Çekici tip kamyonlar için dikey park algoritması geliştirme
Development of a perpendicular parking algorithm for truck-trailer
Yazar: CENK SÖZEN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otonom araç konusu, gün geçtikçe önemi artan ve üzerine oldukça fazla çalışılan, otomotiv alanında köklü değişikliklere sebep olabilecek bir çalışmadır. Bu konuda bir çok büyük araç üretici firmalar ile bu firmalara çeşitli sistemler konusunda destek sağlayan tedarikçi firmalar dahil çalışmalar oldukça hız kazanarak devam etmektedir. Bir çok firma kuruluş amaçları araç üretmek, araç üreticilerine çeşitli sistemler sağlamak olmasına rağmen otonom araçlardan kaynaklanacak değişimlere uyum sağlamak için mobilite, yazılım gibi kendi alanlarının dışında kalan alanlara da yönelmektedir. Benzer şekilde otomotiv sektöründe geçmişte çalışmamış Google, Uber gibi bir çok firma, sektördeki bu yönelimden dolayı otomotiv ile ilgili çözümleri çalışmaya başlamış ve sektöre giriş yapmıştır. Köklü değişikliklerin başında bu konu gelmektedir. Bunun nedeni gelişen teknolojiyle birlikte, araç kullanımı esnasında gerek trafikten gerekse güvenlik sorunlarından dolayı, insanların daha fazla kendine ait araç alma yerine ortak kullanım gibi çözümlere yönelmeleri gelmektedir.
Otonom sürüş konularında çalışmalar devam ederken, araçlarda bulunan mevcut sürücü destek sistemleri de paralel olarak gelişmeye devam etmektedir. Adaptif hız sabitleyici, gelişmiş acil durum fren sistemi ve çeşitli park yardımcı sistemleri gibi oldukça kapsamlı sistemler geliştirilmektedir. Araştırmacıların büyük bir kısmı direkt olarak otonom araçlar çalışılsa da bu çalışmalara giden yolun sürücü destek sistemlerinin kademeli olarak geliştirilmesiyle ulaşılması gerektiğini savunmaktadır. Bu şekilde hem sürücülerin gelişen teknolojiye uyum sağlaması hem de yasal uygulamaların gelişmesi ile araç üretici firmaların bu sistemleri daha güvenli bir şekilde geliştirerek ilerleyebileceği düşünülmektedir.
Yapılan araştırmalarda, gerçekleşen kazaların büyük bir çoğunluğunun direkt ya da dolayı olarak insan faktörlerinden kaynaklanmasından (~%90) dolayı sürücü destek sistemlerinin ve otonom araçların gelişmesinde özellikle güvenlik faktörü daha fazla aktif olarak rol oynamaktadır. Bu sistemler sayesinde sürücülerin, yolcuların ve yayaların daha konforlu ve güvenli bir seyahat gerçekleştirmeleri mümkün olacaktır.
Bu kapsamda geleceğe yönelik çalışmalar incelendiğinde, otonom araçların günümüzde çeşitli uygulamalar ile geliştirilme çalışmaları devam etmesine rağmen uygulama alanlarının oldukça kısıtlı olduğu görülmektedir. Bu çalışmaların hız kazanarak ilerlemeye devam edip, belirli uygulama alanlarında kademeli olarak aktif bir şekilde yer alması ön görülmektedir. Bunun sebeplerinden biri günümüzde bu tarz araçlar için uluslararası yasal düzenlemelerin olmaması gelmektedir. Sadece belirli ülkelerde, çeşitli limitlemelerle (araç içinde herhangi bir tehlikeli duruma karşı aracı kontrol edebilecek sürücü bulunması vs…) test amaçlı izinler alınarak çalışmalar devam etmektedir.
