Advanced control systems for ground vehicles

Abstract

Taşıt kontrol sistemleri veya diğer bir deyişle otomotiv kontrolü, ileri kontrolsistemlerinin en önemli uygulama alanlarından biridir. Elektronik teknolojisindekiilerlemelerle birlikte, taşıtlarda kontrol sistemi kullanımı giderek yaygınlaşmıştır.Taşıt kontrol sistemleri, yolcu güvenliğinin artırılmasında, kirletici bileşen salınımınınazaltılmasında ve taşıtlarda yakıt ekonomisinin sağlanmasında oldukça önemli bir roloynamaktadır. Günümüzde taşıtlara uygulanmış olan kontrol sistemleri; frenlemeesnasında tekerleklerin kilitlenmesini önleyen ABS, çekiş kontrolü sağlayan TCS, taşıtyanal kararlılığının sağlanmasına yardımcı olan ESC, öndeki taşıt ile otomatik olarakhız kontrolünü sağlayan ACC, özellikle ağırlık merkezi yerden yüksek olan taşıtlardakullanılan devrilme önleyici sistemler, şerit ihlali uyarıcı ve şerit takip sistemleriLDW/LKA ve çarpışma uyarıcı ve önleyici sistemler CW/CA olarak sayılabilir.Taşıt kontrol sistemleri; güvenliği artırmaya, kirletici seviyelerini istenen seviyeleredüşürmeye ve taşıtlarda yakıt ekonomisinin sağlanmasına yardımcı olmasının yanısıraakıllı taşıt ve ulaşım sistemlerinin de en temel bileşenlerinden birisidir. ÖrneğinACC ve ESC sistemleri otonom taşıt davranışının ilk örneklerindendir. Taşıtkontrol sistemlerinde elde edilen gelişmeler direkt olarak otonom taşıt çalışmalarınıetkilemektedir.Bu tezde yol taşıtı kontrol sistemleri için önemli olan problemler, dayanıklı kontrolteorisi çerçevesinde ele alınarak çözüm getirilmeye çalışılmıştır. Özellikle parametreuzayı tabanlı dayanıklı kontrol ve bozucu gözleyici yaklaşımları taşıt kontrolproblemlerinin çözümünde metot olarak kullanılmıştır. Tez kapsamında araştırılanproblemler şunlardır: tam elektrikli taşıtlar için dayanıklı DC motor hız kontrolü, CANhattı üzerinden taşıt savrulma dinamiği kontrolü için zaman gecikmesi telafisi, otonomtaşıtlar için dayanıklı direksiyon kontrol sistemi tasarımı ve tam elektrikli taşıtlariçin taşıt yanal dinamiğinin kontrolü.İlk olarak, tam elektrikli araçlarda dayanıklı DC motor hız kontrolü problemiele alınmıştır. Parametre uzayı yaklaşımı kullanılarak motor parametrelerindekibelirsizlikler dikkate alınarak dayanıklı PI kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir.DCmotorda belirsizlik içeren parametreler, motor tork sabiti ve motorun toplam ataletmomenti olarak seçilmiştir. Dayanıklı PI kontrolcü tasarımında, Hurwitz kararlılığı,D-kararlılığı, faz payı istekleri ve frekans domeni istekleri gibi çok amaçlı tasarımihtiyaçları dikkate alınmıştır. Bu tasarım ihtiyaçları, parametre uzayında gösterilerekdayanıklı PI kontrolcünün katsayıları istenen tasarım kriterlerini sağlayacak şekildeseçilmiştir.Dayanıklı PI kontrollü sistemin istenen girişi takip özelliğini artırmak ve bozucularakarşı hassasiyetini azaltmak için önerilen kontrol sistemine ek olarak bozucu gözleyicikullanılmıştır. Bozucu gözleyici tabanlı kontrol, kontrol sisteminin modelleme hatalarına ve bozucu etkilere karşı hassasiyetini azaltan ve sistemin istenen nominalmodel davranışını göstermesini sağlayan bir yöntemdir. Bu yöntem, mekatroniksistemlerin kontrolü sahasında çeşitli uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Bozucugözleyici tabanlı taşıt yanal dinamiği kontrolü, dayanıklı atomik kuvvet mikroskobukontrolü, imalat sistemleri kontrolü, elektrikli bisiklet kontrolü ve sabit disk servosistem kontrolü bu uygulamalardan birkaçıdır.Bu tezde bozucu gözleyici tasarımı DC motor hız kontrolünde sistem cevabınıiyileştirmek ve bozucu etkisinin sistem cevabına olan negatif etkisinin azaltılmak için,dayanıklı kararlılık koşulu gözönüne alınarak gerçekleştirilmiştir. Dayanıklı bozucugözleyici tasarımında, PI kontrolcü tasarımında dikkate alınmayan modellenmemişdinamik ve zaman gecikmesi de hesaba katılmıştır. Parametre uzayı tabanlı dayanıklıPI kontrolcü ve ek bozucu gözleyici, simülasyonlar ve deneyler yardımıyla testedilmiştir. Üç farklı deney, DC motor seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu testler;istenen girişi takip testi, basamak bozucu etkisi testi ve rampa bozucu etkisi testidir.Dayanıklı PI ve ek bozucu gözleyici kontrol sistemi, tüm simülasyon ve deneylerdedaha iyi performans göstermiştir.