Viability of differential braking based steering redundancy for an autonomous vehicle
Otonom bir araç için diferansiyel frenleme tabanlı direksiyon yedekliliğinin uygulanabilirliği
- Tez No: 854222
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 66
Özet
Bu tezin merkezi teması, direksiyon sistemlerinin arıza yapması durumlarında, otonom araçlar için alternatif bir direksiyon yöntemi olarak diferansiyel frenlemenin keşfidir. Diferansiyel frenleme, tekerleklere farklı frenleme kuvvetleri uygulanmasını içerir ve Araç Stabilite Kontrolü (ESC) ve Diferansiyel Fren Destekli Direksiyon (DBAS) gibi sistemlerin temeli olmakla birlikte, araç stabilitesini ve manevra kabiliyetini artırır. Giriş bölümü, otonom sürüş teknolojilerinin hızlı ilerlemesi ve özellikle yüksek hızlarda direksiyon sistemlerinin arızalanmasıyla ilişkili potansiyel riskler nedeniyle otonom araçlarda yedek sistemlerin artan önemini vurgular. Diferansiyel frenleme, bu tür kritik durumlarda kullanılabilecek bir yedek direksiyon sistemi olarak tanımlanmıştır. Literatür araştırmasında, diferansiyel frenlemenin viraj stabilitesini iyileştirmede ilk kullanımından, çarpışma önleme ve şerit koruma gibi karmaşık araç kontrol görevlerini kolaylaştıran Model Öngörülü Kontrol (MPC) ve bulanık mantık gibi gelişmiş kontrol stratejileriyle entegrasyonuna kadar olan evrimi izlenir. Teknoloji, Nissan Maxima gibi araçlardaki ilk uygulamalarından, araç kullanımını geliştirmek için aktif direksiyon sistemleriyle birleştirilen sofistike uygulamalara kadar ilerlemiştir. Metodoloji bölümü, bir NATO standardına dayanan çift şerit değiştirme (DLC) manevrası aracılığıyla diferansiyel frenlemenin acil bir direksiyon sistemi olarak değerlendirilmesini tanımlar. Otonom aracın DLC manevrası sırasında referans bir yol çizgisi oluşturmak için Sabit Hız Dengesi Artı Sinüs modeli seçilmiştir. Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) ile optimize edilmiş iki PID kontrolcüsü, yol yörüngesi ve yalpa açısındaki sapmaları en aza indirmek için uygulanmıştır. PID kontrolcüerinin kazançları, kuş sürülerinin doğal davranışlarından esinlenen bir optimizasyon algoritması olan PSO ile ayarlanmıştır. PSO, arama alanındaki parçacıkların pozisyonlarını ve hızlarını iteratif olarak güncelleyerek en iyi çözümü bulur; bu süreç, bir bedel fonksiyonunun değerlendirilmesini, mevcut ve önceki en iyi değerlerin karşılaştırılmasını ve genel minimum bedelin belirlenmesini içerir. Hızlar ve pozisyonlar belirli denklemler kullanılarak hesaplanır; atalet ağırlığı, bilişsel ve sosyal parametreler gibi hiperparametreler ve sistem stabilitesini ve yakınsamayı sağlayan bir kısıtlama faktörü içerir. Bu araştırmada, PSO hesaplama süresini azaltmak için yalnızca yan pozisyon PID kontrolcüsünün oransal kazancını optimize etmek üzere basitleştirilmiştir; integral ve türev kazançlar yalpa açısı PID kontrolöründen enterpolasyonla alınmıştır. Negatif PID kazançları bedel değerleri sonsuza eşitlenerek dışlanmış ve bedel fonksiyonu mutlak hata integralinin bir varyasyonuna dayandırılmıştır. Yoğun frenleme sırasında tekerlek kaymasını yönetmek için bir pseudo-ABS sistemi tanıtılmıştır, bu sistem optimal frenleme performansını sağlar ve çekiş kaybını önler. Pseudo-ABS sistemi, uzunlamasına kaymayı kontrol etmek için frenleme kuvvetini ayarlamak üzere algoritmik koşullu ifadeler üzerinde çalışır; kontrol marjları lastik ve zemin özelliklerine göre özelleştirilmiştir. Sistem değerlendirmesi için, yüksek doğruluklu bir araç modeli ADAMS Car ile Simulink'teki kontrolcünün entegre edildiği bir ko-simülasyon