Model predictive control and differential braking based steering redundancy for an autonomous vehicle
Otonom bir araç için model öngörülü kontrol ve diferansiyel frenleme tabanlı direksiyon yedekliliği
- Tez No: 949443
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Otomotiv Mühendisliği, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 79
Özet
Otonom sürüş teknolojilerinin yaygınlaşmasıyla birlikte araçlarda kullanılan mekanik sistemlerin yerini, giderek daha fazla elektronik ve yazılım temelli sistemler almaktadır. Bu dönüşümün en belirgin örneklerinden biri, direksiyon sistemlerinde görülmektedir. Geleneksel mekanik direksiyon bağlantılarının yerine geçen steer-by-wire sistemler, fiziksel bağlantılar olmaksızın direksiyon komutlarını elektronik sinyallerle ileterek sürüşü gerçekleştirmektedir. Bu yenilikçi yapı, araç iç tasarımında özgürlük, ağırlık azaltımı, daha hassas kontrol olanakları ve sürüş destek sistemleriyle yüksek entegrasyon gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Ancak, direksiyon sisteminin elektriksel veya yazılımsal bir arıza nedeniyle devre dışı kalması durumunda aracın yönlendirme yeteneğini tamamen kaybetme riski bulunmaktadır. Bu durum, otonom araç güvenliğini tehdit edebileceği gibi, yolcu emniyeti açısından da ciddi sonuçlara yol açabilir. Bu nedenle, steer-by-wire sistemler için alternatif yönlendirme yöntemlerini içeren direksiyon yedekliliği stratejileri büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışması, steer-by-wire sistemlerinde yaşanabilecek potansiyel arıza durumlarına karşı araç kontrolünün sürdürülebilmesini sağlamak amacıyla, Model Öngörülü Kontrol (Model Predictive Control – MPC) temelli yeni bir diferansiyel frenleme tabanlı direksiyon yedekliliği yöntemi önermektedir. Bu yöntemde, aracın ön veya arka tekerleklerine farklı büyüklükte fren kuvvetleri uygulanarak yönlendirme momenti üretilmekte ve böylece direksiyon sistemine alternatif bir kontrol girişi oluşturulmaktadır. Söz konusu yaklaşım sayesinde, steer-by-wire sisteminin işlevini yitirdiği senaryolarda bile aracın seyir rotasına yakın bir şekilde yönlendirilmesi mümkün hale gelmektedir. Önerilen kontrol mimarisi, hiyerarşik iki katmanlı bir yapıya sahiptir. Üst katmanda, araç kütle merkezinin yanal konumu ile aracın yalpalama açısı hatası temel alınarak çalışan iki ayrı PID denetleyici yer almaktadır. Bu denetleyiciler, sürüş güvenliğini sağlayacak şekilde referans direksiyon açısı ve referans eğrilik (curvature) değerlerini üretmektedir. Bu değerler, alt kontrol katmanına iletilmekte ve burada MPC tabanlı bir kontrolör tarafından işlenerek, optimal sol ve sağ tekerlek fren kuvvetleri hesaplanmaktadır. MPC denetleyici, araç modelinin gelecekteki davranışlarını belirli bir zaman ufku boyunca öngörerek hem araç stabilitesini hem de rota takibini güvence altına alacak kontrol kararlarını vermektedir. Belirlenen fren kuvvetleri, son aşamada ABS kontrolörüne aktarılmakta ve tekerlek kilitlenmesini önleyen, aynı zamanda istenen yönlendirme momentini üreten bir şekilde uygulanmaktadır. Literatürde diferansiyel frenleme, genellikle araç stabilitesini artırmak veya kayma açısı/yalpalama hızı sapmalarını düzeltmek amacıyla kullanılmıştır. Ancak bu çalışmada diferansiyel frenleme, birincil bir direksiyon yedeklilik mekanizması olarak yeniden tanımlanmış, lastik-yol etkileşimlerinden doğan kendi hizalama momenti ve sürtünme yarıçapı gibi fiziksel etkiler de dikkate alınarak optimize edilmiştir. Böylece araç, aktif