Şerit takip desteği sistemi için fonksiyonel emniyet analizi
Functional safety analysis for lane keeping assistance system
Yazar: EMİR KUDUN
Danışman: DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Emniyet = Safety ; Fonksiyonel emniyet = Functional safety ; Takip = Stalke ; Şerit yöntemi = Strip method ; Şeritler = Bond plates

Özet:
Günümüzde araç sayısının artması ile birlikte trafik kazaları ve bu kazalardan kaynaklı ölüm ve yaralanmaların sayısı artış göstermektedir. Bunları azaltabilmek için otomotiv sektöründe birçok çalışma yapılmaktadır. Elektrik/elektronik sistemlerin sayısı arttıkça karmaşıklaşan sistemlerin sebep olabileceği problemleri engellemek için fonksiyonel emniyet konusu önem kazanmıştır. Sürüş konusunda destek sağlamak, sürücünün görev yükünü azaltmak için İleri Sürücü Destek Sistemleri (ADAS) geliştirilmektedir. Şerit Takip Desteği Sistemi, Kör Nokta Algılama Sistemi, İleri Acil Frenleme Sistemi, Uyarlamalı Hız Sabitleyici, Şeritten Ayrılma Uyarı Sistemi, Park Asistanı, Trafik Işığı Algılama bu sistemlere örnek olarak verilebilmektedir. 
Sensörler, otonom araç uygulamalarının önemli parçalarından birisidir. İleri Sürücü Destek Sistemlerinde sensörler, trafik ortamı hakkında veri üretip gerekli birimlere ileten parçalardır. Nesneleri, engelleri, yol altyapısını algılamaya ek olarak, aracın konumu, hızı gibi birçok bilgiyi belirlemek için kullanılmaktadır. Kamera, lidar, radar en çok tercih edilen sensörlerdir. Otonom sürüş sırasında şerit işaretlerini veya yoldaki diğer çizgileri takip etmek için kameralar kullanılmaktadır.
Kamera ile şerit sınırlarını algılanıp, aracın şeritten ne kadar saptığı belirlendiğinde bu bilgi Elektronik Kontrol Ünitesi'ne aktarılmaktadır ve aktarılan bilgi burada işlenip, Şerit Takip Desteği Sistemi devreye sokulmaktadır. Aracın şeritten çıkması durumu, yapılan araştırmaların sonucuna göre genellikle sürücünün dikkatsizliğinden kaynaklanmaktadır. Sürücülerin bu tarz hatalarını engelleme konusunda İleri Sürücü Destek Sistemleri hayati rol oynamaktadır. Bu tezde ele alınan Şerit Takip Desteği Sistemi, SAE otonom seviyelerinin özelliklerine bakıldığında Seviye 1 olarak tanımlanabilmektedir. 
Seviye 1 özelliği, devreye alındığında hızlanma/frenleme veya direksiyon ile sürücüye yardım sağlamaktadır. Sürüşten sürücü sorumludur. Tezde yapılan çalışma için, sürücüye ek bir direksiyon desteği sağlanıp, aracın şeridine sokulmasına yardımcı olunmaktadır. Bu sistem ile uyumlu olarak çalışan Şeritten Ayrılma Uyarı Sistemi de sürücüyü uyararak aracın kendi şeridinde tutulmasına yardımcı olmaktadır. Otomotiv Mühendisleri Birliğine göre 6 farklı otonomi seviyesi vardır ve bunlar seviye 0'dan seviye 5'e doğru şeklindedir. Seviye 0 otonomi yok, seviye 5 ise tam otonomi olarak tanımlanmaktadır. Seviye 0'da sürüşten sürücü sorumlu iken, seviye 5'te sürücünün müdahalesi olmadan araç tamamen kendi başına hareket edebilecek yetkinliğe sahiptir.
Bu tezin ilk amacı, İleri Sürücü Destek Sistemleri'nden birisi olan Şerit Takip Desteği Sistemi'nin fonksiyonel emniyet analizini gerçekleştirmektir. Şerit Takip Desteği Sistemi, birçok motor üreticisi tarafından kullanılan, üzerine çalışmalar yapılan endüstride yaygın olan bir özelliktir. Bu tezde, literatürdeki Şerit Takip Desteği Sistemlerine ve ISO 26262 yol araçları için fonksiyonel emniyet standardı çerçevesinde uygulanması gereken adımlarına yer verilmiştir. Ayrıca otonom araç konusunda önemi gittikçe artan Amaçlanan Fonksiyonun Emniyeti (SOTIF) açıklanmıştır ve fonksiyonel emniyet ile farklarından bahsedilmiştir. ISO 26262 fonksiyonel emniyet, sistem arızalarının sonucunda oluşabilecek makul olmayan riskleri önlenmesini kapsamaktadır. Sistem arızası olmadan ortaya çıkan emniyet tehlikelerini içermemektedir. SOTIF ise, fonksiyonel yetersizlikler dolayısı ile amaçlanan sistemin çalışmaması ve güvensiz çalışması durumunda oluşabilecek makul olmayan risklerin önlenmesini içermektedir. SOTIF, bu nedenle otonom araç çalışmalarında değerlendirilmeye başlanacak bir konudur.
