Taşıt savrulma açısal hızının sanal sensör kullanılarak tahmin edilmesi ve taşıt yanal dinamiğinin kontrolü
Vehicle yaw rate estimation using virtual sensor and vehicle lateral dynamics control
Yazar: MÜMİN TOLGA EMİRLER
Danışman: DOÇ. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Benzetim programları = Simulation programs ; Benzeştirme = Simulator ; Gözlemleyici = Observer ; Kalman-Bucy filtresi = Kalman-Bucy filter ; Kinematik = Kinematic ; Kontrol yapıları = Control structures ; Kontrol yöntemleri = Control methods ; Matlab = Matlab ; Mekatronik = Mechatronics ; Mekatronik sistemler = Methacronics systems ; Model öngörümlü denetim = Model predictive control ; Otomatik denetim = Automatic control ; Otomatik denetim sistemleri = Automatic control systems ; Otomobil = Automobile ; Sistem dinamiği = System dynamics ; Sistem modelleme = System modelling ; Taşıt dinamiği = Vehicle dynamic

Özet:
Bu tez çalışmasında otomotiv kontrolü ve mekatroniği alanında önemli çalışma konuları olan taşıt durum tahmini ve taşıt dinamiği kontrolü konuları ele alınmıştır.Çalışmanın ilk ana konusu sanal sensör kullanılarak taşıt savrulma açısal hızının tahmin edilmesidir. Yapılan sanal sensör tasarımı, kinematik ve dinamik tahmin bölümlerinden oluşmaktadır.Kinematik tahmin ABS'li taşıtlarda standart olarak bulunan tekerlek açısal hızı sensörlerinden elde edilen açısal hız bilgileri ve çeşitli taşıt parametreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tekerleklerde frenleme ve ani ivmelenme durumunda oluşan boyuna kayma da dikkate alınarak yeni bir kinematik tahmin algoritması geliştirilmiştir. Dinamik tahminde ise hıza bağlı kazancı değişen bir gözetleyici kullanılmıştır. Sanal sensör tasarımı standart manevralar kullanılarak benzetim ortamında, donanım içeren taşıt benzetimcisinde ve son olarak deneysel çalışmalarla sınanmış ve sonuçlar çalışmada gösterilmiştir.Çalışmanın ikinci ana konusu taşıt yanal dinamiğinin kontrolü yani taşıt savrulma açısal hızının ve taşıt yana kayma açısının istenen değerde tutulmasıdır. Bu amaçla model tabanlı bir kontrolcü tasarlanmıştır. İstenen savrulma açısal hızı değerleri hıza bağlı tek izli taşıt modelinden elde edilmiş, istenen taşıt yana kayma açısı ise sıfır olarak alınmıştır.Tasarlanan kontrolcü, üst ve alt kontrolcüden oluşmaktadır. Üst kontrolcü tasarımı, model öngörülü kontrol yöntemi kullanılarak tasarlanmıştır. Üst kontrolcü, kablolu direksiyon sistemi yoluyla ön tekerlek dönüş açılarına ve fren sistemi yardımıyla tekerlek torklarına müdahalede bulunmaktadır. Alt kontrolcü, bir tekil frenleme algoritmasından oluşmaktadır. İstenen ve ölçülen savrulma açısal hızı değerleri alt kontrolcüde değerlendirilerek tekil frenleme yapılacak tekerlek belirlenmektedir. Kontrolcü tasarımı, doğrusal olmayan tek izli taşıt modeli ve CarMaker taşıt modeli kullanılarak sınanmıştır ve sonuçlar çalışmada verilmiştir.Tezin son bölümünde yukarıda bahsedilen iki ana konu birleştirilmiştir. Sanal sensörlü bir taşıtın yanal dinamiğinin kontrolü üzerinde durulmuştur. Burada amaç kontrol sisteminde kullanılması gereken savrulma açısal hızı değerlerinin sanal sensörden elde edilmesidir. Bu durumda kontrolcünün çalışması ve savrulma açısal hızı tahmini, CarMaker taşıt modeli kullanılarak benzetim ortamında test edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, vehicle state estimation and vehicle dynamics control, which are the most important topics of automotive control and mechatronics, are discussed.The first main topic of this thesis is vehicle yaw rate estimation using virtual sensor. This virtual sensor design consists of kinematic and dynamic estimation parts.Kinematic estimation is performed using wheel speed data and some vehicle parameters. Wheel speed data are obtained from standard wheel speed sensors which are available in vehicles with ABS. A novel kinematic estimation algorithm is presented. This algorithm considers the slip of the tires during braking and sudden accelerating. In the dynamic estimation part of the virtual sensor, a velocity scheduled observer is used. Virtual sensor design is tested in the simulation environment, using vehicle simulator and lastly in the actual road testing. The obtained results are shown in this work.The second main topic of this thesis is vehicle lateral dynamics control. Vehicle lateral dynamics control means keeping the vehicle yaw rate and the vehicle side slip in desired values. For that reason a model-based controller is designed. Desired yaw rate is obtained from the single track vehicle model and desired side slip angle is chosen as zero.Designed controller consists of two parts, lower and upper controller. Upper controller is designed using model predictive control method. This upper controller changes front wheel steering angles via steer-by-wire system and also it interferes the wheel torques using vehicle braking system. Lower controller is an individual wheel braking algorithm. Lower controller determines the braking wheel using the desired and measured vehicle yaw rate. Designed controller is tested using the single track vehicle model and CarMaker vehicle model. Moreover, the results are shown in this thesis.In the last part of the thesis, abovementioned two main topics are merged and lateral dynamics control of a virtual sensor equipped vehicle is examined. The purpose of this approach is to obtain the vehicle yaw rate values, which are required for control system, using designed virtual sensor. In this situation, the working of control system and the estimation of the vehicle yaw rate are tested together using CarMaker vehicle model in the simulation environment.