectory based received signal strength indicator antenna tracking algorithm
Adaptif eliptik yörünge tabanlı alınan sinyal gücü göstergesi anten takip algoritması
ALİ İHSAN TAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET İŞCAN
- A Study of indirect fuzzy sliding mode control for robotic manipulators
Robot manipulatörler için dolaylı bulanık mantıklı kayan kipli denetim üzerine bir çalışma
KEMALETTİN ERBATUR
Doktora
İngilizce
2000
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKYAY KAYNAK