OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
YARIİLETKEN SENSÖRLER YARDIMIYLA ARAÇ HAREKETLERİNİN
ANALİZİ, KAZA DURUMUNUN TESPİTİ ve eCALL
Murat Erat*, Ömer Şahin Karaman*, Halil Özçiçek*
*
Ortem Elektronik A.Ş. , KOCAELİ
ÖZET
eCall (Emergency Call, Acil arama) genel anlamda araçların kaza yapmaları durumunda acil çağrı merkezlerini
otomatik olarak arayan ve kaza yerine ait konum bilgisini otomatik gönderen elektronik güvenlik sisteminin tümüne
verilen addır. Sistem kazazedeler bilinçlerini kaybetseler dahi, 112 acil çağrı merkezlerine kaza mahallinin konum
bilgilerini otomatik olarak gönderebilecek ve araç içi ile sesli görüşme yapabilecektir. eCall olarak adlandırılan bu
sistem tüm Avrupa Birliği ülkelerinde 2015 yılı itibarıyla uygulamaya konulacaktır.
Bu çalışmada yarıiletken ivme sensörü kullanılarak araç üzerinden x,y,z düzlemleri boyunca ivme verileri
toplanmış, bu veriler işlenerek, aracın seyahat esnasındaki hareketleri hakkında kestirimler yapılmıştır. İvme
sensöründen toplanan veriler üzerinde yapılan çalışmalar ile araç hareketlerinin tespitine yönelik özel
algoritmalar geliştirilmiştir. Geliştirilen özel algoritmalar bu amaç için tasarlanan elektronik kontrol ünitesine
yüklenerek araç üzerinde gerçek ortamda test edilmiştir. Test esnasında araç üzerinde ani fren, hızlanma, keskin viraj,
savrulma, ters dönme, kasis üzerinden geçme, çukura düşme v.b. senaryoları gerçekleştirilmiş ve okunan veriler ile
doğrulanmıştır. Bunun dışında eCall sistemi için geliştirilen donanım, ayrıca model araçlara monte edilip, hareketli ve
sabit platformlarla çarpıştırılmış, çarpışmalara ait ivme verileri toplanmış ve bu veriler üzerinde çarpışmanın şiddetinin
tespitine yönelik algoritmalar geliştirilmiştir.
Anahtar kelimeler: Kaza tespiti, hareket analizi, eCall, ivme sensörü, GPS, GSM
MOVEMENT ANALYSIS of VEHICLE with ACCELEROMETER, CRASH DETECTION and eCALL
ABSTRACT
eCall (Emergency Call) is the name of the electronic safety system which calls the emergency call centers
automatically and sends the location info when an accident happens. Even if the survivors lose consciousness,
emergency call center “112” will be able to detect the location of the accident and make a voice call if needed. eCall
will be a standard in European Union countries after 2015.
In this study, using a semiconductor accelerometer, acceleration/deceleration info is gathered on vehicle, and after
this info is processed, some estimation are made upon vehicle’s movement. New special algorithms are developed using
these accelerometer info. These algorithms later tested with an electronic control unit on a vehicle. During tests
acceleration/deceleration, curve and other real life scenarios are tested and the results are verified. Other than that the
same eCall test unit is mounted on model cars, the results are also verified in these vehicles and new algorithms are
developed to detect the severity of the crash.
Keywords: eCall, accelerometer, crash detection, movement analysis, GPS, GSM
1.
süreleri çok uzun olmaktadır. Genellikle araçlar bir
kazaya karıştığında, sürücüler ya da yolcular veya kaza
mahallinde olan biri, acil durum merkezini (ambulans,
güvenlik kuvvetleri) arayarak kazayı bildirmekte ve
GİRİŞ
Trafik kazalarında, ekseriyetle kaza yerine ulaşma
1
çarpışan araçların yerlerini tarif etmektedir. Uzak
bölgedeki ciddi bir çarpışma sonrasında çarpışma
bildirilene kadar çok değerli zamanlar kaybedilmektedir.