bir direksiyon sistemi olmaksızın yalnızca frenleme kuvvetleriyle yönlendirilebilmiştir. Bu bütünleşik yaklaşım, hem sistem güvenilirliğini artırmakta hem de klasik steer-by-wire mimarilerine kıyasla arıza toleransını yükseltmektedir. Önerilen yöntemin etkinliğini değerlendirmek amacıyla, simülasyon çalışmaları MSC ADAMS/Simulink ortak simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. Araç modeli olarak, yüksek performanslı askeri bir prototip olan FED-Alpha kullanılmıştır. Simülasyon senaryoları, hem düşük hızda (35 km/s) hem de yüksek hızda (60 km/s) gerçekleştirilen NATO Çift Şerit Değiştirme (Double Lane Change – DLC) manevralarını kapsamaktadır. Bu manevralarda, steer-by-wire sisteminin devre dışı olduğu varsayılmış ve sadece diferansiyel frenleme kontrolüyle referans rotanın izlenip izlenemeyeceği test edilmiştir. Simülasyon ortamında, kontrol sisteminde kullanılan iki farklı direksiyon modeli karşılaştırılmıştır. İlki, direksiyon sistemini basit bir dinamik sistem olarak modelleyen ve yalnızca genel sertlik, sönümleme ve kütle parametrelerini içeren basitleştirilmiş modeldir. İkincisi ise, direksiyon sistemini daha ayrıntılı şekilde temsil eden; alt bileşenlerin kütle ve atalet özellikleri, ağırlık merkezi konumları, sürtünme yarıçapı, kendi hizalama momenti gibi fiziksel etkileri de dikkate alan detaylı bir modeldir. Elde edilen sonuçlar, düşük hız koşullarında her iki modelin de benzer rota takip performansı sunduğunu ortaya koymuştur. Ancak yüksek hızlardaki manevralarda, detaylı modelin hem yörünge takibinde hem de araç stabilitesinin korunmasında belirgin bir üstünlük sağladığı görülmüştür. Bu model, daha doğru ve zamanında fren kuvveti tahminleri ile denge kayıplarını önlemekte, ayrıca ABS sistemiyle daha etkin bir iş birliği gerçekleştirmektedir. Bu da diferansiyel frenleme temelli direksiyon yedekliliğinin yüksek hızlarda dahi başarıyla uygulanabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, steer-by-wire sistemlerin güvenliğini artırmak amacıyla diferansiyel frenleme mekanizmasının birincil yönlendirme kaynağı olarak kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. MPC algoritması sayesinde, sadece fren kuvvetleriyle yönlendirme sağlanabilmekte ve araç arıza durumunda dahi görevine devam edebilmektedir. Ayrıca, kontrol sistemine entegre edilen kendi hizalama momenti ve sürtünme yarıçapı gibi detaylı fiziksel parametreler, kontrol performansını önemli ölçüde artırmaktadır. Bu çalışma, özellikle fail-safe (hata emniyetli) sistemlerin geliştirilmesi açısından, ileri seviye kontrol stratejilerinin otomotiv uygulamalarına nasıl entegre edilebileceğini göstermesi bakımından önemlidir. Gelecekteki çalışmalar, gerçek zamanlı gömülü sistem uygulamaları, adaptif kontrol yöntemleri ve donanım testleri ile bu yöntemin sahada uygulanabilirliğini daha da ileriye taşıyabilir. Aynı zamanda, daha gerçekçi bir direksiyon sisteminin modele entegrasyonu da planlanmaktadır. Bu kapsamda, sadece genel sertlik ve sönümleme katsayılarının değil, tüm direksiyon sistemi bileşenlerinin detaylı dinamik özellikleri göz önünde bulundurulacaktır. Özellikle, direksiyon sistemi parçalarının dönme ataletleri, lastik-jant sisteminin dönme ataleti ve diğer ara elemanların ataletleri ayrı ayrı hesaplanarak sisteme dahil edilecektir. Bu daha kapsamlı modelleme sayesinde, kontrol sisteminin gerçek arıza koşullarındaki tepkileri daha doğru şekilde simüle edilebilecek ve kontrolcü davranışı daha hassas hale getirilebilecektir.