Karayolu araçları fonksiyonel emniyet standardı ISO 26262'dir. Bu standart, IEC/EN 61508 fonksiyonel emniyet standardının bir adaptasyonudur. IEC/EN 61508 standardı, elektrik/elektronik ve programlanabilir sistemlerin uygulaması, tasarlanması hakkında oluşturulmuş uluslararası bir standarttır. ISO 26262 standardı, karayolu araçlarının emniyetli bir sürüş yapabilmesi için geliştirilmiştir. 2018 yılında çıkarılmış en son sürümde, 12 bölüm bulunmaktadır. Araç seviyesinde, sistem seviyesinde, yazılım ve donanım seviyelerinde çalışmalar içerirken, ürün çıktıktan sonraki aşamalar ile ilgili de bilgiler barındırmaktadır. 
Bu tezde, Öge Tanımı, Tehlike Analizi ve Risk Değerlendirmesi ve Fonksiyonel Emniyet Konsepti'nden bahsedilecektir. Bu standart çerçevesinde yapılan analizlerde, öncelikle öge tanıtılmaktadır. Öge tanımı, ögenin, bağımlılıklarının, çevre ile olan etkileşiminin açıklandığı bir çalışmadır. Ögenin tanıtılmasından sonra, ögeye ait unsurların yaşayabileceği arızalar ve bu arızaların risk senaryolarında yaratacağı tehlikenin boyutu belirlenmektedir. Yaşanabilecek kaza durumunda sürücünün ve yolcuların yaralanma seviyeleri, kazaların meydana gelme olasılıkları ve bu senaryolar gerçekleştiğinde durumun kontrol edilebilme seviyesi, Otomotiv Emniyet Bütünlük Seviyesinin (ASIL) atanmasını sağlamaktadır. Bu seviyeler QM, ASIL A, ASIL B, ASIL C ve ASIL D olarak tanımlanmaktadır. QM en düşük risk seviyesini temsil ederken, ASIL D en yüksek risk seviyesini temsil etmektedir. QM seviyede sadece kalite yönetimi yeterlidir. ASIL ve emniyet hedeflerinin belirlenmesinden sonra, fonksiyonel emniyet konsepti aşamasına geçilmektedir. ISO 26262 standardına göre bu aşamanın amacı, emniyet hedeflerinden fonksiyonel emniyet gereksinimlerini türetmek ve bunları gerekli yerlere tahsis etmektir. Her bir emniyet hedefinden en az bir tane fonksiyonel emniyet gereksinimi türetilmesi gerekmektedir ve bu çalışmada Şerit Takip Desteği Sistemi için konu ile ilgili gereksinimler yazılmıştır. Bu adımda, arıza olduğu an ile tehlikeli olayın oluşmasına kadar geçen süre olarak tanımlanan Hata Toleranslı Zaman Aralığı (FTTI) değeri belirlenir. Tez çalışmasının EK B kısmında FTTI ve benzeri kavramlarından bahsedilmektedir.
Bu tez çalışmasının ikinci amacı, Şerit Takip Desteği Sistemi için seviye 1 yazılımı MATLAB/Simulink ortamında geliştirilmesidir. Seviye 1 yazılımı, fonksiyonel düzey olarak adlandırılmaktadır. Örneğin, bir arıza tespit edildiğinde sistem reaksiyonlarının kontrolü sayesinde kontrol edilmektedir. Geliştirilen bu yazılımda aracın ve sürücünün direksiyon açısı, yanal mesafe hesabı şerit içi ve merkez içi tespiti alt bloklar tanımlanmıştır. Şerit Takip Desteği Sistemi kontrol mekanizmasının amacı aracı şeritte tutmak için sürücüye direksiyon desteği sağlamak üzere tasarlanmıştır. Buradaki önemli nokta, sürüşten her zaman sürücü sorumludur.  Bu bilgi Şerit Takip Desteği Sistemi standartlarından biri olan ISO 11270:2014 standardında bulunmaktadır. Ayrıca bu özellik için birçok standart ve regülasyon yayınlanmıştır. Bu çalışmalar sayesinde sistem hakkında bilgiler, performans ve davranışları için test senaryoları oluşturulup değerlendirilmeleri yapılmaktadır. 
