Otonom bir otomobil için hız kontrolörü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of speed controller for an autonomous car
Yazar: ŞAFAK GÜNER
Danışman: PROF. DR. ATA MUĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Otomobil = Automobile ; Otomotiv = Automotive ; Otonom sistemler = Autonomous systems

Özet:
Bilginin insanlık açısından zengin, kolay erişilebilir ve kullanılabilir olduğu bu çağda, teknolojik birikimin artmasıyla ürün çeşitliliğinin bollaştığı, beraberinde üretimin ve tüketimin zirve yaptığı yadsınamaz bir gerçektir. Bunun sonucunda birçok sektör için ürün bazında çeşitlilik neredeyse limit değerlere ulaştığından, üretici firmaların çoğunluğu pazar paylarını küçültmemek veya satışlarını arttırmak için yeni buluşlar çıkarmak yerine mevcut olanı geliştirme yolunu tercih etmiştir. Daha kaliteli ve nitelikli ürünlerle tanışan tüketici bunu bir alışkanlık haline getirmiş, sanayi de var olan bu talebe daha fazla eğilmiştir. Böylelikle üretici-tüketici arasındaki ticari alış-veriş konfor, kalite vb. özelikler çerçevesinde kısır bir döngüye girmiştir.Sürekli değişikliğin ve ilerlemenin yaşandığı platformlardan biri de rekabetin can alıcı olduğu otomotiv sektörüdür. Önceleri hız ve güç öncelikli tercihlerin günden güne konfor ve güvenliğe doğru kaymasıyla, üreticiler de Ar-Ge kaynaklarını zamanla bu yöndeki çalışmalara aktarmaya başlamıştır. Otomatik vites, ABS, hidrolik direksiyon, ESP, hava yastığı gibi yarı otonom olarak adlandırılabilecek yapılar bu çalışmaların ilk aşamalarında çıkmış sonuçlar olarak sayılabilir. Yakın zamanda ise araçlara acil durumda kendiliğinden fren yapma, hız sabitleme, kendi kendine park etme, sürücüyü uyuduğunda uyarma gibi özelikler eklenerek yarı otonom sistemlerdeki gelişim devam etmiştir. Bu tarz sistemler evrimlerini tamamladıklarında bir sonraki safha tam otonom sistemlere, yani otonom araçlara geçiş olacaktır.Otonom araçlar, bulunduğu noktadan hedef olarak girilen koordinatlara herhangi bir insan müdahalesi olmaksızın yönüne ve hızına kendisi karar vererek giden sistemlerdir. Bu tez çalışmasında, O3 projesi(Okan Otonom Otomobil) kapsamında prototipi geliştirilen otonom araca yönelik bir hız kontrolörü tasarlanmış ve tasarlanan bu yapı hem simulasyon ortamında hem de yol testlerindeki uygulamalarla sınanmıştır. Hız kontrolörün otonom araçtaki temel rolü elektronik bir sinyal olarak verilen referans hızda yolun eğimine ve diğer bozucu etkenlere bakmaksızın aracın gitmesini sağlamaktır.Hız kontrolörün temelini oluşturan bu tez altı başlık altında hazırlanmıştır. Öncelikle otonom araçlara niçin gereksinim duyulduğu konusuna deyinilmiş ve bu sistemlerin getireceği avantajlar ele alınmıştır. Daha sonra bugüne kadar yapılan benzer çalışmalardaki yapılar ilgili kavramlar ve aygıtlarla birlikte incelenmiştir. O3 projesi için planlanan otonom aracın genel yapısına ve bu sistem içinde yer alacak olan hız kontrolörünün önemine yine bu bölümde değinilmiştir.İkinci bölümde ise otomobillerdeki alt sistemleri denetleyen elektronik modüllerin birbiri ile yüksek hızlarda minimum düzeyde hatayla haberleşmelerini sağlayan ve CAN olarak adlandırılan ağ topolojisi irdelenmiştir. Elde edilen bilgiler ışığında araç üzerinde bulunan haberleşme hattına bağlanılmış, yapılan denemeler sonucunda sürüş esnasındaki anlık hız, ivme, gaz pedalı basış oranı, motor torku gibi bilgiler okunmuş ve anlamlandırılmıştır.Bir sonraki bölümde otonom aracın boyuna kontrolü için ihtiyaç duyulan iki ana fonksiyon, ivmelenme sistemi ve frenleme sistemi, tüm detaylarıyla incelenmiştir. İnceleme sonucunda otomobilin hızlanmasını ve yavaşlamasını sağlayan bu sistemlere dışarıdan elektronik bir işaretle müdahale edebilmek için gerekli mekatronik düzenek ve elektronik devre tasarlanmış, oluşturulan yazılım ile test edilmiştir.Otonom aracın motor, güç aktarma organları ve fren sistemini de içeren boyuna dinamik modeli dördüncü bölümde çıkarılmış, MatLAB programı da kullanılarak farklı referans hız girişleri için bozucu etkenlerle beraber simule edilmiştir.Beşinci bölümde ise hiyerarşik bir yapıya sahip hız kontrolörün genel hatlarıyla tasarımı gerçekleştirilmiş ve alt kontrolörler belirlenmiştir. İvmelenme ve frenleme sistemini denetleyecek olan alt kontrolcülere ait katsayıların hesaplanması ve hem benzetim ortamında hem de yol testleri ile iyileştirme işlemleri de yine bu aşamadadır. Yapılan hesaplamalar sonucunda hız kontrolörünü somutlaştırmak için tasarım, VisualStudio programı kullanılarak C dilinde bilgisayar ortamına taşınmış, üçüncü bölümdeki oluşturulan donanımla birlikte gerçek ortamda uygulamaya konmuştur.Son olarak çalışılan konu tekrar gözden geçirilmiş, karşılaşılan zorluklar, hız kontrolörünün eksikleri, iyileştirilebilecek yanları ve gelecekte yapılabilecekler tartışma konusu edilerek, ele alınmıştır.

