Otonom sürüş için bulanık hız planlayıcı tasarımı
Fuzzy speed planner design for autonomous driving
Yazar: BEKİR ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. VOLKAN SEZER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bulanık denetim sistemleri = Fuzzy control systems ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Mekatronik = Mechatronics ; Otonom araçlar = Autonomous vehicles

Özet:
Günümüzde trafikteki araç sayısı her geçen gün artmakta, karayollarının işleyişini bozmaktadır. Bu durum kaza riskini yükseltmekle beraber sürücülerin araba sürmek için harcadığı çabayı da arttırmaktadır. Teknolojinin hızlı gelişmesi sayesinde kullandığımız araçların gün geçtikçe akıllanması, sürücü destek sistemlerinin gelişmesi ve yollardaki otonom araçların sayısının artması insan hayatını kolaylaştırmaktadır. Sürücü destek sistemleri öncelikle hız sabitleyici ve ABS sistemleri ile hayatımıza girmeye başlamıştır. Sonrasında ise adaptif hız sabitleyiciler ve şerit takip desteği ile birlikte gelişen teknolojik ürünler ve sensör kalitelerinin iyileşmesi otonom araçların günümüzde aktif olarak kullanılmasına imkan sağlamıştır. Simülasyon ortamlarının ve araçların matematiksel modellerinin gelişmesi, araçların geliştirilmesinde önemli rol oynamıştır. Simülasyon ortamları ile araçlar üzerinde çalışmak, hem zaman, hem de maliyet açısından avantaj sağlamaktadır.
Bu çalışmada, bulanık hız planlayıcının tasarlanması ele alınmış ve bu tasarıma ilişkin simülasyonlar Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır. Araç dinamiğini simüle etmek için CarMaker platformu kullanılmıştır. CarMaker araç dinamiğini gerçeğe yakın simüle edebilen ve endüstride sıklıkla kullanılan bir platformdur. Tasarlanan bulanık hız planlayıcısı farklı hız planlayıcıları ile kıyaslanmış ve performansı çeşitli metriklerle ölçülmüştür. Ayrıca, bu hız planlayıcı, model araç üzerinde uygulanarak algoritmanın uygulanabilirliği ispatlanmıştır.
Birinci bölümde sürücü destek sistemlerinin günümüze kadar olan gelişmeleri ve sürüş konforuna olan etkisi anlatılmaktadır. Otonom sürüş sistemlerinde kullanılan hız planlayıcıların öneminden ve çeşitlerinden bahsedilmektedir.
İkinci bölümde ise tek izli araç dinamiği modelinin oluşturulması anlatılmaktadır. Bu kapsamda tek izli araç modeli, boylamsal araç modeli ve güç aktarma sisteminin alt bileşenleri hakkında bilgi verilmiş, boylamsal ve yanal kuvvetleri bir arada işleyen tek izli araç modeli geliştirilmiştir. Aynı zamanda geliştirilen araç modeli için test girişleri (Driving Cycle) uygulanarak araç modelinin ivmelenme ve frenleme performansı değerlendirilmiştir. Araç dinamiğini simüle etmek için kullanılan CarMaker platformu ve test edilen araç hakkında bilgi verilmiştir.
Üçüncü bölümde ise aracın yanal hareketini kontrol etmek için kullanılan şerit takip algoritmalarına değinilmiş ve bu algoritmalardan yaygın olarak kullanılan "Pure Pursuit" ve "Stanley" metodları hakkında bilgi verilmiştir.Buna ek olarak tez kapsamında kullanılacak olan "Pure Pursuit" metodunu uygulamak için gerekli adımlar açıklanmıştır.
Çalışmada tasarlanan hız planlayıcısı dördüncü bölümde ele alınmıştır. "Matlab Bulanık Mantık Aracı" kullanılarak tasarlanan hız planlayıcısının parametreleri ve hız planlayıcının giriş bilgilerinin hesaplanması bu bölümde açıklanmıştır.
Beşinci bölümde ise simülasyonu oluşturmak için gerekli parametreler, test pisti, performans kriterleri, konfor parametresi, Unity programı kullanılarak tasarlanan araç oynatıcı ve karşılaştırılan modellere yer verilmiştir. Model araç üzerinde yapılan deneyler, model araç ve test ortamı hakkındaki bilgiler bu bölümde verilmiştir. Aynı zamanda simülasyon ve deney sonuçları analiz edilerek, farklı hız planlayıcıların performansı değerlendirilmiştir.
Altıncı ve son bölümde ise çalışmada elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve konuyla ilgili gelecekte yapılması öngörülen çalışmalara değinilmiştir.

Abstract:
Today, the number of vehicles in traffic is increasing day by day, and disrupting the functioning of highways. This situation increases the risk of accidents and driving effort. The rapid development of the technology is a significant reason for several improvements in this matter, such as the vehicles are getting smarter day to day. Correspondingly, the human life becomes much easier with the development of the driver support systems and the increment in the number of autonomous vehicles on the roads. In that manner, there are several aspects that are taken into cosideration in order to provide a safer, more efficient and more comfortable drive. Considering several aspects that make the driving a challenge, such as other vehicles, different type of roads, traffic lights and signs, it can be highly expected that the aim should be to minimize the difficulties with increasing the driving skills for an accident-free future. As one of the most common systems that is used for this purpose, Driver Assistance Systems come in several adjustments, such as processes where the brake system is able to detect a possible crash or a system that can keep the distance fixed. All of the Driver Assistance Sytems have a common aspect, which is making the driving more reliable and more comfortable, and have started to come into our lives primarily with cruise control and Anti-Lock Braking Systems (ABS).
Afterward, the technological products developed with the adaptive cruise control. Accordingly, the lane tracking support and the improvement of sensor quality enabled autonomous vehicles to be used actively today. The development of simulation environments and mathematical models played an important role in the development of these features. In this manner, using a simulation environment before actually building the product can make sure that the merchandise will be working correctly. Additionally, simulations are very beneficial for investigating the critical scenarios without a consideration of a cost or danger and speeding up the process minimizing the time.
For autonomous vehicles, a big challenge is the speed planner. In this dissertation, the single track vehicle model which allows a physically plausible description of the driving behaviour without a considerable modelling effort, vehicle longitudinal modeling that is a vehicle model to investigate the vehicle behaviour in the longitudinal direction and powertrain subcomponents are explained and additionally, a single track vehicle model has been developed where the longitudinal and lateral forces are processed together. The simulations regarding to this design are carried in Matlab/Simulink environment. CarMaker integration and test platform is used to illustrate vehicle dynamics for improving the fuzzy speed planner algorithm.
The lane tracking algorithms, that are adopted to control the lateral movement of the vehicle are mentioned in this context as well. The ''Pure Pursuit'' and ''Stanley'' are the most common lane tracking algorithms. The Pure Pursuit algorithm mainly determines the steering rate that is required to keep the vehicle on track. The Stanley algorithm is based on a nonlinear feedback function of the cross track error that is the distance between the front axis to the closest path point.
In this context, the CarMaker vehicle dynamics model to be used for the development of the speed planner is established and the design of a fuzzy speed planner has been discussed. The tests of this fuzzy speed planner are carried out on the CarMaker model and the simulations are accomplished via Matlab/Simulink software. In order to evaluate these simulations, car player has been designed in the Unity enviroment. This designed graphical interface makes it possible to reach the data related to the location of the vehicle, its speed and the curve value of the road at a particular time. Accordingly, the test track, the performance criteria and the comfort parameter are determined and a comparison between the speed planners are realized. Considering the favorable simulation results, the tests are established on an RC Car to verify the validity of the fuzzy speed planner.
In the first chapter, the developments of driver assistance systems and their effects on driving comfort are explained. The importance and types of speed planners used in autonomous driving systems are mentioned.
In the second part, the creation of a single-track vehicle dynamics model has been demonstrated. The single-track vehicle model, the longitudinal vehicle model, and the subcomponents of the power transmission system are defined, and furthermore, a single-track vehicle model was developed that combines longitudinal and lateral forces. At the same time, the acceleration and deceleration performance of the vehicle model was evaluated by applying the driving cycle for the developed vehicle model. CarMaker integration and test platform is used to illustrate vehicle dynamics for devoloping and improving the fuzzy speed planner algorithm.
In the third chapter, lane tracking algorithms that are used to control the lateral movement of the vehicle are mentioned. Specifically, the commonly used "Pure Pursuit" and "Stanley" methods are taken into consideration. The necessary steps to apply the "Pure Pursuit" method, which is used within the scope of this thesis, are explained in detail.
The speed planner, that is designed for this dissertation, is discussed in the fourth chapter. The parameters of the speed planner are designed using the "Matlab Fuzzy Toolbox" tool and the calculation of the input information of the speed planner are included in this section as well.
Fifth chapter consists of the required parameters in order to create the simulation, test track, preformance criteria, comfort parameter, the car player that is designed using the Unity program and finally the compared models. In the meantime, simulation results and speed planners are analyzed. The information regarding the model car, the experiments held on it and test setup are also discussed in this chapter.
In the sixth chapter, discussion has been made on the results, and possible future studies are given. The achievements as the result of these simulations indicate that the designed fuzzy speed planner algorithm both keeps the distance between the road and the vehicle to a minimum level and makes little concessions on the comfort. The comfort has a lower performance comparing to the lateral velocity planner due to the rapid acceleration and braking demands of the vehicle speed. When making a comparison only among the lateral acceleration values, the fuzzy speed planner has the best value. Moreover, both road performance and comfort performance of constant speeds are worse than speed planners.
Generally, it is impossible to keep the vehicle's handling, speed, and comfort simultaneously at a high level of performance. As an example of this, a case where it is ensured that the vehicle is driven very fast will sacrifice the road holding and the comfort. On the other hand, an aim for a highly comfortable drive will require a waiving the vehicle's sudden accelerations and turns. As a result, it may not be possible to arrive at the desired destination on time. Optimizing these parameters is one of the most challenging goals of the automotive industry. One important advantage of the speed planner that is developed for this thesis is the ease of its adaptation. For future researches, it is necessary to optimize the parameters of the designed velocity planner (just as in the fuzzy rule table, the input parameters, and the belonging function).