Ayrıca görgü tanıkları veya yolcular çarpışan aracın
yerini tam olarak bildirmede çoğu zaman zorluk
yaşayabilirler. Bazen görgü tanıklarının da olmadığı,
kazanın haber verilemediği durumlarda oluşmaktadır.
Böyle durumlarda çoğu zaman kişilerin kaza
yaptıklarının farkına bile varılamamaktadır. Bu durumda
kaza yeri bilinemediğinden, kaza yapanlara belki saatler
süren aramalar sonucu ulaşılmaktadır. Kazalarda hayat
kurtarmak için her saniye çok önemli olup, otomatik Acil
Arama (eCall, Emergency Call) sistemi ile yardım
ekiplerinin kazadan haberdar edilmesiyle, kaza yerine
ulaşma sürelerini önemli ölçüde azalacaktır.
AB ülkelerinde meydana gelen trafik kazalarında
yılda ortalama 30 bin kişi hayatını kaybetmektedir. Bir
kaza durumunda, acil servis ekiplerine kaza yeri
bilgilerinin doğru aktarılması durumunda ve intikal
sürelerini kırsal alanlarda % 50, kentsel alanlarda ise %
40 oranında azaltır. Bu kritik zaman kazancı sayesinde
Avrupa Birliği'nde her yıl yaklaşık 2500 kişinin hayatının
kurtarılması ve on binlerce yaralı durumundaki
kişilerinde
hayati
ciddiyetlerinin
azaltması
beklenmektedir [1]. Araçlara çarpışmaları anlayacak, acil
servis ekiplerine kaza mahallinin konum bilgilerini
otomatik
gönderebilecek
bir
sistemin
(eCall)
yerleştirilmesi durumunda, kazazedelere daha hızlı
ulaşılarak, yaralıların daha çabuk tedavi edilmesini
sağlayacaktır.
Bu sistem ile otomobillerin trafik kazası yapması
durumunda GSM iletişim ağı üzerinden otomatik olarak
112 acil servisi araması öngörülmektedir. Sistem kazaya
ait bilgileri toplayıp, ilk yardım ekiplerine kaza yeri ve
kazanın biçimine ilişkin bilgileri aktaracaktır. Bu sayede
sürücüler kırsal alanda dahi kaza yapmış ve hatta bilincini
kaybetmiş olsalar bile kaza mahallinin yerinin tespit
edilmesi hedeflenmektedir.
Bir aracın kaza yaptığını tespit edebilmek hayat
kurtarmak adına son derece önem arz etmektedir. Söz
konusu çalışmada, belirlenen senaryolar (ani hızlanma,
durma, savrulma, kasise düşme, v.b) dahilinnde, araç
üzerinden yarıiletken sensör vasıtası ile veriler
toplanmıştır. Toplanan veriler üzerinde geliştirilen
algoritmalar uygulanarak veriler yorumlanmış ve aracın
mevcut hareketleri tespit edilmiştir. Böylelikle eCall
sistemi için gerekli kazanın tespiti, ivme sensörü
kullanarak mümkün hale getirilmiştir.
2.
PSAP’a (Public Safety Answering Point) konum bilgisi
ile birlikte kaza şiddetini de gönderecektir.
Sistem şu alt birimlerden oluşmaktadır: ARM tabanlı
Denetleme Birimi, GSM Modem, GPS, G-Sensor, Gyro
Sensor, Kayıt Ortamı ( Flash Hafıza), CAN Bus ara
bağlaşım, Ses giriş-Çıkış ve sayısal giriş çıkış portları.
Şekil 1’de sistemin çalışma prensibi verilmiştir [2].
Şekil 1. eCall Sisteminin Çalışma Prensibi
Bu sisteme sahip olan bir araç kaza yaptığında sistem
otomatik olarak devreye girecek ve 112 Kamu Güvenliği
Cevaplama Noktasını (PSAP) arayacaktır. IVS (Araç
içindeki eCall Cihazı) cihazı GSM operatörlerinden
bağımsız (SIM kart kullanmaksızın veya kullanarak) 112
Kamu Güvenliği Cevaplama Noktası ile ses kanalı
üzerinden bağlantı yapacak ve GPS/Glonass uydularından
aldığı aracın konum verilerini ses kanalı üzerinden
PSAP’a gönderecektir. PSAP’ a veri gönderme işlemi
bittikten sonra, araç içerisinde bulunan kişiler ile
PSAP’ta
bulunan
görevliler
karşılıklı
olarak
görüşebilecekler veya PSAP araç içini dinleyebilecektir.
