Otonom araçlarda clothoid tabanlı lineer zamanla değişen model öngörülü kontrol

Abstract

İki nokta arasında çeşitli ürün ya da insanların taşınması eski çağlardan bu yana karşılaşılan bir problemdir. Bu problemi çözmek için insanoğlu çeşitli araçlar geliştirmiştir. Bu araçlar tekerleğin icadından at arabalarının kullanılmasına, ardından içten yanmalı motora sahip taşıtların icadından günümüzde elektrikli ve hidrojen yakıtlı araçların ortaya çıkmasına çok geniş bir yelpazede örneklenebilir. Kullanılan araçlar çağın gerekliliklerine göre yeniden tasarlanmış olsalar da, aslında çözdükleri altta yatan problem hala aynıdır, ürün ya da insanları iki nokta arasında taşımak. Bu temel problem, arkasında çok geniş bir lojistik sektörü barındırmaktadır. İnsanların her gün kullandığı taksiler ya da özellikle dünyanın küreselleşmesiyle önemi daha da artan deniz, hava ve karayolu kargo taşımacılığı çok yaygın iki örnektir. Yüzyıllardır süregelen bu lojistik problemi, günümüzde ve geçmişte insanların denetiminde ve komutasında gerçekleşmektedir. Kamyonlar, otomobiller, kargo gemileri, taksiler insanların komutasında hareket etmektedir. İnsanlar farklı rotalardaki sürüşe adapte olabilme konusunda yetenekli olsa da tekrarlı işlerde dikkat dağınıklığı sebebiyle kazalara neden olabilmektedir. Yapılan araştırmalara göre yapılan kazaların çok büyük bir kısmı sürücü hatalarından meydana gelmektedir. Kazalar maddi ve manevi hasarlara sebep olmakta, insanlar hayatını kaybedebilmektedir. Ayrıca araçların insanlar tarafından daha dikkatsiz kullanılması, aracın daha sık arıza vermesi ya da araç parçalarının daha sık değişmesine sebep olabilmektedir. Tüm bu problemler ve farklı motivasyon kaynakları nedeniyle büyük otomotiv şirketleri ve birçok teknoloji şirketi araçların sürücüsüz işletilmesi için çalışma yapmaktadır. Bu teknolojinin etki alanı ve yaratacağı ekonomi, büyük şirketler açısından oldukça iştah açıcıdır. Taşıtlar otonom şekilde ilerlerken temelde aynı problemlerle yüzleşirler. Bunlardan ilki aracın çevresini algılamasıdır. Araç ilerlerken çevresinde olup bitenlerden haberdar olması gerekir. Çevresini algılarken kullandığı radar, kamera, lidar gibi sensörler aracın nereden gitmesi gerektiği, çevresindeki nesnelerin neler olduğunu ve ona ne kadar uzakta bulunduğunu ya da çeşitli lokalizasyon yöntemleriyle sensör verilerini kullanarak aracın nerede olduğu sorularına yanıt aranır. İkinci aşamada yüzleşilen problem ise aracın bulunduğu yer ve çevresindeki objelerin bilgileri kullanılarak sonraki adımda ne yapılacağına karar verilmesidir. Bu aşama planlama aşaması olarak da adlandırılır. Aracın öncelikle içinde bulunduğu durumdan sonra hangi aksiyonu alacağına karar vermesi gerekir. Bu aksiyon şerit değiştirme, şeritte kalma, ani fren gibi çeşitli durumlar olabilir. İlgili aksiyona karar verildikten sonra mevcut durumdan karar verilen duruma bir geçiş manevrası planlanır. Bu aşamada referans hız profili, ivme profili, takip edilmesi gereken yol noktaları ile bu noktalara ait referans dönüklükler ile son olarak her noktadan ne zaman geçilmesi gerektiği bilgisinin oluşturulması yer alır. Son aşamada oluşturulan rotanın takip edilmesi ve aksiyona geçilmesi yer alır. Tüm bu ana blokların tamamlanmasıyla araçlar işlevlerini otonom şekilde yerine getirebilir. Bu tez kapsamında da otonom araçların ilgilendiği temel