Teknoloji bu yönde ilerlemeye devam ederken ilk olarak yapılabilecek çalışmaların ulaşımda yük ve yolcu taşıma alanında daha fazla kullanımı öngörülmektedir. Bu yüzden çalışmalar ağırlıklı olarak bu tip araç uygulamalarında yoğunlaşmaktadır. Taksi yada otobüs gibi araçlarla yolcu taşıma amaçlı ve kamyonlar ile ise yük taşıma
xviii
amaçlı uygulamaların ilk aşamaları çalışılmaktadır. İlk uygulama alanları ise şehirler arası yollarda şehirler arası yol pilotu (Highway Pilot) ve arka arkaya araç kontrolü (Platooning) gibi günümüzde mevcut diğer sürücü destek sistemleri özelliklerin birleştirip, geliştirilmesiyle oluşturulan çeşitli fonksiyonlarla araç kontrolünün yapılmasıdır. Diğer bir uygulama ise kampus gibi limitlenmiş bir alanda yolcu taşıma çalışmalarıdır. En fazla çalışılan diğer bir uygulamada şekli ise tanımlı/belirli bir alanda (yükleme alanında yükün alınması-boşaltma alanına yükün bırakılması ve arada şehirler arası yollardaki sürüş gibi vs…) kamyon tipi araçlarla yük taşımaya yöneliktir.
Bu çalışmada üzerinde yoğunlaşılan alan da, yakın gelecekte ticari olarakta ilk uygulamalarının görülebileceği alanlardan biri olan yükleme/boşaltma alanındaki otonom sürüşe örnek teşkil eden park senaryosudur. Günümüzde normal araçlar (dorsesiz şahsi araçlar…) için çeşitli park manevralarıyla ve kontrol yöntemleri ile bir çok firma araçlarında farklı otonom seviyelerinde park edebilen sistemler sunmaktadır. Ancak kamyonlar gibi ağır ticari araçlarda sunulan herhangi bir park yardım özelliği sunulmamaktadır.
Çalışmamızda araç olarak, kontrolün zorluğundan dolayı yardıma en fazla ihtiyaç duyulması beklenen ve günümüzde bir uygulaması olmayan dorseli çekici tip kamyon seçilmiştir. Bu tip park manevralarında gerek dorsenin uzunluğundan dolayı gerekse dorsenin normal araç park manevrasına göre farklı davranmasından dolayı deneyimli sürücülerin dışında normal sürücülerin dahi zorluk yaşadıkları gözlemlenmiştir ve bu sorun üzerine çalışmanın bu konuda yapılması uygun bulunmuştur.
Yapılan çalışmanın amacı yükleme yada boşaltma alanına gelen çekici bir kamyonun geliştirdiğimiz algoritma ile yükleme bölümüne sürücüden herhangi bir destek almadan, otonom olarak park etmesidir. Bu alanlarda genel olarak dorsenin dikey olarak park etmesi gerektiğinden dolayı dikey park senaryosuna odaklanılmıştır. Park alanında uygun olan park mesafesine ve aracın başlangıç pozisyonuna göre değişen bir algoritma geliştirilmiştir. Bu koşullarda oldukça fazla çözüm mevcuttur. Ancak bu çalışmada geleceğe yönelik yapılabilecek çalışmalara da örnek olması açısından üç ana park senaryosu üzerinden geliştirme yapılmıştır. Belirlenen üç ana park senaryoları hem en uygun olan hem de normal sürüşler esnasında en sık kullanılan park manevraları üzerinden geliştirilmiştir.
Algoritmanın geliştirilmesinin tamamında Matlab programı kullanılmıştır. Sonuçlar ise yine Matlab programında iki boyutlu simülasyonlar ile görselleştirilerek incelenmiştir.
Araç modellemeleri için ise kinematik denklemler, bisiklet model yaklaşımı ve aracın hareket kısıtlamaları ile birlikte kullanılarak uygulanmıştır.
Çalışma sonucunda aracın değişen başlangıç pozisyonlarına, açılarına ve park alanının durumuna göre uygun olan park yerine park etmesi başarı ile sağlanabilmektedir.