İkinci olarak, otomotiv kontrol uygulamalarındaki zaman gecikmesi problemiincelenmiştir. Zaman gecikmesi, sistem frekans cevabına negatif faz açısı ekleyereksistemin kararlılık özelliklerini kötüleştirmekte ve kimi durumlarda da sistemdekararsızlığa yol açmaktadır. Tez kapsamında, zaman gecikmesi telafisi için zamangecikmesi gözleyicisi önerilmiştir. Zaman gecikmesi gözleyicisi, gecikme telafisindesıklıkla kullanılan Smith tahmincisine göre, zaman gecikmesi modeli gerektirmemesive zamanla değişen gecikmelerde de iş görmesi bakımından oldukça avantajlıdır.Zaman gecikmesi gözleyicisi yapı olarak bozucu gözleyiciye benzemekle birlikte, bugözleyici de kullanılan bozucu tanımlaması ve zaman gecikmesi telafisi kısmı bozucugözleyiciden farklıdır.Tez kapsamında öncelikle zaman gecikmesi gözleyicisi ve network bozucu konseptianlatılmıştır. Daha sonra zaman gecikmesi gözleyicisi,dördüncü dereceden serbestintegratörlü bir sistemde zaman gecikmesini telafi etmek için kullanılmıştır. Zamangecikmeli serbest integratörlü sistemler, kararsız zaman gecikmeli sistemlerin özelbir örneği olduğu için bu tip bir sistem seçilmiştir. Değişken zaman gecikmeleri ilesimülasyonlar yapılarak, zaman gecikmesi gözleyecisinin çalışması incelenmiştir.Tezde sabit ve zamanla değişen gecikme durumlarında dayanıklı zaman gecikmesigözleyici tasarımı için, özgün bir dayanıklı kararlılık koşulu geliştirilmiştir. Budayanıklı kararlılık koşulu kullanılarak, örnek zaman gecikmeli serbest integratörlüsistem için zaman gecikmesi gözleyici tasarlanmıştır. Çeşitli simülasyonlarla, önerilensistem test edilmiştir.Uygulama alanı olarak, zaman gecikmesi pek çok otomotiv kontrol problemindegörülmekte ve bu sistemlerde kararsızlığa yol açabilmektedir. Bu tip sistemlereörnek olarak; rölanti devri kontrol sistemleri, motor hava yakıt karışımı oranıkontrol sistemleri, araç güç iletim sistemlerindeki sarsma önleyici kontrol sistemleri,kooperatif adaptif seyir kontrol sistemleri ve CAN üzerinden gerçekleştirilen tümdağıtılmış kontrol sistemleri sayılabilir. Tez kapsamında zaman gecikmesi gözleyicisi,CAN hattı üzerinden taşıt savrulma dinamiği kontrolünde zaman gecikmesininkararsızlığa yol açan etkisinin giderilmesinde kullanılmıştır. Zaman gecikmesigözleyicisi tasarımında, zamana bağlı değişen gecikmeler için önerilen, dayanıklıkararlılık koşulundan yararlanılmıştır. Yapılan çalışmada, PI kontrollü taşıt savrulma dinamiğinin, zamanla değişen gecikme altında kararsızlığa gittiği görülmüştür.Sisteme eklenen zaman gecikmesi gözleyicisi sayesinde taşıt kararlı hale getirilmişve taşıtın istenen savrulma açısal hızını başarıyla takip etmesi sağlanmıştır.Üçüncü olarak, otonom taşıtlar için dayanıklı otomatik direksiyon kontrolü üzerindedurulmuştur. Taşıt kütlesi, taşıt hızı ve tekerlek-yol sürtünme katsayısındakibelirsizlikler dikkate alınarak parametre uzayı yaklaşımı ile dayanıklı PID direksiyonkontrolcüsü tasarımı yapılmıştır. Kontrolcü tasarımında tek izli taşıt modelinereferans yolu takip etme dinamiği eklenerek oluşturulmuş taşıt yönlendirme modelikullanılmıştır. Tasarlanan kontrolcüyü test edebilmek için, doğrulanmış nonlineer taşıtmodeli kullanılmıştır. Model doğrulama çalışmasının sonuçları verilerek model ilegerçek taşıt sonuçlarının uyumu gösterilmiştir. Daha sonra da tasarlanan dayanıklı PIDdireksiyon kontrolcüsünün farklı yörüngelerde ve farklı yol koşullarındaki performansıyapılan simülasyon çalışmalarıyla irdelenmiştir.