Otonom araçlar için kooperatif adaptif seyir kontrol sistemi tasarımı, benzetimi ve analizi
Cooperative adaptive cruise control system design, simulation and analysis for autonomous vehicles
Yazar: SENANUR SARIHAN
Danışman: DR. MUMİN TOLGA EMİRLER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Ulaşım, toplumu doğrudan etkileyen merkezi bir faktördür ve ulaşım sistemlerinde yapılan değişiklikler, hem insanları hem de çevreyi etkiler. Akıllı ulaşım sistemleri, araçlar, taşınan yükler, rotalar ve yolcular gibi unsurları kontrol etmek için ulaşım altyapısı ile iletişim ve bilgi sistemlerini entegre eder. Aynı zamanda yol güvenliğini artırmayı, araç yıpranmasını azaltmayı, yolculuk süresini ve yakıt tüketimini düşürmeyi amaçlar. Artan trafik sıkışıklığı ve trafik kazalarının artması, otonom sistemlerin geliştirilmesini teşvik etmiştir. Bu sistemler seyir kontrolü, adaptif seyir kontrolü ve kooperatif adaptif seyir kontrolü olarak üç ana kategoriye ayrılabilir. Bu kategoriler, sürüş deneyimini optimize etmek ve trafik akışını iyileştirmek için geniş bir yelpazede teknolojik yenilikler sunarlar.

Seyir kontrol sistemleri, sürücünün konforunu ve güvenliğini artırmak için tasarlanmıştır. Ulaşım sektöründe önemli bir rol oynayarak trafik sorunlarına çözümler sunmayı hedefler. Adaptif seyir kontrol sistemleri, araç seyir kontrolüne ek olarak öndeki araçla güvenli bir mesafe sağlayarak sürücüye yardımcı olur. Sürücü direksiyona odaklanırken aracın boylamasına direksiyonu otomatik olarak gerçekleşir. Araçların hızını ve mesafesini otomatik  ayarlayarak konvoy halinde hareket etmelerini kooperatif adaptif seyir sistemleri sağlar. Bu sistemler, trafikte daha etkili ve güvenli bir şekilde hareket etmeyi amaçlar. Kooperatif adaptif seyir kontrol sistemleri, otonom ve bağlantılı araç uygulamalarının gelişimini hızlandıran, güvenli ulaşım teknolojilerinin yükselişini sağlayan otomotiv teknolojisinin gelecekteki önemli bir bileşenidir.

Bu çalışmada, kooperatif adaptif seyir kontrol sisteminin geri beslemeli kontrol kısmı için parametre uzayı tabanlı analitik bir yöntem önerilmektedir. Tasarım sürecinde, alt seviye eyleyicilerde gözlemlenen saf zaman gecikmesi belirsiz bir parametre olarak ele alınmıştır. Ek olarak, konvoydaki araçlar arasındaki konum hatasını azaltmayı ve kontrol performansını artırmayı amaçlayan ileri beslemeli kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Önerilen tasarım, adaptif seyir kontrol sistemi ile donatılmış dört araçlı bir konvoy için iki farklı senaryoda karşılaştırılmıştır. Sonrasında kooperatif adaptif seyir kontrol sistemli iki aracın arasına adaptif seyir kontrol sistemli aracın dahil olduğu üç araçlı konvoy ile  kooperatif adaptif seyir kontrol sistemli üç araç konvoyu karşılaştırılmıştır. Yöntemin etkinliği, konvoy sürüş çalışmaları için tasarlanan ve hazırlanan CARLA-MATLAB/Simulink ortamındaki benzetim çalışmalarıyla gösterilmiştir. Elde edilen benzetim sonuçları değerlendirilmiştir.

Abstract:
Transport is a central factor that directly affects society, and changes to transport systems affect both people and the environment. Intelligent transportation systems integrate transportation infrastructure and communication and information systems to control elements such as vehicles, transported loads, routes and passengers. It also aims to improve road safety, reduce vehicle wear, and reduce travel time and fuel consumption. Increasing traffic congestion and the increase in traffic accidents have encouraged the development of autonomous systems. These systems can be divided into three main categories: cruise control, adaptive cruise control and cooperative adaptive cruise control. These categories offer a wide range of technological innovations to optimize the driving experience and improve traffic flow.

Cruise control systems are designed to increase driver comfort and safety. It aims to provide solutions to traffic problems by playing an important role in the transportation sector. In addition to vehicle cruise control, adaptive cruise control systems assist the driver by maintaining a safe distance from the vehicle in front. Longitudinal steering of the vehicle occurs automatically while the driver focuses on steering. Cooperative adaptive navigation systems enable vehicles to move in convoys by automatically adjusting their speed and distance. These systems aim to move more effectively and safely in traffic. Cooperative adaptive cruise control systems are an important future component of automotive technology, accelerating the development of autonomous and connected vehicle applications and enabling the rise of safe transportation technologies.

In this study, an analytical method based on parameter space is proposed for the feedback control part of cooperative adaptive cruise control systems. In the design process, the observed pure time delay in lower-level actuators is treated as an uncertain parameter. Additionally, a feedforward controller design is implemented to reduce the position error between vehicles in the convoy and enhance control performance. The proposed design is compared for a convoy equipped with an adaptive cruise control system in two different scenarios. Subsequently, a comparison is made for a three-vehicle convoy where two vehicles are equipped with the adaptive and cooperative adaptive cruise control system.
The effectiveness of the method is demonstrated through simulation studies conducted in the CARLA-MATLAB/Simulink environment designed and prepared for convoy driving research.