Abstract:
Autonomous vehicles or drive is a promising development area for automotive industry and academical studies. It causes breakthrough changes in the automotive industry and it will continue to change the technology of automotive in the near future. The studies continue to accelerate by both automotive manufacturers and suppliers which are responsible to provide systems such as advanced driver assistance systems (ADAS), brake systems etc… for the main manufacturers. Although the companies aim to produce vehicles and provide various systems to vehicle manufacturers, they have started to aim at areas which are outside of their own fields such as mobility, software, etc…, in order to adapt to the changes resulting from autonomous vehicles. Similarly, many companies such as Google and Uber which have not worked in the automotive sector in the past, have started to work on automotive related solutions due to this trend in the sector. The reason for this is people‟ intentions to go to solutions such as common use instead of taking their own vehicles because of the traffic problems or security problems during the use of the vehicles with the developing technology.
While manufacturers are developing fully autonomous vehicles, advanced driver assistance systems which are seen as the first steps of autonomous vehicle by most of the researchers are developing further at the same time. Adaptive cruise control, advanced emergency brake system and park assist are some good examples of these ADAS. Vehicles have sensor to understand the surroundings such as radar, camera and decide to act for suitable choice (for example, braking and acceleration control for AEBS and ACC, steering control for LKA). In this way, it is thought that vehicle manufacturers can move forward by developing these systems more securely. It gives time for adaptation of drivers for the development of technology and the development of legal applications.
Drivers‟s comfort and safety have increased as well as it‟s surroundings by the on-going developed systems. According to studies, the mainly reason of vehicle accidents(~%90) are human factors (directly or indirectly). So the main goal for the development of ADAS or autonomous vehicles is reducing the accidents. Thanks to these systems, it is possible for drivers, passengers and pedestrians to carry out more comfortable and safe travel. For example, while driver is on the highway and adaptive cruise control is set, vehicle will react every possible accident situations in it‟s lane such as decelerating or accelerating with the latest technologies. It will increase drivers‟ safety as well as his comfort in this case.
In this context, it is observed that while the studies for the future are examined, the applications of the autonomous driving are still limited. It is anticipated that these studies will continue to gain momentum and gradually take place actively in specific application areas. One of the reasons for this is that nowadays there is no international legal requirements for such vehicles. Only in certain countries, there are possibilities to drive with test permits, with various limitations (including the presence of drivers who can control the vehicle against any dangerous situation in the vehicle, etc.).
xx
As technology continues to progress in this direction, it is foreseen that the first applications can be applied in the area of freight and passenger transportation. These areas are the most suitable for autonomous drive and profitable for the companies. Therefore, studies are mainly concentrated on such vehicle applications. The first stages of applications for passenger transport will be applied for taxi or bus and for cargo transport will be applied for trucks. One of the first application areas are Highway Pilot and Platooning feature which works at mostly the inter-city roads. It is a combined ADAS feature with other existing driver support systems. Another application is to carry passengers in a restricted area such as the campus. In the other application that works most, is intended to carry loads with a defined / specific area (such as loading on the loading area - unloading on the loading area and driving between the cities, etc…). Surroundings are limited with this way and fully autonomous vehicles can be used more securely. This case can be most suitable for autonomous drive at the same time because it can give the drivers break time while loads are discharging or it can give the developer time and scenarios for the development of the systems and it is applied on controlled surroundings.
The focus of this study is park scenarios that are an example of autonomous driving in the loading / unloading field. It can be one of the first areas where commercial applications can be seen in the near future. Today, parking systems at various autonomous levels with various parking maneuvers and control methods are offered for passenger cars at many automotive manufacturers. However, there is not any applications of assistance offered on heavy commercial vehicles such as trucks.
As a vehicle which is used for the study, truck-trailer application is chosen. It is expected to be most needed for assistance because of the control difficulty. This type of parking maneuvers are the worst case scenario for even normal drivers because of the length of trailer and behavioural difference of even the base parking maneuver.
Despite academical studies in this area and the parking aid systems developed for passenger cars, no further study has been conducted on the direct autonomous parking of a truck-trailer today.