Üstte belirtilen yaklaşımdan farklı olarak dijital yol haritası ve GPS ölçümlerine dayalıdayanıklı direksiyon kontrol sistemi tasarımı da tez kapsamında gerçekleştirilmiştir.Yüksek çözünürlüklü dijital harita kısıtlanmış en küçük kareler yöntemi kullanılaraküretilmiştir. Taşıt ağırlık merkezinin istenen rotadan sapma miktarı ve taşıt sapma açısı,üretilen harita ve gerçek zamanlı taşıt pozisyon bilgisi kullanılarak hesaplanmıştır.Dayanıklı PID direksiyon kontrol sisteminde, geri besleme olarak taşıttan belli bir önmesafedeki rotadan sapma miktarı kullanılmaktadır. Bu geri besleme sinyali, haritave gerçek zamanlı taşıt pozisyon bilgisinden yararlanılarak bulunan taşıtın rotadansapma miktarı ve taşıt sapma açısı kullanılarak hesaplanmaktadır. Önerilen metot,sekiz bölmeli bir yolda doğrulanmış nonlineer taşıt modeli kullanılarak başarıyla testedilmiştir.Son olarak, tam elektrikli taşıtlarda yanal kararlılık problemi konusu ele alınmıştır.Problemin çözümü için iki farklı kontrol sistemi önerilmiştir. Bunlar, bütünleşik yanalkararlılık kontrol (ILSC) sistemi ve rejeneratif frenleme tabanlı yanal kararlılık kontrol(RB-LSC) sistemidir.ILSC sistemi, düzeltici savrulma momenti hesabı, fren torku dağılım algoritması,tekerlek kayma kontrolcüsü ve elektrik motoru torku azaltma algoritması gibi altsistemlerdenoluşmuştur. Kontrolcü tarafından hesaplanan düzeltici savrulma momenti,tekil frenleme yoluyla taşıta etkimektedir. Fren torku dağılım algoritmasıyla hangitekerleğin frenleneceği tespit edilmektedir. Frenleme gerçekleştirilirken tekerleklerinkilitlenmesini önlemek için, tekerlek kayma kontrolcüsü kullanılmaktadır. Tekilfrenlemenin yeterli kalmadığı durumlarda ise elektrik motoru torku azaltılarak taşıtınyanal kararlılığı sağlanmaya çalışılmaktadır.RB-LSC sistemi, ILSC'ye göre daha basit ve ucuz, daha az sensör, tahminci ve eyleyicikullanımı gerektiren bir yöntemdir. Bu kontrol sisteminde, elektrik motoru torkukontrol edilerek taşıt yanal kararlılığı sağlanmaya çalışılmaktadır. RB-LSC sistemiiçin iki farklı yaklaşım önerilmiştir. RB-LSC1'de elektrik motoru torku, taşıt yanakayma açısı ve taşıt savrulma açısal hızı hata değerlerine göre bang-bang kontrolcüyardımıyla kontrol edilerek rejeneratif frenleme gerçekleştirilmektedir. RB-LSC2'deise elektrik motoru torku sadece taşıt savrulma açısal hızı hata değerine göre PDkontrolcü yardımıyla ayarlanarak rejeneratif frenleme yapılmaktadır. Belirtilen buikinci yöntem, taşıt yana kayma açısı tahminine ihtiyaç duymamasından dolayı dahaavantajlıdır. Önerilen kontrol sistemlerin karşılaştırılmasında kullanılmak üzere Temel ESC olarakadlandırılan PID tabanlı bir kontrol sistemi de tez kapsamında kullanılmıştır. Tümkontrol sistemleri, iki farklı test kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu testler beklemelisinüs testi ve kanca testidir. Yöntemleri sayısal olarak karşılaştırmak için, taşıtyanal dinamiğinin en önemli göstergeleri olan taşıt savrulma açısal hızının ve taşıtyana kayma açısının hata değerleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, hembeklemeli sinüs testine, hem de kanca testine göre en küçük taşıt savrulma açısal hızıve taşıt yana kayma açısı hata değerleri önerilen ILSC sistemi ile elde edilmiştir.Ayrıca bahsedilen tüm yanal kararlılık kontrol sistemleri, standart ESC regülasyontesti olan FMVSS No. 126 testine sokulmuştur. Temel ESC ve ILSC sistemleri butesti geçmiştir. RB-LSC sistemleri bu testi geçememesine rağmen, ESC sisteminesahip olmayan taşıtlarda kısıtlı iyileştirme sağlayabilecek ucuz alternatif sürücü desteksistemleri olarak önerilmiştir.

