Path tracking and collision avoidance for autonomous ground vehicles using nonlinear model predictive control

---

Tezin Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, KONTROL VE OTOMASYON MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2025

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: NURAL MAMMADOV

Danışman: İbrahim Alışkan

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Bu tezde, otonom kara araçları için Doğrusal Olmayan Model Öngörülü Kontrol (NMPC) tabanlı bir izleme ve çarpışma önleme yapısı geliştirilmiştir. Tasarlanan yapı, aracın yanal dinamiklerini temsil eden beş durumlu değişken doğrusal olmayan dinamik bir modele dayanmaktadır. İlk olarak, araç sabit bir hızda hareket ederken sinüzoidal bir referans yolu üzerinde izlenir ve farklı kontrol ufukları ve ağırlık matrisleri altında performans analizleri gerçekleştirilir. Daha sonra, sabit bir engelin olduğu senaryolarda, engel önleme stratejisi MPC yapısına entegre edilir ve testler gerçekleştirilir. Çalışma iki aşamaya ayrılmıştır: yol izleme ve çarpışma önleme. İlk aşamada, yol izleme performansı sinüzoidal bir referans yolu kullanılarak üç senaryo üzerinden değerlendirilir. Senaryo 1, sabit hızda tahmin ufkunda meydana gelen değişimin sistem davranışı üzerindeki etkisini araştırır. Senaryo 2'de, hızdaki değişimin yol izleme performansı üzerindeki etkisi ağırlık matrisleriyle birlikte analiz edilir. Senaryo 3'te, sistemin yüksek hızdaki kontrol performansı, kontrol ufkunun değeri değiştirilerek değerlendirilir. Sistem ikinci aşamada sabit bir engel aşamasına karşı test edildi ve çarpışmadan kaçınma yeteneği değerlendirildi. Bu amaçla, engeli algıladığında çarpışmadan kaçınmak için alternatif bir yol üreten beşinci dereceden polinom tabanlı bir kaçınma stratejisi oluşturuldu ve MPC denetleyicisi yeniden oluşturulan referansı izleyecek şekilde yapılandırıldı. Çarpışmadan kaçınma senaryoları farklı hızlar ve kontrol parametreleri altında test edildi; daha yüksek hızlarda daha erken manevra başlatma ve daha büyük yanal sapmalar gözlemlendi. Sistem performansı yanal konum hatası, kök ortalama kare hatası (RMSE) ve simülasyon süreleri ile değerlendirildi. MPC yaklaşımına ek olarak, yaygın olarak kullanılan klasik kontrol yöntemlerinden biri olan Orantılı-İntegral (PI) kontrol yöntemi de değerlendirildi. MPC ve PI kontrol yöntemlerinin izleme performansı, referans yol olarak sinüzoidal bir yol kullanılarak karşılaştırıldı. Optimizasyon, MPC yapısında gelecekteki sistem davranışı dikkate alınarak yapılırken, PI denetleyicisi yalnızca mevcut ve kümülatif hatalara tepki verir. Gerçekleştirilen simülasyonlar, düşük hızda çalışan PI kontrolörünün sınırlı izleme performansı sunduğunu, MPC'nin ise daha akıcı ve daha kararlı izleme sağladığını göstermektedir. Sonuçlar, önerilen MPC tabanlı kontrol yapısının değişen hızlara ve çevre koşullarına karşı sağlam bir performans gösterdiğini ve güvenli sürüş sağladığını göstermektedir. Bu yapı, gerçek zamanlı uygulamalar için umut verici bir temel sunmaktadır.