PSAP araçtan aldığı konum verilerini kendi haritaları
üzerine işleyip olayın olduğu mahalli belirleyecek, daha
sonra ihtiyaca bağlı olarak Polis, Jandarma, Ambulans,
İtfaiye, vb. gibi ilgili birimleri kaza mahalline
yönlendirip, müdahale edilmesini sağlayacaktır. Kamu
güvenliği cevap noktası (PSAP) Aselsan tarafından
geliştirilmekte olup 2014 yılı sonunda bitirilmesi
hedeflenmektedir [3].
3.
VERİLERİN TOPLANMASI ve İŞLENMESİ
Yarıiletken sensörler ile veri toplayabilmek için özel
elektronik kontrol ünitesi geliştirilmiştir. Geliştirilen
kontrol ünitesi her 10ms süre ile sensörlerden verileri
okuyup bunları bilgisayar ekranına aktarmaktadır.
Böylelikle veri akışı aktif olarak görüntülenebilir ve kayıt
edilebilir hale getirilmiştir. Geliştirilen cihaz araç hareket
yönüne uygun koordinat eksenlerinde monte edilmiştir.
Elektronik kontrol ünitesi için geliştirilen yazılımın akış
şeması Şekil 2’de görülmektedir.
eCall SİSTEMİNİN YAPISI
Bu proje kapsamında geliştirilecek cihaz araca ait
birçok veriyi(hız, devir, saat, konum, çarpma şiddeti,
fren bilgisi vb.) sürekli veya belirlenen eşik değerlerinin
aşılması durumunda kaydedecektir. Bu kayıtlara, gerekli
durumlarda yetkilendirilmiş kişiler uzaktan veya cihaz
üzerinden erişebilecektir. Ayrıca kazanın oluşması
durumunda sistem otomatik olarak 112’yi arayacak ve
2
Başla
Sensör Verilerinin
okunması
Şekil 4. Düz Zemin Rölanti Verilerinin Kalman
Filtresinde geçirilmiş hali
Benzer şekilde sırası ile araca eğik zeminde rölanti,
düz zeminde sabit hız, eğik zeminde sabit hız, düz
zeminde hızlanma, eğik zeminde hızlanma, virajda sabit
hız, virajda yavaşlama, düz zeminde ani fren gibi
senaryolar uygulanmış ve bu işlemlere ait ivme verileri
x,y,z eksenleri boyunca toplanmıştır. Söz konusu ivme
veri grafikleri aşağıdaki Şekil 5.,6.,7.,8.,9.,10.,11., lerde
gösterilmiştir.
Kalman Filtre
Verilerin İşlenmesi
Şekil 2. Elektronik Kontrol Ünitesi Üzerinde Geliştirilen
Yazılımın Akış Diyagramı
Kullanılan ivme sensörü çözünürlük olarak 7-bit ve
maksimum ölçüm değer 8g’dir[4].Yani ivme sensöründen
okunan 1 birim değer yaklaşık olarak 0,618 m/s2 ivme
değerine denk düşmektedir. İvme sensörlerinin üzerine
hiçbir ivme etki etmezken (hareketsiz veya ivmesiz
hareket durumunda) yer çekimi ivmesinin gözlenmesi
gerekir. Bu şekilde kullanılan sensör kalibre edilebilir.
Şekil 5. Eğik Zeminde Rölanti Verileri
Hareketsiz yere paralel durumda iken sadece Z
ekseninde 9,81m/s2’lik ivme değerinin ölçülmesi gerekir.
3.1. VERİLERİN TOPLANMASI
Başlangıçta araç düz zeminde rölantide çalışırken
ölçümler yapılmış ve ivme verileri toplanmıştır. Bu
ölçümlere ait ham veri grafiği Şekil 3’de gösterilmiştir.
