اسم الباحث : فاطمه منير عبد الرسول
اسم المشرف : أ.م.د. احمد عبد الهادي احمد+ أ.م.د. حيدر جليل كامل
الكلمات المفتاحية :
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : علوم الهندسة الكهربائية
سنة نشر البحث : 2024
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
البيئة حركة المرور على الطرق متغيرة للغاية ولا يمكن التنبؤ بها. قد تواجه السيارات ذاتية القيادة التي تعمل في مثل هذه البيئات سيناريوهات حرجة غير متوقعة، حيث يزداد خطر وقوع حادث بسرعة مقارنة بمواقف القيادة العادية. قد تنشأ هذه السيناريوهات بسبب سلوك غير متوقع من مستخدمي الطريق الآخرين أو ظهور عوائق على الطريق. في مثل هذه الظروف الحرجة، يكون الهدف الأساسي للتحكم في حركة السيارة هو تقليل خطر وقوع حادث وشيك.
الغرض من هذه الدراسة هو تطوير نظام يمكن أن يساعد في منع الحوادث في بيئات المرور على الطرق التي لا يمكن التنبؤ بها والمتغيرة من خلال معالجة مشكلة تخطيط الحركة والتحكم فيها في المواقف الحرجة للسيارات المستقلة. يولد النظام المسارات المثلى ومدخلات التحكم للسيارة لاتباعها مع تجنب العوائق واتباع مركز المسار بشكل متوقع. لتحقيق هذا الهدف، تم تقديم تقنية تخطيط الحركة للسيارات ذاتية القيادة.
تعتمد تقنية تخطيط الحركة المستخدمة في هذه الدراسة على خوارزميات (, A* potential field) لتخطيط المسار، مع وحدة تحكم ذكية تتكون من prediction المدعوم بتقنية. neural network تتنبأ model predictive controller النموذجية بمستقبل السيارة لأفق زمني محدود باستخدام نموذج رياضي للسيارة. تستخدم وحدة التحكم نموذج دراجة حركي خطي ومنفصل كنموذج سيارة داخلي. يتم استخدام مسار الإستراتيجية A* لأنه أداة قوية لحل مشاكل تحديد المسار نظرًا لما يتمتع به من أمثلية وكفاءة وقبول ومرونة. ويتم استخدام potential field لتخطيط المسار في بيئة بها عوائق بسبب بساطتها وأمانها وتكلفة حسابية منخفضة. مدخلات التحكم هي زاوية توجيه السيارة والتسارع.
تعمل model predictive controller في النموذج على حل مشكلة التحسين باعتبارها مشكلة برمجة تربيعية تقلل من دالة التكلفة مع تلبية مجموعة من القيود. تُستخدم neural network لضبط معدل تغيير قيمة زاوية التوجيه، ويعد تعديل معدل زاوية التوجيه جزءًا مهمًا من تحسين أداء السيارة ذاتية القيادة وضمان سلامتها وموثوقيتها على الطريق. بدون تعديل معدل زاوية التوجيه، قد تتأثر قدرة السيارة على الدوران الدقيق والتوقف بدقة، مما قد يؤدي إلى زيادة مخاطر وقوع الحوادث وتقليل كفاءة استهلاك الوقود. تتضمن وظيفة التكلفة مجموعة من الأهداف، بما في ذلك الأخطاء في الحالات المرغوبة والحالية، والمدخلات، ومعدل تغيير المدخلات، لتوجيه السيارة ذاتية القيادة بعيدًا عن المناطق عالية التكلفة. تحدد وحدة اتخاذ القرار مسار العمل التالي للسيارة، بعد تحديد المناورة اللاحقة يتم إنشاء ملف تعريف السرعة ومرجع مركز المسار لتتبع السيارة ذاتية القيادة.
تم حل مشكلة البرمجة التربيعية باستخدام python convex optimisation في أداة التحسين، بوقت عينة يبلغs 0.1. يتم ضبط معلمات التحكم، بما في ذلك أوزان دالة التكلفة وطول الأفق، لجعل المسار آمنًا ومريحًا. يتراوح طول الأفق المحدد من m8 إلى m12، وفيه تضمن وحدة التحكم أن السيارة تتبع المسار المقصود مع تجنب العوائق.
تم تحقيق جميع النتائج ضمن قيود السيارة المحددة والتي هي، اقصى سرعة 15 m/s، اقصى سرعة عكسية 5 m/s، اقصى زاوية توجيه 45°، اقصى معدل توجيه 30°، اقصى تباطؤ 6 m/ S^2 واقصى تسارع m/ S^2 2.5.
Neural Network Based MPC for Tracking the Self Driving Car
Abstract
The road traffic environment is highly variable and unpredictable. Autonomous cars operating in such environments may face unexpected critical scenarios, where the risk of an accident rapidly increases compared to normal driving situations. These scenarios may arise due to unforeseen behavior from other road users or obstacles appearing on the road. In such crucial conditions, the primary objective of car motion control is to minimize the danger of an impending accident.
The purpose of this study is to develop a system that can help prevent accidents in unpredictable and variable road traffic environments by addressing the problem of motion planning and control in critical situations for autonomous cars. The system generates optimal paths and control inputs for the car to follow while avoiding obstacles and following the center of the track predictably. To achieve this objective, motion planning technique for self-driving cars are presented.
The motion planning technology utilized in this study is based on the A* and potential field algorithms, with an intelligent controller consisting of prediction supported by neural network technology. The model predictive controller predicts the car’s future for a finite time horizon using a mathematical model of the car. The controller utilizes a linearized and discretized kinematic bicycle model as an internal car model. The A* strategy path is used as it is a powerful tool for solving pathfinding problems due to its optimality, efficiency, admissibility, flexibility, and potential function for path planning in an environment with obstacles. The potential function is used due to its simplicity, safety, and low computational cost. The control inputs are the car’s steering angle and acceleration.
The model predictive controller solves the optimization problem as a quadratic programming problem that minimizes a cost function while satisfying a set of constraints. The neural network is used to adjust the rate of change of the steering angle value, adjusting the rate of steering angle is an important part of optimizing a self-driving car’s performance and ensuring its safety and reliability on the road. Without adjusting the rate of steering angle, the car’s ability to make precise turns and stop accurately may be compromised, which can lead to a higher risk of accidents and lower fuel efficiency. The cost function includes a set of objectives, including errors in desired and current states, inputs, and the rate of change of inputs, to guide the self-driving car away from high-cost regions. The decision-making module determines the next course of action for the car. After the subsequent maneuver is selected, a velocity profile and a lane center reference are generated for the self-driving car to track.
The quadratic programming problem is solved using convex optimization in the optimization tool of python, with a sample time of 0.1 seconds. The control parameters, including the cost function weights and the length of the horizon, are adjusted to make the lane safe and comfortable. The selected horizon length ranges from 8 m to 12 m, within which the control unit ensures that the car follows the intended path while avoiding obstacles.
All the results were achieved within the constraints of the specified car, with a maximum speed of 15 m/s, maximum reverse speed of 5 m/s, maximum steering angle of 45°, maximum steering rate of 30°, maximum deceleration of 6 m/s^2 and a maximum for acceleration 2.5 m/s^2