yaklaşımı kullanılmıştır. Bu ko-simülasyon şemasında, ADAMS Car aracın bir sonraki durumunu simüle eder ve uzunlamasına ve yan pozisyonu, yalpa açısını Simulink'e gönderir; Simulink daha sonra her iki taraf için fren yüzdesini hesaplar ve bunu ADAMS Car'a geri gönderir. Simülasyonlar için işleme frekansı 100 Hz olarak ayarlanmıştır ve simülasyonlar 35 km/s ve 60 km/s araç hızlarında gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar, ADAMS Car'da tipik kuru asfalt için 0.8 olarak seçilmiş yol adhezyon katsayısına sahip varsayılan düz bir yol kullanır. ADAMS Car'daki hız kontrolcüsü, aracın frenleme nedeniyle doğal olarak hız kaybetmesine rağmen belirtilen hızı korur. Simülasyonlar için kullanılan araç modeli, önemli teknik verilere ve doğrulanmış bir ADAMS Car modeline sahip FED Alpha'dır. Sonuçlar, daha yüksek hızlarda, aracın pist sınırları içinde DLC manevrasını başarıyla gerçekleştirebildiğini, ancak yanıtta bir gecikme olduğunu gösterir. Pseudo-ABS sistemi, uzunlamasına kaymayı etkili bir şekilde kontrol eder, lastik çekişini korur. Araç, düşük hızlarda DLC manevrasını hızlı bir şekilde gerçekleştirirken, yüksek hızlarda oransal kazanç fazla agresif olabilir, bu da hız bağımlı ayarlamaların önemini vurgular. Pseudo-ABS sistemi, lastiklerin tutunmasını sağlayarak uzunlamasına kaymayı etkili bir şekilde kontrol eder. 35 km/s hızda araç, gecikmesiz bir şekilde DLC manevrasını tamamlar, ancak yüksek hız için ayarlanmış oransal kazanç bu durumda fazla olabilir. Ön tekerlek geometrisinin, diferansiyel frenleme performansı üzerindeki etkisini inceleyen bu araştırma, scrub radiusun kritik rolünü vurgulamaktadır. Scrub radius, king pin eğimi (KPI) ekseni ile yer seviyesindeki tekerlek düzlemi arasındaki yan ofset olarak tanımlanır ve direksiyon sistemi üzerindeki kuvvetlerin moment kolunu temsil eder. Simülasyon sonuçları, scrub radiusun belirli bir eşik değerin altında kaldığında, yeterli direksiyon torku üretilemediğini ve bu durumun başarılı direksiyon manevralarını engellediğini ortaya koymaktadır. Diğer yandan, aşırı büyük scrub radius değerleri, artan direksiyon çabası, hızlı lastik aşınması ve azalan yol hissi gibi olumsuz etkilere yol açmaktadır. Ayrıca, düzensiz yüzeylerde direksiyon titreşimlerine ve beklenmedik direksiyon hareketlerine neden olabilir, bu da sürüş güvenliği ve konforu açısından ciddi bir tasarım zorluğu oluşturur. Bu nedenle, araştırma, diferansiyel frenleme kontrolü ve direksiyon titreşimleri arasında optimal bir denge sağlayan ve engel kaçınma manevralarını yönlendirmek için yeterli direksiyon torku üreten bir scrub radius değerinin belirlenmesinin önemini vurgulamaktadır. Araştırma ayrıca, PID kontrolörlerinin basit yapısına rağmen, manevraları yüksek hızlarda başarıyla tamamlayabildiğini ve aracın hızına özgü kontrol parametrelerinin optimize edilmesiyle performanslarının daha da geliştirilebileceğini göstermektedir. Bu bulgular, diferansiyel direksiyonun, uygun tasarım ve kontrol parametreleri ile otonom araçlarda güvenilir bir yedek direksiyon sistemi olarak hizmet edebileceğini ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, diferansiyel frenlemenin otonom araçlar için güvenilir bir yedek direksiyon sistemi olarak uygulanabilirliğini yüksek doğruluklu çoklu gövde dinamikleri simülasyonları ile desteklemektedir. Gelecekteki araştırmaların, bu tür sistemlerin geliştirilmesi için model tabanlı kontrol sistemlerinin tahmin yeteneklerinden yararlanmayı hedeflemesi beklenmektedir. Bu yaklaşım, otonom araçların güvenliğini ve güvenilirliğini artırmada önemli bir adım olabilir.