A special share of the attention has been directed towards articulated vehicles(such as Truck-Trailer…). Much of this is due to the role they play in the cargo industry, which is regarded as being a vital component of the economy. It is one of the reasons for being first applications of autonomous vehicles. The reasons for using articulated vehicles over rigid vehicles are mainly two factors;
- Articulated vehicles allow for much sharper turns than their rigid counterparts of the same size
- They make it possible for the wheels to keep contact with the ground when its surface is uneven.
However, articulated vehicles do have the crucial drawback of the jackknife which is the folding of the vehicle into a position that it cannot come out of. This position is easier to fall into during the reverse motion as compared to the forward motion, due to the former being unstable as opposed to the latter.
According to informations which are given above, the aim of the study is chosen to develop a parking algorithm for truck-trailer to park autonomously in the loading/unloading areas. The vertical parking scenarios are mainly focused on these cases because of surrondings of park area and maneuver to park trailer for loading
xxi
area. Also, the drivers mainly use the perpendicular parking maneuvers because of the reasons which are mentioned as well.
According to the parking area limits, the starting position and angle of the truck/trailer and location of appropriate the parking spot, the algorithm has been developed in order to cover varies scenarios. There are a lot of solutions in these conditions. However, in this study, three main used case conditions have been determined in order to be an example for future studies. The three main parking scenarios that have been identified and have been developed over the most common parking maneuvers and optimum parking maneuvers.
The system which is developed can be analyzed in two parts. First part is to find suitable parking spot for the truck. Second part is to find the right parking algorithm (one of the three main parking logics) in order to park the truck for the input parameters of the system(parking area limits, location and angle of the truck…).
First parking algorithm is applied when there isn‟t enough space in front of the truck but there is enough space at it‟s right side(upper limit of parking area). It is aimed to make sharpest turn possible.
Second parking algorithm is applied when there is enough space in front of the truck but there isn‟t enough space at it‟s right side. It is focused for most suitable and used parking maneuver.
Third parking algorithm is applied when there isn‟t enough space in front of the truck and at it‟s right side. It is aimed to use available space to begin right parking maneuvers.
First and second parking algorithms are mainly focused for minimum area and maneuver. However, third one isn‟t designed for limited maneuver number. It is mainly focused on just parking slot so the maneuver numbers is higher then first and second one. Steering angle and speed of the trucks are the main input of the algorithm. Suitable linear speed is specified for the truck. On the other hand, suitable steering angle can be changed in order to track the arc which is created by goal points. According to maintain constant turn, when truck starts turning steering angle is constant and specified at the begining of the maneuver.
For the path which needs to be created and tracked, goal point approach is used. It is similar approach to pure-pursuit strategy. According to algorithm, goal points are created for each maneuver. After the points are specified, an arc is created and truck is controlled by necessary steering angle and linear speed between positions and different angles to track the arc.
When driver enters the loading area for loading or unloading, the parking systems gets active or activated by driver and take control of the truck. The algorithm takes initial positions of the truck-trailer together with angles. Then, it starts to search a suitable parking slot with defined side of parking slots. First goal is to reach the suitable parking slot. Truck continue to move until it reaches the parking slot. After truck gets near the parking slot, algorithm measures the distance and lateral distance for upper limit of parking area.
According to the distance difference between parking area limits and truck‟s position, system chooses the optimum algorithm to park. While the chosen algorithm is applied, only the vehicle limitations are considered for error such as hitch angle
xxii
which is the angle between truck and trailer, maximum turning angle(angle of front tyres).
At the last maneuver, forward maneuver is applied for correction to park in a good condition. According the algorithm, vehicle is always parked for connection of loading/unloading building.
Matlab program was used to develop the complete algorithm. Also, the results are visualized by 2D simulation in Matlab program.
Kinematic equations which will be mentioned in next pages have been applied in the vehicle models together with bicycle model approach and vehicle movement constraints.
As a result of the study, it is possible to park successfully in the specified parking spot with changeable inputs of the systems.