The vehicle control systems or automotive control is a very important application areaof the advanced control systems theory. Along with the advances in the electronics,the control systems have been used in ground vehicles increasingly. They have beenplayed vital role in vehicles by improving safety, reducing pollutant emissions andproviding fuel economy. This thesis focuses the important problems of the groundvehicle control systems within the scope of the robust control methodology, especiallybased on the parameter space and the disturbance observer approaches. Four differentproblems are investigated in the thesis: robust DC motor speed control for fully electricvehicles, time delay compensation for the vehicle yaw stability control systems, robustautomatic steering control for highly automated driving and the lateral stability control for fully electric vehicles.Firstly, the robust DC motor speed control problem for fully electric vehicles isinvestigated. The parameter space approach based robust PI controller design isperformed considering the uncertain motor parameters. In the robust PI controllerdesign step, the multi-objective design requirements are taken into account suchas Hurwitz stability, D-stability, phase margin bounds and the frequency domainspecifications. An add-on disturbance observer is employed to improve the trackingand the disturbance rejection properties of the proposed robust PI control system.The parameter space approach based robust PI controller and the add-on disturbanceobserver is tested by the help of simulations and experiments. The robust PI plusdisturbance observer control system shows better performances for all the simulationsand experiments.Secondly, the time delay problems in automotive control applications are discussed.The communication disturbance observer approach for the time delay compensationis introduced. A novel robust stability condition is developed for the cases of theconstant and the time varying delay. This robust condition is used in the design ofthe communication disturbance observer for the forth order time delayed plant withfree integrator, which is a special case of unstable time delayed plants. The methodis also applied to the vehicle yaw stability problem over CAN bus which suffers fromthe destabilizing effect of the time delay. It is seen that the time varying delay causesinstability in the case of only PI control but in the case of the add-on communicationdisturbance observer, the vehicle becomes stable and also the yaw rate of the vehiclefollows the desired yaw rate successfully.Thirdly, the robust automatic steering control for highly automated driving is studied.The parameter space approach based robust PID steering control system is designedconsidering the uncertainties in the vehicle mass, the vehicle velocity and the tire-roadfriction coefficient. The designed robust controller is tested with the different paths and the road conditions using the experimentally validated nonlinear vehicle model. Also,the design of digital map and GPS measurements based robust steering controller isperformed. The high resolution digital map is generated using the constrained leastsquare method. The lateral deviation and the yaw angle of the vehicle, which areused to determine the feedback signal of the controller, are calculated using this offlinegenerated map and online vehicle's position information. The proposed method istested successfully on an eight segments road with the validated vehicle model.Lastly, the problem of lateral stability control for fully electric vehicles is discussed.Two different control systems are proposed: integrated lateral stability control (ILSC)and regenerative braking based lateral stability control (RB-LSC) systems. Also, abenchmark PID based controller (Basic ESC) is used for the comparison of the controlsystems. Two different tests (the sine-with-dwell and the fishhook) are performed toanalyze the proposed controllers. According to the results, the minimum errors ofyaw rate and side slip angle are obtained by the proposed ILSC system both for thesine-with-dwell and the fishhook tests. In addition, the standard ESC regulation test(FMVSS No. 126) is applied to the proposed control systems. The Basic ESC andILSC systems are passed the FMVSS No. 126 test. The RB-LSC systems are found ascheaper alternative support systems in order to correct the yaw dynamics of vehiclesnot equipped with ESC in a limited manner.