İnsan-merkezli ve güvenli otomatik sürüş için tork tabanlı öngörümlü direksiyon yardımcı sisteminin tasarımı ve gerçeklenmesi

Trafik kazaları kamu sağlığını ve huzurunu tehdit eden başlıca sorunlardan biri olmaya devam etmektedir. Dünya Sağlık Örgütü'nün yayınladığı raporlara göre trafik kazaları yüzünden küresel olarak her yıl 1.24 milyon insan hayatını kaybetmekte ve de 20 ila 50 milyon insan ölümcül olmayan yaralanmalara ve sakatlıklara maruz kalmaktadırlar. Otomotiv endüstrisi ve araştırmacılar kazaların bu yıkıcı etkilerini azaltmak amacıyla uyarıcı işaretler üreten ya da aracın kontrolüne müdahale eden araç güvenlik sistemlerinin geliştirilmesi için çalışmalara odaklanmışlardır. Algılayıcılar, eyleyiciler ve de bilgisayar sistemlerindeki teknolojik gelişmeler sayesinde otomasyon sistemleri araç kontrolünde önemli bir rol oynamaya başlamıştır. Kilitlenme önleyici frenleme ve elektronik kararlılık denetimi gibi araç kontrol sistemleri aracın yol tutuş performansını ve dolayısıyla yol güvenliğini arttırdığı kanıtlanmıştır. Kazaların nihai sebebi olarak insan hataları ilk sırada olmasına rağmen güvenilirlik meselelerinden dolayı insanlar otonom araçlara bütün kontrol yetkisini vermeğe gönüllü değillerdir. Araba sürmek gibi görsel ve bilişsel yönden külfetli olan bir eylemde sürücülere destek olmak için tasarlanan sürücü yardımcı sistemleri, kontrol otoritesini sürücüde tutarak sürücüyü bir çok yönden işlevsel olarak desteklemektedirler. Şeritten çıkmayı engelleyici sistem, şerit takip yardımı sistemi ve de kör nokta müdahale sistemi gibi yanal araç güvenlik sistemleri bu sistemlerin ticari olarak uygulanışına önemli örneklerden birkaçıdır. İnsanın da araç sistemin bir parçası olması sebebiyle bu tarz kontrol sistemlerinin tasarımı zorlaştırmakta ve ilgi çekici bir hale gelmektedir. Otomasyonun insan üzerindeki etkilerininin eksiksiz bir şekilde dikkate alınması, bu tarz insan-makina sistemlerinin tasarımı açısından büyük önem taşımaktadır.İnsan-makina sistemlerinde ortaya çıkan anlaşmazlıkları inceleyen birçok insan faktörleri çalışmaları vardır ancak istenilen tasarım ilkelerine uygun olan bir yaklaşım azımsanmayacak kadar bir ilgi görmüştür. Temassal paylaşımlı kontrol yaklaşımı iki farklı sistemin (örneğin insan operatörü ve otomasyon sistemi) aynı fiziksel kontrol arayüzünü kullanarak beraber bir işi yapabilecek şekilde bu arayüzü paylaşmaları fikri üzerine inşaa edilmiştir. Bu sayede iki sistem arasında çift yönlü bir bilgi alışverişi kurularak kontrol verimliliğinin artması ve de operatörün iş yükünün azaltılması hedeflenmektedir. Temassal yönlendirme sistemleri bu çerçevede en ilgi gören otomotiv uygulama alanı olmuştur. Bu sistemler aracın direksiyon hakimiyetini insan operatörü ile paylaşarak şerit takibi, şerit değiştirmesi ve de engelden kaçma gibi manevralarda insanlara yardımcı olacak şekilde tasarlanmaktadırlar. Temassal yönlendirme sistemi, insan operatörü ile tensel kuvvet geri beslemesi yoluyla haberleşir ve bu sayede sürücünün görsel iş yükü hafifletilmektedir. Yapılan birçok çalışmada insan ve otomasyon arasındaki anlaşmazlığın olmadığı durumlarda bu sistemlerin çok yararlı olduğu ancak acil manevra ve de anlaşmazlık durumlarında bu sistemlerin sürücülerle olan etkileşiminin etkilerinin incelenmesi gereklidir. Bu tez kapsamında paylaşımlı direksiyon kontrolü konusunun literatürdeki açık problemleri incelenerek, bu problemleri çözmeye yönelik model öngörümlü kontrol yöntemini kullanan insan-makina sisteminin tasarımı önerilmiştir. Model öngörümlü kontrol yöntemi basık ufuk kontrol tekniğini kullanan model tabanlı bir optimal kontrol stratejisidir. Bu kontrol yönteminde, sistemin matematiksel bir modeli kullanılarak durum değişkenlerinin olası yörüngeleri kontrol giriş dizisinin fonksiyonu olarak ifade edilir. Nümerik optimizasyon yöntemleri kullanılarak tanımlanmış bir amaç fonksiyonunu minimize eden optimal giriş işareti dizisi hesaplanır. Bu kısıtlı optimizasyon problemi her ayrık zaman adımında sonlu bir zaman için çözülür. Hesaplanan optimal giriş dizisinin sadece ilk elemanı sisteme uygulanır ve optimizasyon rutini bir sonraki örnekleme periyodunda tekrar çözülür. Öngörülü kontrolcünün tasarımı dört farklı unsura ayrılabilir. Bunlar, öngörüm modeli, tasarlanmış bir amaç fonksiyonu, sistem kısıtları ve de ilgili ağırlık katsayıların ve öngörüm ufkunun belirlenmesidir. Kullanılan öngörüm modeline