Collision avoidance and crash mitigation via intelligent steering intervention

Abstract

The first aim of the thesis is to reduce the collision in traffic accidents or to mitigate the collision when it can not be reduced. Collision reduction can be achieved by braking in the first place. However, a suitable distance is required to achieve braking. In this thesis, the steering escape maneuver is processed instead of braking. The distance required for steering escape maneuver is less than the distance required for braking if the relative speed between vehicles is greater than 50 km/h. Therefore, at high speeds, if the braking distance is missed, the steering escape maneuver should be considered. For the steering escape maneuver, lane identification must be made in the transition to the side lane. After the lane definition has been made, the stability limits of the vehicle should also be taken into account in order to change the lane appropriately. Stability limits vary from vehicle to vehicle. In this thesis, the stability limits of different types of vehicles are considered by using various tools in the related simulation programs. The stability to be considered in the escape maneuver is the lateral stability. Verification of lateral stability is very important. We can only do this using a nonlinear simulation model. Nonlinear conditions are also mentioned in the simulations. The next step in the escape maneuver is to properly control the escape lane. It should also be checked whether the strip is suitable for passing. There are various systems for controlling this. In the simulations, the simulations have been completed by considering some of these systems. The whole thesis consists of four separate chapters. In the first part of the thesis, an adaptive trajectory control (ATC) in case of a sudden change in μmax (maximum road friction coefficient) during an emergency lane change manoeuvre is explained. The ATC system was analysed in case of a sudden change in the maximum friction coefficient of road during an emergency lane change manoeuvre in order to maintain the driving safety. Autonomous front wheel steering (FWS) systems have been developed for emergency steering situations. The trajectory design is also a part of these systems. Moreover, in this study ATC has been designed by sensing μmax to complete the emergency steering manoeuvre successfully. Therefore, the originality of this work arises from the necessity of a trajectory change in case of a sudden change in μmax to minimize the distance between the desired and the actual path. Suitable cases were designed by using a two-track model in IPG/CarMaker (MATLAB/Simulink). Results show that ATC could be used during an emergency steering manoeuvre in case of a sudden decrease in μmax as it can be advantageous in certain critical traffic situations. Therefore, ATC could be used as an alternative system instead of Electronic Stability Program. In the second part of the thesis, a driver model supported by a rear wheel steering (RWS) assistance to minimize the distance between the desired path and actual path via steering "out-of-phase" during an emergency lane change maneuver is explained. Rear wheel steering (RWS) systems are commonly used to maintain vehicle lateral stability via steering "in-phase" at high speeds. Conventional RWS systems do not assist the driver to avoid rear-end collisions. However, in this study, a RWS assistance is proposed to avoid rear-end collisions. A driver model is supported by a RWS assistance via steering "out-of-phase" during an emergency lane change maneuver. The proposed RWS assistance uses a yaw rate feedback controller and a disturbance controller. A two-track vehicle model was used where experimental validation studies are widely available. The originality of this paper is using an intelligent RWS assistance to avoid rear-end collisions rather than improving the vehicle lateral stability. The results demonstrate that the intelligent RWS assistance supporting the driver model can both reduce rear-end collisions and also their impacts. The vehicle lateral stability can be maintained depending on the coefficient of road adhesion and distance to obstacle. In the third part of the thesis, the effectiveness of a steering warning system (SWS) for the decrease of tendency of emergency braking maneuvers is explained. The viability of an Emergency Steering Warning System was analysed to improve the safety of vehicles on highways traveling in the same direction. The proposed system evaluates the vehicle's physical limits, driver's reaction and assists in making the most logical decision to avoid a crash using a sound or a similar stimulus. Typical driving simulator events were designed in MATLAB/Simulink and IPG/CarMaker co-simulation environment. In the predetermined scenario, the leading vehicles suddenly move into the host vehicle's lane and the driver is expected to avoid crash by either steering or braking. The SWS system generates a sound stimulus when it is determined that the crash is unavoidable with the use of service brakes and the only way to avoid the obstacle is steering. The simulation events were performed by a group of participants using a driver simulator with and without the SWS system. The proposed SWS encouraged participants to do an earlier and smoother steering maneuver which can be advantageous in some certain critical traffic situations. The statistical results showed that the sound stimulus reduced the drivers' reaction time significantly and a number of accidents can be avoided by the suggested crash warning system. In the final part of the thesis, an articulated vehicle lateral stability management (AVLS) via active rear wheel steering of tractor using fuzzy logic and model predictive control is explained. In-phase rear wheel steering, where rear wheels are steered in the same direction of front wheels, has been widely investigated in the literature for vehicle stability improvements along with stability control systems. Much faster response can be achieved by steering the rear wheels automatically during an obstacle avoidance maneuver without applying the brakes where safe stopping distance is not available. Sudden lane change movements still remain challenging for heavy articulated vehicles, such as tractor and semi-trailer combinations, particularly on roads with low coefficient of adhesion. Different lateral accelerations acting on tractor and semi-trailer may cause loss of stability resulting in jackknifing, trailer-swing, roll-over or slip-off. Several attempts have been made in the literature to use active steering of semi-trailer's rear wheels to prevent jackknifing and rollover. However, loss of stability in an articulated vehicle is usually caused by an over-steered tractor, and the semitrailer's rear wheels have little effect on the tractor's directional control. In this study, viability of active rear wheel steering of tractor to maintain the stability of an articulated vehicle during a high speed obstacle avoidance maneuver is investigated. Two different controllers, fuzzy logic and linear model based predictive controllers are proposed to minimize off-tracking behavior of an articulated vehicle. The controllers were tested in IPG/TruckMaker environment with MATLAB/Simulink interface on roads with various coefficient of adhesions, performing single lane change maneuvers. The simulated results showed that jackknifing occurring right after sudden lane changes can be successfully prevented using tractor's active rear wheel steering based on model predictive control algorithm when the feedback gains are tuned correctly.

