طراحی سیستم برنامه ‌ریز مأموریت دور زدن کامل خودکار خودروی خودران در جاده ‌های باریک و پهن

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی‌ دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

برنامه­ ریزی و رفتار خودروهای خودران در یک ساختار سلسله مراتبی به سطوح مختلف استراتژیک، تاکتیک و عملیاتی دسته ­بندی می­شود. در این پژوهش، مطالعه در سطح برنامه ­ریزی محلی با هدف طراحی سیستم دور زدن خودکار خودرو و با تمرکز بر روش طراحی مسیر و برنامه ­ریزی مانور تک و چند فرمانه ارائه می­ گردد. مانور دور زدن کامل به عنوان یک سناریوی متداول در شرایط مورد نیاز، شامل یک یا چند حرکت به جلو و عقب می ­باشد که در آن بایستی خودرو در موقعیت مناسب در لاین مخالف جاده و با زاویه سر 180 درجه ضمن رعایت شرط عدم برخورد در طی انجام حرکت قرار گیرد. بدین منظور نخست، مدل چهار چرخ وسیله نقلیه با هندسه مربوطه، تشریح می­ گردد. در ادامه بر مبنای کمینه پهنای مجاز جاده استخراج شده، تصمیم­ متناسب با هدف حداقل تعداد فرمان اتخاذ و برنامه­ ریزی مانور انجام می ­شود. سپس طراحی مسیر توسط روش هندسی پیشنهادی با کمان ­های دایره و تعمیم به دور زدن کامل عقب ­گرد برای هر موقعیت و جهت اولیه ارائه می ­گردد. روش پیشنهادی در پژوهش، مزایایی چون هزینه محاسباتی کم و در عین حال قابلیت استفاده برای حالات مختلف وضعیت اولیه خودرو و جاده را دارا می ­باشد. امکان­ سنجی دور زدن در تک یا چند مانور در جاده­ های باریک و پهن بررسی و توسعه داده می ­شود. نتایج شبیه­ سازی دور زدن با داده­ های خودروی نمونه و ارزیابی پیوسته امکان ­پذیرترین مانور، کارایی رویکرد انتخاب شده برای برنامه ­ریزی را تأیید می­ کند. در یک مطالعه موردی برای خودروی سمند، با استفاده از رویکرد پیشنهادی، ضمن برنامه­ ریزی مناسب انجام شده، کاهش مسافت حدود 11درصدی برای جاده با پهنای 12 متر نسبت به مسیر طراحی شده یکی از مراجع مشاهده می ­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] “HTSM Automotive Roadmap 2020-2030,” Available: https://www.raivereniging.nl/binaries/content/assets/downloads/htsm-automotive-roadmap-v1.1-signed.pdf, (2020).
 
[2] Guanetti, J., Kim, Y., and Borrelli, F., “Control of Connected and Automated Vehicles: State of the Art and Future Challenges”, Annual Reviews in Control, Vol. 45, pp. 18-40, (2018).
 
[3] Chang, C.W., Lv, C., Wang, H., Wang, H., Cao, D., Velenis, E., and Wang, F.Y., “Multi-point Turn Decision Making Framework for Human-like Automated Driving”, IEEE 20th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), IEEE, October 16-19, Yokohama, Japan, pp. 1-6, (2017).
 
[4] Li, X., Sun, Z., Cao, D., He, Z., and Zhu, Q., “Real-time Trajectory Planning for Autonomous Urban Driving: Framework, Algorithms, and Verifications”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 21, pp. 740–753, (2016).
 
[5] Kuwata, Y., Teo, J., Fiore, G., Karaman, S., Frazzoli, E., and How, J.P., “Real-time Motion Planning with Applications to Autonomous Urban Driving”, IEEE Transaction on Control System and Technology, Vol. 17, pp. 1105–1118, )2009(.
 
[6] Cheein, F.A.A., Carelli, R., De la Cruz, C., and Bastos-Filho, T.F., “SLAM-based Turning Strategy in Restricted Environments for Car-like Mobile Robots”, IEEE International Conference on Industrial Technology, March 14-17, Via del Mar, Chile, pp. 602-607, (2010).
[7] Thorn, E., Kimmel, S., and Chaka, M., “A Framework for Automated Driving System Testable Cases and Scenarios,” Report No. DOT HS 812 623, Washington, DC: National Highway Traffic Safety Administration, (2018).
 
[8] Google, “Mastering Turning of Car”, Retrieved from Google Self-driving Car Project Monthly Report, https://dl.icdst.org/pdfs/files1/6786717558639e653aae406005326fb3.pdf (2016).
 
[9] Khalili, E., Ghaisari, J., and Danesh, M., “Design and Implementation of an Automatic Car Turning System”, Journal of Control, Vol. 13, pp. 33-42, (2019).
 
[10] Park, M.W., Lee, S.W., and Han, W., “Development of Lateral Control Module for Zone (U-turn) Maneuver of Vehicle/Driver Cooperative Autonomous Driving System”, IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, June 1-4, Busan, pp. 908-912, (2016).
 