Tez için oluşturulan modelde, sürücünün direksiyon açısının, yanal mesafenin, aracın belirlenen şerit ve merkez alanında olup olmadığının hesaplanması gibi çeşitli alt bloklar vardır. Aracın direksiyon açısı 90 dereceden az olduğu durumda araç sağa doğru hareket yaparken, 90 dereceden fazla direksiyon açısı aracın sola doğru gitmesi olarak tanımlanmıştır ve buna göre kontrol mekanizması geliştirilmiştir.  Modelde, şerit içi ve merkez içi olarak belirlenen alanlar referans alınıp, araç şeritten çıkmaya başladığında, sürücü ve destek sistemi ile birlikte araç tekrar merkez alana döndürülmeye çalışılmıştır. Asistan, araç şeridin dışına çıktığında devreye girmektedir ve araç, merkez olarak tanımlanan konuma geri geldiğinde sürüşü sürücü devralmaktadır. Bu mantık çerçevesinde model oluşturulduktan sonra benzetim sonuçları incelenmiştir. 
Bu tez ile birlikte Şerit Takip Desteği Sistemi için bir analiz ve modelleme çalışması literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Today, since there are more vehicles on the road, there are more traffic accidents, which result in more deaths and injuries. Numerous research are conducted in the automotive industry in an effort to reduce these. Functional safety has become more crucial as the number of electrical and electronic systems increases in order to avoid potential issues caused on by increasingly complex systems. The development of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) is intended to ease the task of driving and support drivers. Features such as Lane Keeping Assistance System, Blind Spot Detection System, Advanced Emergency Braking System, Adaptive Cruise Control, Lane Departure Warning System, Parking Assistant, Traffic Light Detection can be given as examples of these systems. Information on the tasks of some ADAS features is given in the below.
Adaptive Cruise Control (ACC) engages instantly the brakes and decrease the vehicle speed to keep the safe distance between the subject vehicle and vehicle in the front. Advanced Emergency Braking System (AEBS) avoids accidents or lessen their effects with decreasing the vehicle speed as much as possible. Blind Spot Detection (BSD) lowers the risk of accidents by detecting the vehicles and objects within determined zones and warns the driver. These examples can be increased depending on the sensors used and the purpose of the feature.
One of the crucial components of applications for autonomous vehicles is sensors. Sensors are the components of Advanced Driver Assistance Systems that produce data about the traffic environment and transmit it to the required units. It is used to determine a variety of information, including the vehicle's current location and its speed, in addition to detecting objects, obstructions, and road infrastructure. The most preferred sensors are those that use cameras, lidar, and radar. Moreover, there are two types of sensors: Active and passive. Camera is the passive sensor. No internal energy source is required for passive sensors. Lidar and radar is active sensors. Active sensors have their own energy source. 
Cameras are used to visualize its surroundings. The data obtained from the cameras. Cameras, which used in autonomus vehicle, resolution is high. Lane Keeping Assistance System feature uses cameras to follow lane markings or other lines on the road. 
Radars are used to determine information about the the object's velocity, distance and direction. Radars serve as a support for other high-resolution sensors when the weather is bad.
Lidars are used to calculate the duration it takes for a light pulse to travel to an object and return to the sensor in order to compute the distance to that object. Lidar technology uses laser beams to function and has a far higher resolution than radar.
In some cases, these sensors cannot provide sufficient accuracy and information when used alone. In order to prevent this situation, the limitation arising from the sensors is tried to be minimized by performing a fusion process called "sensor fusion".
The Electronic Control Unit processes the transmitted information and activates the Lane Keeping Assistance System once the camera detects the lane borders and determines how far the vehicle has deviated from the lane. Based on the conclusions of the surveys, the driver's negligence is frequently to cause when a vehicle departs its lane. When considering the attributes of SAE autonomous levels, Lane Keeping Assistance System mentioned in this thesis can be categorized as Level 1.
The Level 1 feature assists the driver by accelerating/braking or steering when it is activated. The vehicle should always be under the driver's control. Due to the research done for the thesis, the driver is given additional steering assistance and helped to keep the vehicle in its lane. The Lane Departure Warning System, which works in harmony with this system, warns the driver and helps to keep the vehicle in its own lane. There are six distinct levels of autonomy, ranging from level 0 to level 5, according to the Association of Automotive Engineers. Level 0 is known as no autonomy, whereas level 5 is known as fully autonomy. At level 0, the driver is in charge of operating the vehicle; but, at level 5, the vehicle is capable of operating entirely on its own. From level 0 to level 5, complexity of the system increases.