problemlerden olan rota planlama ve kontrol blokları incelenmiş ve çözüm önerilmeye çalışılmıştır. İlk olarak planlama aşamasından gelen bir rota olduğu varsayılmış ve bu rotanın daha konforlu bir sürüş sağladığı için Euler spiralleri ya da clothoidler kullanılarak yeniden oluşturulması hedeflenmiştir. Rota yeniden oluşturulurken planlayıcıdan gelen noktaların bir ön değerlendirmesi yapılmıştır. Bu değerlendirmeye göre aynı karakteristiği taşıyan ardışıl noktaların plana dahil edilmesi yerine aracın direksiyon açısında değişimlerin olduğu dönüm noktaları tespit edilmeye çalışılmıştır. Bunun için yolun referans eğrilik grafiğine bakılmış ve parçalı lineer olan bu fonksiyondaki dönüm noktaları tespit edilmiştir. Böylelikle planlayıcıdan gelen noktalardan yalnızca direksiyon açısının değişeceği noktalar kalmış, aradaki noktalarda direksiyon değişim açıları sabit olduğu için diğerleri kullanılmamıştır. Böylelikle rota bilgi kaybı olmadan seyrekleştirilmiş olur. Rotanın seyrekleştirilmesi, kontrolcü açısından aynı öngörü ufku ile daha uzun bir alanın kapsanmasına olanak sağlar. Sonuç olarak hem daha konforlu sürüşe uygun hem de aynı öngörü ufkuyla daha uzun alanların kapsanabileceği bir rota elde edilmiştir. Kontrolör ve planlayıcıyı test etmek için iki farklı rota seçilmiştir. Bunlardan ilki engelden kaçma ya da sollama manevrasını temsil eden bir rota olarak, ikincisi ise Ford Otosan Eskişehir fabrikasında bulunan test pistinden toplanan araç verileriyle referans rotası oluşturulmuştur. İkinci rota ilk rotaya göre çok daha uzun ve daha yüksek eğrilikler içerdiği için gerçeğe yakın bir test hedeflenmiştir. Tezin diğer aşamasında planlanan rotaya uygun şekilde çalışabilecek bir kontrolör yapısı oluşturulmak amaçlanmıştır. Bu amaca uygun olarak model öngörülü kontrolör,lineer olmayan model öngörülü kontrolör ve lineer zamanla değişen model öngörülü kontrolör yapıları ele alınmıştır. Lineer model öngörülü kontrolden farklı olarak sistemi birçok farklı noktada lineerleştirmesi ve lineer olmayan model öngörülü kontrolörün barındırdığı yerel minimuma yakınsama, gerçek zamanlı çalışmama gibi negatif yönleri içermemesi nedeniyle lineer zamanla değişen model öngörülü kontrolör yapısı seçilmiştir. Kontrolörün gelecek tahminlerini yapması için sistem modeline ihtiyacı vardır. Araç modeli için, düşük hızlarda bir seyir gerçekleşeceği için daha basit olması adına kinematik bisiklet modeli kullanılmıştır. Her ne kadar basit bir model olsa da uygun örnekleme periyodu ile düşük hızlarda aracın dinamiğini yansıtabildiği için yeterli bulunmuştur. Elde edilen kinematik araç modeli ve seyrekleştirilmiş referans rotası ile aracın referans rotasını takip etmesi için lineer zamanla değişen model öngörülü kontrolör yapısı oluşturulmuştur. Aracın takip etmesi gereken rota clothoidlerle ifade edildiği için, kontrolör de referans olarak clothoidlerin bileşenlerinden olan eğrilik değişimi ve değişimin uzunluğunu alacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarım ortamı olarak MATLAB kullanılmıştır ve simülasyonlar da bu ortamda yapılmıştır. Simülasyonlarda iki rotada da aynı parametreler kullanılmış ve aracın sabit hızda seyrettiği kabul edilmiştir. Sonuçta belirtilen iki rotada araç simülasyonları yapılmış ve elde edilen simülasyon sonuçlarında aracın yol sınırları içinde iki rotayı da tamamlayabildiği gözlenmiştir.