Özet (Çeviri)
With the widespread adoption of autonomous driving technologies, traditional mechanical systems in vehicles are increasingly being replaced by electronic and software-based systems. One of the most prominent examples of this transformation is observed in steering systems. Steer-by-wire systems, which replace conventional mechanical steering linkages, transmit steering commands via electronic signals without any physical connection, thereby enabling the steering task. This innovative structure provides significant advantages such as design flexibility, weight reduction, more precise control capabilities, and high integration with advanced driver assistance systems. However, in the event of an electrical or software failure in the steering system, the risk of a complete loss of steering capability arises. Such a condition may not only compromise the safety of autonomous vehicles but also pose serious threats to passenger safety. Therefore, steering redundancy strategies involving alternative steering methods for steer-by-wire systems are of great importance. This thesis proposes a novel differential braking-based steering redundancy method supported by Model Predictive Control (MPC), which aims to maintain vehicle controllability under potential failure scenarios in steer-by-wire systems. In this method, steering moments are generated by applying different magnitudes of braking forces to the left and right wheels, thereby creating an alternative steering input. Through this approach, the vehicle can maintain its ability to follow the desired path even when the steer-by-wire system is nonfunctional. The proposed control architecture is designed as a two-layer hierarchical structure. In the upper layer, two PID controllers operate based on the lateral position error of the vehicle's center of gravity and the yaw angle error. These controllers generate reference values for the steering angle and curvature required for safe driving. These reference values are transmitted to the lower control layer, where an MPC based controller computes the optimal braking forces for the left and right wheels. The MPC controller predicts the future behavior of the vehicle model over a defined time horizon and generates control decisions that ensure both vehicle stability and path tracking. The calculated braking forces are then sent to the ABS controller, which applies them in a way that prevents wheel lock while generating the desired yaw moment. In the literature, differential braking is commonly used to enhance vehicle stability or correct deviations in sideslip angle or yaw rate. However, in this study, differential braking has been redefined as a primary steering redundancy mechanism, and physical effects such as self-aligning moment and scrub radius arising from tire-road interactions are also incorporated into the optimization. In this way, the vehicle can be actively steered solely through braking forces, even in the absence of a functioning steering system. This integrated approach enhances system reliability and increases the fault tolerance of steer-by-wire architectures. To evaluate the effectiveness of the proposed method, simulations were conducted using the MSC ADAMS/Simulink co-simulation environment. The FED-Alpha, a high-performance military prototype vehicle model, was used for this purpose. Simulation scenarios included NATO Double Lane Change (DLC) maneuvers performed at both low speed (35 km/h) and high speed (60 km/h). In these scenarios, it was assumed that the steer-by-wire system was deactivated, and the vehicle was required to follow the reference trajectory using only differential braking control. Two different steering models were compared within the simulation environment. The first is a simplified model that represents the steering system as a basic dynamic structure using only general stiffness, damping, and mass parameters. The second is a detailed model that includes physical effects such as the mass and inertia of subcomponents, the position of the center of gravity, scrub radius, and self-aligning moment to more accurately represent the steering dynamics. The results showed that under low-speed conditions, both models provided similar path-following performance. However, under high-speed maneuvers, the detailed model exhibited a clear advantage in terms of both trajectory tracking and maintaining vehicle stability. This model enabled more accurate and timely braking force estimations, prevented loss of balance, and ensured more effective coordination with the ABS system. These findings confirm that differential braking-based steering redundancy can be successfully applied even at high speeds. In conclusion, this thesis demonstrates that differential braking can be used as a primary steering mechanism to enhance the safety of steer-by-wire systems. Through the MPC algorithm, steering can be achieved using only braking forces, allowing the vehicle to maintain operational capability even in failure scenarios. Furthermore, the integration of detailed physical parameters such as self-aligning moment and scrub radius into the control system significantly improves control performance. This study is particularly important for the development of fail-safe vehicle systems, as it highlights how advanced control strategies can be integrated into automotive applications. Future studies may focus on real-time embedded implementation, adaptive control techniques, and hardware-in-the-loop testing to further validate the approach. At the same time, the integration of a more realistic steering mechanism into the model is also planned. In this context, not only the general stiffness and damping coefficients but also the detailed dynamic characteristics of all steering system components will be considered. In particular, the rotational inertia of the steering assembly, wheel–tire system inertia, and the inertial properties of connecting elements such as tie rods and bushings will be separately calculated and included in the model. Through this more comprehensive modeling, the system's response under real-world failure conditions will be more accurately simulated, and controller behavior will be improved accordingly. Additionally, nonlinear effects such as tire relaxation length will be incorporated, as they play a significant role in tire force generation, especially during high-speed maneuvers. With the inclusion of such factors, the controller's performance particularly under demanding dynamic scenarios will be significantly enhanced. In addition, nonlinear effects arising from tire–road interaction, such as tire relaxation length, are also planned to be incorporated into the modeling. These effects play a critical role in the generation of tire forces, especially during high-speed maneuvers, and therefore have a direct impact on the performance of the controller. In this context, by achieving a more accurate representation of tire dynamics and enhancing the physical realism of the steering system, the accuracy and stability of the control system under high-speed scenarios are expected to improve significantly.
Benzer Tezler
- Viability of differential braking based steering redundancy for an autonomous vehicle
Otonom bir araç için diferansiyel frenleme tabanlı direksiyon yedekliliğinin uygulanabilirliği
DORUKHAN TOKAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
- Araçlarda ABS ve ESC sistemleri için düşük hesaplama yüküne sahip gürbüz model öngörülü kontrolcü tasarımı
Robust model predictive controller design with low computational burden for ABS and ESC systems in vehicles
JAFFAR SEYYEDESMAEILI
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH BAŞÇİ
DR. ARASH FARNAM
- Design and control of a novel Eddy current dynamometer
Yeni bir Eddy akım dinamometrenin tasarımı ve kontrolü
İHSAN ULUOCAK
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN YAVUZ
- Taşıtlara etkileyen kuvvetler ve taşıt titreşimleri
The Forces acting on vehicles and vehicle vibrations
RUHİ ÇELİKKAYA
- Kontrollü lagrange yöntemleri ve uygulamaları
Controlled lagrangian methods and applications
HÜSEYİN ALPASLAN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN