Polinom ekstrapolasyon yöntemiyle engel kaçınım tabanlı yeni bir sanal kuvvet alanı yöntemi
A novel virtual force field method based on obstacle avoidance via polynomial interpolation
Yazar: MEHMET GÜN
Danışman: DOÇ. DR. AYDIN KAYA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK KÜRKÇÜ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Otonom bir aracın yer değiştirebilme yeteneğinin kilit noktası hareketin sergilendiği ortamda bulunan hareketli veya hareketsiz tüm engellerden kaçınarak başlangıç noktasından varış noktasına çarpışmasız bir şekilde ilerleyebilmesidir. Bu tez çalışmasında; otonom hareketin en büyük gereksinimlerinden biri olan engel kaçınım probleminin çözümüne ilişkin yeni bir yöntem sunulmaktadır. Bu yöntemde temel olarak; aracın veya bulunduğu ortamdaki hareketli engellerin yakın geçmişlerindeki yol izlerinden polinom ekstrapolasyonu ile gelecekteki hareket davranış fonksiyonları tahmin edilip ortamdaki engellerle bir çarpışma durumunun olup olmayacağı tespit edilmektedir. Sunulan bu yöntem; engel kaçınımı konusunda birçok akademik çalışmada yer bulmuş Sanal Kuvvet Alanı teorisi (Virtual Force Field - VFF) ile entegre edilip simülasyon ortamı kurulmuştur.  İlk olarak; temel bir otonom araç dinamiği sabit engellerin bulunduğu ortamlar için modellenmiştir. Çekici ve itici kuvvetlerin etkisinde kalan aracın hedefe doğru ilerlerken engellerden kaçınmasını sağlamak adına aracın yakın geçmişindeki yol izinden polinom ekstrapolasyonu ile hareket fonksiyonu bulunarak gelecekteki muhtemel davranışı çıkarımı yapılmıştır. Muhtemel davranış polinomu ve ortamdaki hareketsiz engellerin gelecekte kesişmesi tespit edilirse kesişen engellerin sanal kuvvet alanı hesabına dahil edilmesiyle aracın engellerden uzaklaşması davranışı gözlenmiştir. İkinci olarak; araç dinamiği hareketli engellerin bulunduğu ortamlar için modellenmiştir. Hareketli engelin ve aracın gelecekteki yollarının kesişmesi neticesinde çarpışma çıkarımı yapılırsa aracın kaçınım yönelimi davranışı gözlenmiştir.

Abstract:
The key point of a autonomous position changing for a vehicle between moving or stationary obstacles is that being able to reach the target point without any collisions with the obstacles. In this thesis work, a new method for solving the obstacle avoidance problem, which is fundamental to autonomous movement, is presented. In this method, the future motion behavior is predicted by polynomial extrapolation to the vehicle's recent path history, and it is determined whether a collision with obstacles in the environment will occur. This presented method is integrated with the virtual force field theory, which is studied by many academic studies in obstacle avoidance, and a simulation environment is established. First, a simplified dynamics of an autonomous vehicle with stationary obstacles is considered. To ensure the vehicle avoids collisions under combined attractive and repulsive forces, we propose a polynomial extrapolation using its past trajectory to predict its future trajectory. As the extrapolated trajectory intersects with static obstacles in the environment, we include these obstacles in the virtual force field calculations, considering both time and trajectories to guide the vehicle in avoiding obstacles. Secondly, simplified dynamics of an autonomous vehicle with dynamic obstacles is considered. Obstacle avoiding maneuver of the vehicle is observed if the extrapolated trajectory of dynamic obstacle intersect with the vehicle's extrapolated trajectory.