The first purpose of this thesis is to perform the functional safety analysis of Lane Keeping Assistance System, which is one of the Advanced Driver Assistance Systems. Lane Keeping Assistance System is a common feature in the studied industry, used by many engine manufacturers. In this thesis, Lane Keeping Assistance Systems in the literature and the steps that must be implemented within the framework of the functional safety standard for ISO 26262:2018 road vehicles are included. In addition, Safety of Intended Functionality (SOTIF), which is becoming increasingly important in autonomous vehicles, is explained and its differences with functional safety are mentioned. Functional safety is covered by ISO 26262:2018 and addresses unreasonable risks that could happen as a result of system failures. It eliminates safety risks that develop independently of system failure. On the other side, SOTIF includes the prevention of unreasonable risks that may occur in case the intended system does not work due to functional inadequacies and in case of unsafe operation. Therefore, SOTIF is a subject to be evaluated in autonomous vehicle studies.
There are various standards and regulations related to the Lane Keeping Assistance System in the literature. The safety of the driver and passengers is increased, and the environmental impact of vehicles is controlled by these standards and regulations. It also test the performance of the system and defines test conditions as road, weather. ISO 26262:2018 is the functional safety standard for automotive industry. This standard is an adaptation of the IEC/EN 61508 functional safety standard. An international standard for the design and use applications of electrical/electronic and programmable systems is IEC/EN 61508. ISO 26262:2018 standard has been developed to operate road vehicles to drive safely. There are 12 chapters in the most recent edition, which was released in 2018. While studies at the system, vehicle, hardware, and software levels are included, it also gives details regarding the phases following the release of product.
Item Definition (ID), Hazard Analysis and Risk Assesment (HARA) and Functional Safety Concept (FSC) will be covered in this thesis. The analysis carried out in accordance with this standard presents the item initially. Item definition is a document that describes the item, its dependencies and its interaction with the environment. When the Item Definition is completed, Hazard Analysis and Risk Assessment phase is started. Risk scenarios are developed to assess the potential malfunctions the item may experience and the level of hazard of these malfunctions may cause. In the event of an accidents, the severity level of the driver, the probability of exposure and the level of controllability of the situation when risk scenarios occur, ensure that the Automotive Safety Integrity Level (ASIL) is assigned. These levels are defined as QM, ASIL A, ASIL B, ASIL C, and ASIL D. QM represents the lowest level of risk, while ASIL D represents the highest level of risk. Only Quality Management is sufficient at the QM level. Related analysis examined in the Appendix A of the thesis. When HARA is examined, ASILs and safety goals are determined. Top-level safety requirements which called as Safety Goals are established using HARA. After that, Functional Safety Concept phase is started. According to the ISO 26262:2018 standard, the purpose of this phase is to derive functional safety requirements from safety goals and allocate them where necessary. At least one functional safety requirement has to be derived from each safety goal, and in this study the relevant requirements for the Lane Keeping Assistance System have been written. In this step, the Fault Tolerant Time Interval (FTTI) value, which is defined as the minimum time-span between the moment of fault and the possible taking place of an event of hazard is determined. FTTI and similar concepts are mentioned in the Appendix B of the thesis.
The development of Level 1 Lane Keeping Assistance System software in a MATLAB/Simulink environment is the second goal of this thesis project. Software at level 1 is referred to as functional level. As an example, system reactions are controlled when a malfunction is detected. This developed software includes subsystems for in-lane and in-center detection as well as steering angles for both the driver and the vehicle. The control system for the The Lane Keeping Assistance System is designed to provide steering assistance to the driver to keep the vehicle in its lane. Here, it is crucial to remember that driving is always under responsibility of the driver. This information is available in the ISO 11270:2014 standard, which is one of the Lane Keeping Assistance System standards. For this functionality, various standards and regulations have also been published. Because of these investigations, test scenarios are developed and assessed to learn more about the system, its functionality, and its behavior.
The model built for the thesis has a variety of subsystems that calculate variables such as the driver's steering angle, the lateral distance, asisstant factor, whether the vehicle is in the determined lane and center. The control mechanism has been designed in accordance with the model's assumptions that the vehicle drives to the right when the steering angle of the vehicle is less than 90 degrees and to the left when the steering angle is greater than 90 degrees. In the model, the areas defined as in-lane and in-center are taken as references, and when the vehicle started to deviate from the lane, it was attempted to be bring to the center area with the driver and assistance systems. When the vehicle departs a lane, an assistant is activated, and when the vehicle returns to the center-defined position, the driver takes control of the vehicle. Once model was built using this logic, the simulation results are examined accordingly.
With the help of this thesis, an analysis and modeling research for the Lane Keeping Assistance System has been provided to the literature.