Bu tezin ilk amacı trafik kazalarında çarpışmanın azaltılması ya da azaltılamadığı durumlarda çarpışmanın hafifletilmesidir. Çarpışmanın azaltılması ilk etapta frenleme ile sağlanabilir. Ancak frenleme ile sağlanabilmesi için uygun mesafe gereklidir. Bu tezde ise frenleme yerine direksiyon kaçış manevrası işlenmektedir. Direksiyon kaçış manevrası için gereken mesafe frenleme için gereken mesafeden eğer araçlar arası bağıl hız 50 km/h'dan yüksek ise daha azdır. Dolayısıyla, yüksek hızlarda eğer frenleme mesafesi kaçırılmışsa direksiyon kaçış manevrası düşünülmelidir. Direksiyon kaçış manevrası için yan şeride geçişte şerit tanımlaması yapılmalıdır. Şerit tanımlaması yapıldıktan sonra ise, şeridi uygun şekilde değiştirmek için aracın stabilite sınırları da göz önünde bulundurulmalıdır. Stabilite sınırları araçtan araca göre değişmektedir. Bu tezde ise ilgili simülasyon programlarında çeşitli araçlar kullanılarak farklı tipte araçların stabilite sınırları göz önünde bulundurulmuştur. Yapılacak kaçış manevrasında göz önünde bulundurulması gereken stabilite yanal stabilitedir. Yanal stabilitenin doğrulanması çok önemlidir. Bunu ancak lineer olmayan bir simülasyon modeli kullanarak gerçekleştirebiliriz. Yapılan simülasyonlarda lineer dışı şartlara da değinilmiştir. Kaçış manevrasında bir sonraki basamak ise kaçış yapılan şeridin düzgün bir şekilde kontrol edilmesidir. Şeridin geçişe müsait olup olmadığı da ayrıca kontrol edilmelidir. Bunun kontrolü için çeşitli sistemler mevcuttur. Yapılan simülasyonlarda bu sistemlerin bir kısma da göz önünde bulundurularak simülasyonlar tamamlanmıştır. Tezin tamamı dört ayrı bölümden oluşmaktadır. Tezin ilk bölümünde adaptif yörünge kontrol sistemi (ATC) incelenmiştir. Bu aşamada, ani zemin değişiminde yapılan direksiyon manevrasının kazayla sonuçlanmaması için adaptif yörünge kontrol sistemi (ATC) geliştirilerek IPG/CarMaker (MATLAB/Simulink) programı üzerinde yapılan simülasyonlarla test edilmiştir. Literatürde otomatik direksiyon manevrası yapan sistemler mevcuttur. Yörünge tasarımı da bu sistemlere dahildir. Ancak, bu çalışmada zemin sürtünme kuvveti katsayısı hesaplanarak zemin şartlarına göre gerekli yörünge değişimi anlık olarak yapılmaktadır. Bu çalışmanın özgünlüğü direksiyon manevrası esnasında zemin koşullarında ani bir değişim olması durumunda anlık yörünge değişiminin yapılmasıdır. Yapılan simülasyonlar sonucu ATC sistemi Elektronik Stabilite Kontrolü'ne (ESP) alternatif olarak gösterilebilir. Tezin ikinci bölümünde, acil durum şerit değiştirme manevrası sırasında "faz dışı" yönlendirme yoluyla istenen yol ile gerçek yol arasındaki mesafeyi en aza indirmek için arka tekerlek çevrimi (RWS) yardımı ile desteklenen bir sürücü modeli açıklanmaktadır. Arka tekerlek çevrimi (RWS) sistemleri, yüksek hızlarda "faz içi" direksiyon vasıtasıyla aracın yanal dengesini korumak için yaygın olarak kullanılır. Geleneksel RWS sistemleri sürücünün arkadan çarpmalardan kaçınmasına yardımcı olmaz. Bununla birlikte, bu çalışmada, arkadan çarpmalardan kaçınmak için bir RWS yardımı önerilmiştir. Bir sürücü modeli, acil durum şerit değiştirme manevrası sırasında "faz dışı" yönlendirme yoluyla RWS yardımı ile desteklenir. Önerilen RWS yardımı, bir sapma hızı geri besleme denetleyicisi ve bir bozulma denetleyicisi kullanır. Deneysel validasyon çalışmalarının yaygın olarak yapıldığı iki yollu bir araç modeli kullanılmıştır. Bu yazının orijinalliği, aracın yan dengesini iyileştirmek yerine arkadan çarpmaları önlemek için akıllı bir RWS yardımı kullanmasıdır. Sonuçlara bakıldığında, sürücü modelini destekleyen akıllı