Abstract:
In our era, when the information is rich, easily accessed ,and utilized; it is an undeniable fact that the product diversity has been increased and the production and consumption have reached at the top with the technological accumulation. As a result, fabricant companies have preferred progressing the existing, instead of making innovations in order to augment the sales or not to decrease the market shares, as the product variety has almost raised a limiting value. The consumer, who met more qualified and more aggravated products, has been used to the situation, and the industry has inclined more to this demand. Consequently, commercial relations between the fabricant and consumer have fallen into a vicious cycle in accordance with comfort, quality, etc.One of the platforms with continual changes and developments is the automobile sector, in which the competition is crucial. As the preferences have shifted from speed and power to comfort and security day by day, fabricants have started to transfer their research and development resources to the studies in that effect. Structures, which can be called ?semi-autonomous? like automatic transmission, ABS, power steering, ESP, airbag can be counted as the first outputs of this kind of works. Recently, the progress in semi-autonomous systems have continued with adding vehicles the features like self-braking in emergency cases, fixing the speed, self-parking, warning the driver in case he sleeps. Once this sort of systems have completely evolved, the next step will be to skip to fully autonomous systems ? to autonomous systems, in other words.Autonomous vehicles are the systems which go to the target coordinates given in the start point without human intervention and by self deciding to speed. Autonomous vehicles perceives their environments with sensors on them. The data from the sensors are evaluated in a central unit and signals are sent to the controllers to activate the actuators.Autonomous vehicles can be classified into three main classes, autonomous ground vehicles (AGV), autonomous air vehicles (AAV) and autonomous underwater vehicles (AUV). In this thesis focused on the autonomous ground vehicles. There are very important advantages of these vehicles. The most important advantage is ability to minimize accidents. If statistics are examined, it is clear that a large portion of the causes of accidents are human origined. Fatigue, insomnia, attention deficit, drunkenness are a few reasons of the human origined accidents which autonomous vehicles never have. It reduces the errors which causes from driver. In addition, autonomous vehicles can response in milliseconds for sudden situations unlike human and it helps to prevent the accidents. So if an emergency event happens autonomous system will take early precaution than human.Another important advantage of these vehicles is fuel save and low CO2 emission. Autonomous vehicles have a lot of sensors on them so with the help of these sensors they can see the road situations and optimize vehicle path. Balanced use of gas and brake also helps fuel efficiency. It is very important for nature.The number of vehicles in traffic is increasing with each passing day. Road capacity cannot support more vehicles and it causes heavy traffic problem especially in big cities. It is a huge problem in modern age. Autonomous vehicles can use the roads effectively then human because they can go closer to the other vehicles. In a sudden situation they can reflect quickly. Because of these reasons, traffic congestion can be reduced.Another big advantage of autonomous vehicles is it helps the people who cannot drive car. Especially disabled or elderly people have a lot of problems to go to somewhere. To travel from point A to point B without any human assistance and human help is a big comfort. Autonomous vehicles can also be used to avoid situations that are harmful to people (battlefields or disaster-zones, explosions and bomb disabling).Considering these advantages an autonomous vehicle is conceived. In this thesis study, a speed controller has been designed for the automobile to which a prototype is developed as part of the O3 project (Okan Autonomous Automobile) and this structure has been tested both in simulation and with applications in road tests. The main role of the speed controller is to ensure the vehicle to go in the reference speed given as an electronic signal regardless of the slope and other vitiating factors. The speed controller consist of two main sub systems which are called brake system and acceleration system. If the road slope is positive then the acceleration system is activated. If the road slope is negative braking system is activated. Acceleration system is controlled with the help of an electronic card which is designed just for this purpose. Unlike acceleration system, braking system is controlled with a mechanical structure. A linear motor is put on the brake pedal and according to the control signal it moves forward or back.This thesis which constructs the basis of the speed controller is prepared under six titles. First of all, the subject ?why autonomous vehicle is needed? is mentioned and the advantages of this system is argued. Then, the structures in studies to date are analyzed with related concepts and devices. Again, the general frame of the autonomous vehicle planned for O3 project and the importance of the speed controller that will be included in this system is discussed here.In the second section, the network topology called CAN, which provides high speed communication with minimum errors between electronic modules that control subsystems in automobiles is explicated. In the light of information obtained, a connection is made with the communication line on the vehicle, and a software is developed to get data like immediate speed during drive, acceleration, tread ratio of the gas pedal, motor torque are read and explained.In the next section, the two main functions for longitudinal control, acceleration system and braking system are analyzed in detail. After the analysis, mechatronic mechanism and the electronic circuit needed for intervening to these systems externally with an electronic signal to control the acceleration and slowdown are prepared and tested with the software developed.The longitudinal dynamic model of the autonomous vehicle which involves motor, power transferring organs and brake system is settled in the fourth section, and along with the MatLAB program, it is simulated with vitiating factors for different speed inputs.In the fifth section, the design of the speed controller with an hierarchical structure is made broadly and the sub controllers are stated. Calculation of the coefficients of sub controllers which control acceleration and braking, and the redevelopment processing with both in the simulation medium and road tests are again in that part. Design for formalizing the speed controller is shifted to computer by Visual Studio program using C language and executed with the hardware composed in the third section.Finally, the study is revised, and the difficulties come up, the defects of the speed controller, the points that could be improved and what it can be done in the future are discussed.It is suspected that autonomous vehicles will improve safety on the road. In near future autonomous ground vehicles will be an important technology of our lives but now it is obvious that it needs to be developed.