bağlı olarak kontrol performansı ve optimizasyon probleminin karmaşıklığı arasında bir değiş tokuş vardır. Basit ama yeterli bir doğrulukta model kullanmak optimizasyon probleminin karmaşıklığını azaltıp kontrol performansının bozulmamasını sağlayacaktır. Bu tezde insan merkezli ve güvenli otomatik sürüş için sürücüyü temassal kuvvetler ile yönlendiren bir sürücü direksiyon yardımcı sisteminin tasarlanması ve gerçeklenmesi konusu işlenmiştir. Önerilen bu sistem eyleyici olarak talep edilen bir tork değerini üretebilen bir direksiyon mekanizması kullanmaktadır. Bu eyleyici sayesinde istenilen geri besleme kuvveti üretilip direksiyona uygulanmaktadır. Geçmişte yapılan çalışmaların birçoğunda yönlendirici kuvvetlerin hesaplanması için optimal direksiyon açısını hesaplayan bir öngörüm tabanlı kontrolcü ve orantısal bir geribesleme yöntemi kullanılmıştır. Bu geribesleme kuvvetlerinin ayarlanması genelde sezgisel yöntemlerle yapıldığı için sürücü ve sistem arasında anlaşmazlıklara yol açarak rutin sürüş görevlerinde dahil fiziksel iş yükünün artmasına sebebiyet vermektedir. Bu sebeple insanın sinir ve kaslara (nöromüsküler) ait özelliklerinin yönlendirici kuvvetlerle olan etkileşimi bazı çalışmalarda incelenmiştir. İnsanlar bir anlaşmazlık durumunda kol kaslarını kasarak yönlendirici kuvvetlerin tersi yönünde kuvvet üretebilmekte ya da bu kuvvetlere yol vermek için kol kaslarını gevşetebilmektedir. Ortaya çıkan bu değişken ve uyarlanabilir etkileşimi modelleyerek kontrol tasarımının içerisinde kullanmak, kontrol performansını ve de insan-makina etkileşiminin verimliliğini arttırmaktadır. Bu sunulan çalışmada, insan kolunun nöromüsküler özellikleri ile direksiyon sisteminin dinamik özelliklerini birleştirerek sürücü-direksiyon bütünleşmiş sistemi modelini önerilmiştir ve bu modelin değişken katsayıları özçağrılı en küçük kareler yöntemi ile çevrimiçi hesaplanmıştır. Bu sayede önerilen kontrolcü insan-makina sisteminin zamana bağlı değişken özelliklerini öngörüm modelinin parametrelerini yenileyerek takip edebilmiş ve bunun sonucunda etkileşim seviyesine uygun bir yönlendirici kuvvet optimize etmesi sağlanmıştır. Tasarlanan masraf fonksiyonu içerisindeki amaç kriterleri kullanılacak yönlendirme kuvvetinin boyutu ve arzu edilen güzergahtan sapma miktarı arasında ödünleşim olacak şekilde tasarlanmıştır. Eğer sürücü ve sistemin hedefleri uyuşması durumlarında, yani herhangi bir anlaşmazlık olmaması durumu, kontrol sistemi insanın nöromüsküler özelliklerine uyacak şekilde uygun miktarda kuvvet uygulayacaktır. Ancak hedeflerin uyuşmaması durumunda kontrolcü ilk olarak sürücüyü yönlendirecek miktarda kuvvet uygular ve sürücünün bu kuvvete karşı koymasıyla yavaş yavaş kuvvet miktarını azaltır. Bunun sebebi ise amaç fonksiyonunda giriş işareti masrafının güzergah takip etme masrafından daha büyük olmaya başlamasıdır. Diğer bir yandan, eğer sürücünün davranışları güvenlik zaafiyetine yol açacak şekilde ise sistem ne pahasına olursa olsun, yani sürücü kabul etsin ya da etmesin, araç dinamiğine müdahale edecektir. Önerilen yardımcı sistemi ilk olarak kapalı çevrim simülasyonlarda şeritten ayrılma ve kör nokta müdahalesi gibi senaryolarda test ettik. Sonuçlar nöromüsküler özelliklerin öngörüm modelinde doğru ifade edilmesinin kontrol performansını arttırdığını göstermiştir. Daha sonra, bu tasarlanan sürücü yardımcı sistemi elektrik gücü yardımcılı direksiyon sistemine sahip olan bir deneysel araçta test edilerek onaylanmıştır. Şeritten ayrılma ve kör nokta müdahale gibi senaryolar ele alınarak insan sürücüler ile birlikte çeşitli deneyler yapılmıştır. Sonuçlar önerilen sistemin farklı sürücü tepkilerine göre uyum sağlamaktaki başarısını göstermektedir. Yönlendirici kuvvetler sürücünün sistemle olan etkileşimine bağlı olarak hesaplanmıştır. Daha başarılı bir kontrol performansı öngörüm modelini yenileyerek elde edilmiştir. Bu deneysel çalışmalara ek olarak beş katılımcının yer aldığı bir deneysel çalışma yaptık. Bu çalışmanın amacı farklı bireylerin farklı senaryolarda sistem ile olan etkileşimini gözlemlemek ve de sistemin başarısını onaylayacak sonuçlar almaktır. Deney sonuçlarında göre önerilen sistem yönlendirici kuvvetleri sistematik olarak etkileşim seviyesine göre uyumlu bir şekilde uygulamaktadır. Bu yöntem kontrol hedeflerindeki farklılıklardan dolayı oluşan anlaşmazlık anlarının pürüzsüz bir şekilde çözülmesini sağlayabilir.