Özet (Çeviri)
The exploration of differential braking as an alternative steering method for autonomous vehicles is a pivotal theme of this research, particularly in the context of steering system failure. Differential braking, which applies varying braking forces to the wheels, has been integral to enhancing vehicle stability and maneuverability in systems like Electronic Stability Control and Differential Braking Assisted Steering. This thesis underscores the importance of redundant systems in autonomous vehicles, given the rapid advancements in autonomous driving technologies and the inherent risks of steering system failures, especially at high speeds. Differential braking emerges as a promising safety net in such critical situations. The historical progression of differential braking is examined, from its initial role in cornering stability to its integration with advanced control strategies that enable sophisticated vehicle control tasks. The technology has evolved significantly, now being combined with active steering systems to improve vehicle handling. The research methodology involves assessing differential braking as an emergency steering system through double lane change maneuvers based on NATO standard. A reference trajectory is generated for the vehicle, and two PID controllers are optimized to minimize trajectory and yaw angle deviations. The optimization process uses a heuristic algorithm inspired by natural swarms, Particle Swarm Optimization, which iteratively updates to find the optimal solution. The algorithm's parameters are carefully chosen to ensure stability and convergence, with the optimization process tailored to reduce computation time. A pseudo-ABS system is introduced to manage wheel slip during intense braking, ensuring optimal braking performance and preventing loss of traction. The system adjusts braking force based on longitudinal slip, with control margins customized to the tire and ground characteristics. A co-simulation approach is employed, integrating a high-fidelity vehicle model with the controller, to evaluate the system. The simulations are conducted at different vehicle speeds, with the optimized controller gains derived from the higher speed. The vehicle model used is well-documented and validated, ensuring the reliability of the simulation results. The findings reveal that at higher speeds, the vehicle can successfully navigate the maneuver within the course boundaries, though with some response lag. The pseudo-ABS system effectively controls longitudinal slip, maintaining tire traction. At lower speeds, the vehicle performs the maneuver with minimal delay, but the gains tuned for higher speeds may be too aggressive, indicating the need for speed-dependent tuning. The impact of front wheel geometry on differential braking performance is also explored, with the scrub radius identified as a critical suspension parameter. Simulations with varying scrub radii show that there is a threshold below which the necessary steering torque for successful maneuvers is not produced. While larger scrub radii improve differential braking effectiveness, they are not typically preferred for road vehicles due to the negative implications for steering effort, tire wear, and road feel. The study concludes that the default scrub radius offers an optimal balance, allowing the vehicle to follow the reference path with minimal steering wheel oscillations. In conclusion, the research confirms the viability of differential braking as a redundant steering system for autonomous vehicles, as demonstrated by successful simulations of obstacle avoidance maneuvers. The simple yet effective PID controllers could be further enhanced by optimizing control parameters for specific vehicle speeds. The significant influence of front wheel geometry, particularly the scrub radius, on the success of differential steering is highlighted, with an optimal radius being necessary to generate sufficient steering torque while minimizing unwanted steering vibrations. The potential of differential steering as a reliable redundant steering system is underscored, with future work aimed at leveraging predictive model-based control systems to refine such systems in autonomous vehicles.
Benzer Tezler
- State of charge estimation of lithium-ion batteries using machine learning approach
Makine öğrenmesi yaklaşımı kullanılarak lityum iyon pillerin şarj durumu tahmini
OSMAN ALPER ALTUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE AYAZ
- Metalaşan ölüm: İstanbul Ermeni geleneğinde cenaze törenleri
Commoditized death: Traditional funeral ceramonies of İstanbul Armenians
MARAL CİVANYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Müzikİstanbul Teknik ÜniversitesiMüzikoloji ve Müzik Teorisi Ana Bilim Dalı
PROF. SONGÜL KARAHASANOĞLU
- Üretral onarımda kullanılmak üzere nanobiyomalzemelerin hazırlanması
Preparation and characterization of nanobiomaterials for urethral repair
GAMZE MERCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYLEM GÜVEN
- Financial modelling with random bridge signals and forward information
Rassal köprü tipi sinyaller ve ileriye dönük bilgiye dayalı finansal modelleme
NADİ SERHAN AYDIN
Doktora
İngilizce
2016
MatematikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFinansal Matematik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GERHARD WİEHELM WEBER
PROF. DR. ANTHONY G.CONSTANTINIDES