RWS yardımının hem arka uç çarpışmalarını hem de etkilerini azaltabildiğini gösteriyor. Aracın yanal dengesi ise yol sürtünme katsayısına ve engele olan mesafeye bağlı olarak korunabilir. Tezin üçüncü bölümünde karayollarındaki aynı yönde ilerleyen araçların emniyetini iyileştirmek için bir acil direksiyon uyarı sisteminin (SWS) uygulanabilirliğini analiz etmektedir. Önerilen sistem, aracın fiziksel sınırlarını ve sürücünün tepkisini göz önünde bulundurarak bir ses veya benzeri bir teşvik yardımıyla çarpışmayı önlemenin kararını vermeye yardımcı olmaktadır. Tipik simülasyon senaryoları MATLAB/Simulink ve IPG / CarMaker ortak simülasyon ortamlarında tasarlanmıştır. Önceden belirlenmiş senaryoda, öndeki taşıtlar sistemin yüklü olduğu taşıtın bulunduğu şeride karışık bir algoritma ile aniden geçer ve sonrasında sürücünün direksiyon ya da fren yaparak çarpışmayı önlemesi beklenir. SWS sistemi, servis freni kullanılmasıyla kazanın kaçınılmaz olduğu tespit edildiğinde ve engelden kaçınmanın tek yolunun şerit değiştirmesi olduğu durumlarda sesli uyarı üretmektedir. Simülasyonlar, SWS sistemi yüklü olan ve olmayan sürüş simülatörü kullanan bir grup katılımcı tarafından gerçekleştirilmiştir. SWS sistemi katılımcıları bazı kritik trafik durumlarında avantajlı olabilecek daha erken ve yumuşak bir direksiyon manevrası yapmaya teşvik etmiştir. İstatistiksel sonuçlar, sesli uyaranın sürücülerin reaksiyon sürelerini önemli ölçüde azalttığını ve önerilen çarpışma uyarısı sistemi ile sürücülerin bir dizi kazayı önleyebileceğini göstermiştir. Tezin son bölümünde, bulanık mantık ve model öngörülü kontrol kullanılarak çekicinin arka tekerleği çevrilerek mafsallı bir araç yanal denge yönetimi (AVLS) açıklanmaktadır. Arka tekerleklerin ön tekerleklerin aynı yönüne yönlendirildiği faz içi arka tekerleklerin çevrimi literatürde stabilite kontrol sistemleri ile birlikte araç stabilitesi iyileştirmeleri için geniş çapta araştırılmıştır. Engelden kaçınma manevrası sırasında, güvenli durma mesafesinin bulunmadığı yerlerde fren uygulanmadan arka tekerleklerin otomatik olarak yönlendirilmesiyle çok daha hızlı tepki verilebilir. Ani şerit değiştirme hareketleri, özellikle düşük sürtünme katsayısına sahip yollarda çekici ve yarı römork kombinasyonları gibi ağır mafsallı araçlar için hala zorlayıcıdır. Çekici ve yarı römork üzerinde etkili olan farklı yanal hızlanmalar, makaslanma, römork dönüşü, devrilme veya kayma ile sonuçlanan denge kaybına neden olabilir. Literatürde, makaslanma ve devrilmeyi önlemek için yarı römorkun arka tekerleklerinin aktif direksiyonunu kullanmak için birkaç girişimde bulunulmuştur. Bununla birlikte, mafsallı bir araçtaki denge kaybına genellikle aşırı yönlendirilmiş bir çekici neden olur ve yarı römorkun arka tekerleklerinin çekicinin yön kontrolü üzerinde çok az etkisi vardır. Bu çalışmada, yüksek hızlı engellerden kaçınma manevrası sırasında çekicinin mafsallı bir aracın dengesini korumak için aktif arka tekerlek çevrimi araştırılmıştır. Mafsallı bir aracın takip dışı davranışını en aza indirmek için iki farklı kontrolör, bulanık mantık ve doğrusal model tabanlı öngörücü kontrolörler önerilmektedir. Kontrolörler IPG / TruckMaker ortamında MATLAB / Simulink arayüzü ile çeşitli sürtünme katsayılı yollarda tek şerit değiştirme manevraları yapılarak test edilmiştir. Simüle edilen sonuçlar, ani şerit değişikliklerinden hemen sonra meydana gelen makaslanmanın, geri bildirim kazanımları doğru ayarlandığında model tahmini kontrol algoritmasına dayanan çekicinin aktif arka tekerlek çevrimiyle başarılı bir şekilde önlenebildiğini göstermiştir.