[11] Jiang, H., Tian, H., Hua, Y., and Tang, B., “Research on Control of Intelligent Vehicle Human-simulated Steering System Based on HSIC”, Applied Sciences, Vol. 9, pp. 905, (2019).
 
[12] Xu, Z., Wang, M., Zhang, F., Jin, S., Zhang, J., and Zhao, X., “PaTAVTT: A Hardware-in-the-loop Scaled Platform for Testing Autonomous Vehicle Trajectory Tracking”, Journal of Advanced Transportation, Special Issue, Vol. 2017, Article ID: 9203251, https://doi.org/10.1155/2017/9203251, (2017).
 
[13] Ding, Z., Sun, C., Zhou, M., Liu, Z., and Wu, C., “Intersection Vehicle Turning Control for Fully Autonomous Driving Scenarios”, Sensors, Vol. 21, pp. 3995, https://doi.org/10.3390/s21123995, (2021).
 
[14] Katrakazas, C., Quddus, M., Chen, W.H., and Deka, L., “Real-time Motion Planning Methods for Autonomous On-road Driving: State-of-the-art and Future Research Directions”, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, Vol. 60, pp. 416-442, (2015).
 
[15] Paromtchik, I.E., Garnier, P., and Laugier, C., “Autonomous Maneuvers of a Nonholonomic Vehicle”, Proceedings International Symposium on Experimental Robotics, June, Heidelberg, Germany, pp. 277–288, (1998).
 
[16] Zhao, Y., and Collins Jr, E.G., “Robust Automatic Parallel Parking in Tight Spaces via Fuzzy Logic”, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 51, pp. 111–127, (2005).
 
[17] Yang, J., Chen, P., Rong, H.J., and Chen, B., “Least Mean P-power Extreme Learning Machine for Obstacle Avoidance of a Mobile Robot”, International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), July 24-29, Vancouver, Canada, (2016).
 
[18] Tuncer, A., and Yildirim, M., “Dynamic Path Planning of Mobile Robots with Improved Genetic Algorithm”, Computers and Electrical Engineering, Vol. 38, pp. 1564–1572, (2012).
 
[19] Yalin, C., Liyang, Z., Longbiao, Z., Xiaojiang, S., and Heng, W., “Research on Path Planning of Parking System Based on the Improved Dijkstra Algorithm”, Modern Manufacturing Engineering, Vol. 6, pp. 63–67, (2017).
 
[20] Liu, Y.W., and Wu, H.Q., “Path Planning Based on Theoretical Shortest Distance Variable Weight A* Algorithm”, Computer Measurment and Control, Vol. 26, pp. 175–178, (2018).
 
[21] Ahmed, A.A., Abdalla, T.Y., and Abed, A.A., “Path Planning of Mobile Robot by using Modified Optimized Potential Field Method”, International Journal of Computer Applications, Vol. 113, pp. 6-10, (2015).
 
[22] Oetiker, M.B., Baker, G.P., and Guzzella, L., “A Navigation-field-based Semi-autonomous Nonholonomic Vehicle-parking Assistant”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 58, pp. 1106–1118, (2009).
 
[23] Farjad Bastani, S., and Khodayari, A., “A Novel Algorithm for Automatic Parallel Parking a Car Based on Continuous-curvature Clothoid Path Planning”, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, Vol. 50, pp. 341-344, (2018).
 
[24] Zhang, J., Shi, Z., Yang, X., and Zhao, J., “Trajectory Planning and Tracking Control for Autonomous Parallel Parking of a Non-holonomic Vehicle”, Measurement and Control, Vol. 53, pp. 1–17, (2020).
 
[25] Zhu, M., Chen, H., and Xiong, G., “A Model Predictive Speed Tracking Control Approach for Autonomous Ground Vehicles”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 87, pp. 138-152, (2017).
 
[26] Sivaraman, S., and Trivedi, M.M., “Looking at Vehicles on the Road: A Survey of Vision-based Vehicle Detection, Tracking, and Behavior Analysis”, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, Vol. 14, pp. 1773-1795, (2013).
 
[27] Rajamani, R., “Vehicle Dynamics and Control”, 2nd Edition, Mechanical Engineering Series, Springer, (2011).
 
[28] Managheb, S.A.M., and Ghaffari, A., “Tactical Level Decision Making of Automatic Turning Mission Based on Reference Paths of Autonomous Vehicle”, 29th Annual International Conference of the Iranian Association of Mechanical Engineers (ISME), May 25-27, Tehran, Iran, (2021).
 
[29] Buysse, M., “Theorems of Euclidean Geometry through Calculus”, arXiv Preprint arXiv:2007.00002, https://doi.org/10.48550/arXiv.2007.00002, (2020).
 
[30] Powell, M.J.D., “A Fortran Subroutine for Solving Systems of Nonlinear Algebraic Equations”, In Rabinowitz, P., (Editor), Numerical Methods for Nonlinear Algebraic Equations, Chapter 7, New York, Gordon and Breach, (1970).
 
 
[32] Vorobieva, H., “Design and Validation Method of Control Laws for Automated Vehicle Driving Systems”, Ph.D. Thesis, School of Sciences and Engineering, University of Evry-Val-d'Essonne, Versailles, France, (2014).