Şerit Takip Sistemi Merkezli Direksiyon Üzerinde Kuvvet Geribesleme Sistemi Tasarımı Ve Sürüş Simülatörüne Uygulanması

Abstract

Sürüş simülatörleri eğlence, eğitim ve otomotiv alanındaki araştırmalarda kullanılmaktadır. Sürüş simülatörleri özellikle otomotiv alanında insanın etkisinin araştırılması ve destek sürüş sistemlerinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. İnsan vücudu çok hassas bir makinedir, bu nedenle sürüş deneyimleri doğru sonuçlar üretmek için sürüş simülatörü deneyleri gerçeğe mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Araç hareketini hesaplamak için, simülatörlerde kullanılmak için geliştirilmiş araç dinamiğine ilişkin bir matematiksel model bulunmaktadır. Bu model sürücü algısını etkilemekte ve sürüşe gerçeklik hissi vermektedir. Bu Yüksek Lisans tezi sırasında sürüş simülatöründe, gerçeğe yakın sürüş deneyimi sağlamak için Matlab®/Simulink® programlama dili ile bir araç dinamik modeli geliştirilmiştir. Sürüş simülatörü için geliştirilen dinamik model özellikle gerçek zamanlı uygulamalar için tasarlanmıştır. Bu projede geliştirilen araç dinamiği Volvo XC90 model araç içindir. Matlab®/Simulink® üzerinde geliştirilen dinamik model iki alana odaklanmıştır: İlk hedef sürüş simülatörü üzerinde direksiyon için gerçekçi güç geribeslemesi sağlamaktır. İkinci hedef şerit takip asistanı verimlilik oranı ölçmektir. Direksiyon sisteminin modellenmesi sürüş simülasyonu için önemli parçalarından biridir. Direksiyon sistemi için hazırlanan gerçekci bir simülasyon sürüş esnasında sürücünün yüksek güvenilirlikli sürüş hissine ulaşması için yararlı olabilir. Bilinen araçlar için kremayer ve pinyon (rack and pinion) direksiyon sistemi kullanılmaktadır. Direksiyon sistemi modeli iki ana bölümden oluşmaktadır: Direksiyon geometrisi ve direksiyon geribildirim dönme momentidir. Direksiyon geometrisi giriş olarak sürücü tarafından uygulanan direksiyon açısını sanal tekerleklere çıktı açıları iletmek için oluşturulmuş. Direksiyonda dönme momentinin geribeslemesinin amacı lastikde oluşturulan etkilerin (Kendi hızalama momenti, sürtünme momenti) direksiyona iletilmesidir. Diğer bir deyişle direksiyon sistemi modeli girdi olarak sürücü tarafından uygulanan direksiyon pozisyonunu alır ve çıkış olarak direksiyon dönme momentinin üretir. Bu modelleme sürüş simülatöründe direksiyon hissi geliştirmek için yararlı olabilir, ayrıca bir daha gerçekçi bir direksiyon sistemine ulaşmak için yardımcı olacaktır. Bu projede, hidrolik direksiyon destek sistemi raf ve pinyon sistemi dışında kullanılmaktadır. Hidrolik direksiyon yardım sistemi, sürücünün direksiyon kullanımındaki çabasını azaltılmasıyla sürücülere yardımcı olur. Elektrik motorlu direksiyon destek sisteminde bir kontrol ünitesi, bir sürücünün gerekli direksiyon desteğini hesaplar ve böylece bir DC motoru ile gereken desteği oluşturmaktadır. Aynı zamanda gelişmiş direksiyon modelinde teker açısı ve kaster açısının etkisi lastik güçleri üzerinde kabul edilmiştir. Geliştirilen modelde kendinden ayarlamalı dönme momenti üzerindeki teker açısı ve kaster açısının etkisi hesaplanmıştır. ABD Ulusal Otoyol Trafik Güvenliği İdaresi göre, 2002 yılında araç kazalarında ölümlerin %32’si doğru şeritte kalma başarısızlığı veya yoldan çıkma sonucu olduğu tesbit edilmiştir. Bu hesaba göre yaklaşık olarak her yıl 19000 ölüm, şerit pozisyonu korunarak önlenebilir. Araç emniyeti iki bölüme ayrılabilir: • Pasif güvenlik: Pasif güvenlik, bir kaza olduğunda araçdaki zararları azaltmak için yapılan araç tasarımını kapsar. Pasif güvenlik aracın şasi ve bedeninde, sürücü tarafından herhangi bir eylem veya müdahale olmayan zaman için geliştirir. Bir kaza meydana geldiğinde pasif güvenlik sistemi, örnek olarak hava yastıkları ve emniyet kemeri gibi yollar ile müdahale eder. • Aktif güvenlik: aktif güvenlik kazaları önlemek için araçın dengesini sağlar. Aktif güvenlik araç dengesini sürücüye tepki geliştirerek aracın kontrol edilmesini sağlar. Günümüzde otomotiv şirketleri şerit tutma yardım sistemi, hidrolik güç direksiyon yardım Sistemi, Elektrik destekli direksiyon sistemi, anti-blokaj Fren Sistemi, Elektronik denge programı yardımı gibi bazı aktif güvenlik sistemleri sunmaktadır. İstatistiklere göre, araçlarda %50 den fazla ölüme neden olan kazaların sebebi, ilgili sürücünün dikkat eksikliğinin neden olduğu istenmeyen şeritten çıkma vakarlarıdır. Yani Şerit takip yardımı aktif güvenlik sistemi olarak istenmeyen şeritten ayrılmayı azaltmak için yararlı olmaktadır. Şerit takip yardım sistemi ve stratejileri üç kısma ayrılabilir: tehlikeli durumu belirlemek için fonksiyonların geliştirilmesi, sürücü uyarı sistemi tasarımı ve sürücüye yardımcı olan müdahale kontrol stratejileridir. Virajlarda ilgili araç dinamiği teknolojisi 1980 lerin ortalarında Y.Shibahata tarafından yapılan bir araştırma vasıtası ile ilgi çekmeye başlamıştır. Mevcut modern çağın arabalarında bulunan kontrol teknolojileri: aktif ön direksiyon, elektronik denge kontrolü, şerit ayrılış uyarı ve önleme gibi sistemler dört tekerlek mekaniği ile basit şasi kontrolü üzerinde yola çıkarak geliştirilmiştir. 1998 yılından bu yana yapılan çeşitli çalışmalar elektronik denge kontrolü etkinliğinin, savrulma kazalarını %80 azaltabileceğini göstermiştir. Benzer şekilde, aktif direksiyon sistemi aracın sürüş özelliklerini geliştirmek ve sürüş konforunu artırmak için gelişmiştir. Son yıllarda, otomobil üreticileri ve araştırmacıları tarafından trafik güvenliğinin gelişilmesi ve araç kazalarında ölümleri azaltılması önemli bir araştırma konusu olmuştur. Yeni sensör teknolojileri (bunlar GPS, kameralar ve radar) araç kontrolü için uygulanan kavramların ötesinde sürücü destek sistemlerine yenilikler getirmiştir. Örneğin çarpışmaları azaltmak için tasarlanmış olan çarpışma tehlikesini tespit edildiğinde çalışan frenleme sistemleri. Bu projede de yeni sensör teknolojileri yardımıyla şerit takip yardımcısı yolun ortasına göre olan yan uzaklık ve şeritten sapma rotasına dayalı araca bir düzeltici kuvvet uygulanır. Bu sistemde, sürücü direksiyona bir tork sağlayarak müdahale edebilir ve sürücü komutu şerit takip yardımcısı komutuna eklenir. Direksiyondaki kuvvet geribeslemesi ile ilgili yapılan araştırmaların çoğu direksiyon geometrisi ve direksiyon sistemi momentlerinin tekerlek üzerinde neden olduğu mekanik oynak momentleri sürücüye iletilmesi üzerine odaklanmıştır. Bu projede kullanılan direksiyon kuvvet geribesleme modelinde, direksiyon sistemi geribesleme tork ve araçı şeritte tutma için kontrolör tarafından hesaplanan şerit tutmak yardım momenti birleştirilmiştir. Geliştirilen modeli sürüş simülatörü üzerinde uygulamak ve belirlenilen torku direksiyon üzerinde oluşturmak için, DC motor kullanılmıştır. Bu motorun hızını ve dönme yönünü kontrol etmek için, motor kontrolü kullanılmıştır. Proje sırasında motor kontrolör ve güç kaynaklarının, dc motor frenlemeye karşı güvenliğini artırmak için şönt regülatörleri tasarlanmıştır. Model doğrulama, modelin güvenilirliğini değerlendirmenin önemli bir parçasıdır. Modelin gerçekliğini değerlendirmek amacıyla, gelişmiş modelinin önemli sonuçları Volvo XC90 modelinin bazı ölçüm verileri ile karşılaştırılmıştır. Diğer taraftan, geliştirilen araç dinamik modeli ve şerit tutma yardım sistemini değerlendirmek için sürüş simülatörü 3 sürme aşamasında 15 kişi tarafından test edilmiştir. Bu bölümde yapılan testlerde geliştirilen araç dinamik modeli, önceki iki araç dinamik modelleri ile karşılaştırılır.

Driving simulators are employed for some purposes such as: Training, Entertainment and research in the automotive field. In recent years, driving simulators are being widely used by automotive manufactures and researchers especially about Human in the Loop (HIL) experiments. Simulators help to the researchers to reduce prototyping time and cost. Simulators provide unlimited parameterization, more safety and enhanced repeatability. For this reason, driving simulators play an important role in study the state of vehicles and driver’s behavior in unstable conditions and maneuvers. In order to obtain the results close to the real driving, the driving simulation should be as close as possible to real world driving. Since increasing the reality of steering feel should be noticed to enhance the high fidelity of driving experience on simulator. The goal of this thesis is devided into two parts; The first part is developing the steering wheel feedback torque by adding effect of the kingpin and caster angles on tire forces and self-aligning torque.The second part is modeling the lane-keeping assistance torque regarding to lateral offset and heading error in closed loop control system. The calculated lane keeping assistance torque is added to the steering system feedback torque on driving simulator platforms. The aim of this model is to create a high fidelity of steering feel for driver and propose steering support systems that can assists the driver’s steering to keep the vehicle between road lanes in order to reach of promote safety. The model is developed in Matlab®/Simulink® with focused into the model is developed in Matlab®/Simulink® with focused into two areas: The first concerns to development of steering wheel feedback dynamics in order to provide the realistic steering wheel force feedback on driving simulator and the second is in related to test the efficiency rate of Lane-Keeping assistance torque Interface human in the loop. The model has been tested by different persons on the Chalmers simulator S2 , which is do not need of any driver model. Model validation is the important part of model s fidelity evaluation. .In order to evaluate the reality of model,the significant results of developed model has been compared with some measurement data from Volvo XC90 model.On the other hand to evaluate the developed vehicle dynamic model and lane keeping assistance system, the driving simulator has been tested by 15 persons in 3 rides.In this section the developed model is compared with two previous vehicle dynamic models.