Şekil 6. Düz Zeminde Sabit Hız Verileri
Şekil 3. Düz Zeminde Rölanti Verileri
Şekil 7. Eğik Zeminde Sabit Hız Verileri
Hareketsiz halde elde edilen bu veriler, sistemin daha
kararlı çalışması için Kalman filtresinden geçirilmiştir.
Şekil 4’de düz zeminde rölanti verilerinin Kalman
filtresinden geçirilmiş hali görülmektedir.
Kullanılan kalman filtresi:
Şekil 8. Düz Zeminde Hızlanma Verileri
Xk = Kk · Zk+(1- Kk) · Xk-1
Xk: Son değer
Kk: Kalman çarpanı
Zk: Ölçülen değer
Xk-1:Bir önceki değer
3
Başla
|Xort|+|Yort|+|Zort|
== 1 g (9,81m/s^2) ?
Xort = (X ekseni son
1 saniye ortalaması)
Şekil 9. Eğik Zeminde Hızlanma Verileri
E
Yort = (Y ekseni son 1
saniye ortalaması)
Xaçı =(1-|Xort|)/15
Yaçı=(1-|Yort|)/15
Zaçı=(|Zort|-1)/15
H
Şekil 10. Virajda Sabit Hız Verileri
Zort = (Z ekseni son 1
saniye ortalaması)
Son
Şekil 13. Aracın Yerküreye Göre Açısını Belirleyen Akış
Şeması
Şekil 11. Virajda Yavaşlama Verileri
3.2.2. İvme Yönünün Belirlenmesi
Açının belirlenmesi adımında okunan son yüz verinin
ortalama değeri, kullanılan hafızanın belirli bir yerinde
tutulmaktadır. Her eksen için ivme sensörü üzerinden
okunan yeni ivme değeri kendi ortalama değeri ile
kıyaslanır. Kıyaslama sonucunda ki mutlak fark 0,1g
değerinin üzerinde ise araçta ivmelenmenin başladığı
kabul edilir. Sensörden okunan değer ortalamadan büyük
ise hızlanma, küçük ise yavaşlama olduğunu
göstermektedir. Aynı hesap yatayda ki diğer eksen “y”
içinde uygulanır. Bu sonuç ile virajlarda oluşan hareketler
ya da yan kayma gibi hareketleri tespit edilebilir.
Bahsedilen algoritmanın akış diyagramı Şekil 14’te
verilmiştir.
Şekil 12. Düz Zeminde Ani Frenleme
3.2. VERİLERİN İŞLENMESİ
Verilerin işlenmesi için üç farklı tip algoritma
geliştirilmiştir. Bunların ilki aracın yere göre açısını
bulan algoritmadır. İkincisi ise okunan sensör değerini
değerlendirip ivme yönünü belirleyen algoritmadır. Son
algoritma ise ivmenin değişimini inceleyerek potansiyel
kaza durumunu tespit eden algoritmadır.
3.2.1. Açının Belirlenmesi
İvme sensöründen okunan veriler “ilk giren ilk çıkar”
mantığında çalışan tampon hafıza bölgesine yüklenir.
Tampon hafıza bölgesinin uzunluğu testler esnasında 100
ivme verisini saklayacak şekilde tasarlanmıştır. Tampon
hafıza bölgesine eklenen her yeni ivme verisi toplamının
ortalaması alınmaktadır. İvmesiz hareket veya hareketin
olmadığı durumlarda araca sadece yer çekimi ivmesi etki
ettiğinden, araç üzerinde ölçülen x, y, z, eksenlerindeki
ivmeler toplamı 1g (9,81 m/s2) olacaktır. Böylelikle 1g
değerinin üç eksene dağılımı hesaplanarak aracın
yeryüzüne göre yaptığı açı hesaplanabilmektedir. Eğer
ortalama ivme değer 1g’den farklı çıkıyor ise araç üzerine
yerçekiminden başka bir kuvvet etki ediyor anlamına
gelmektedir. Bu algoritmanın akış diyagramı Şekil 13’de
gösterilmiştir.
4
Başla
Başla
Şiddet += |XSonOkunanDeğer – Xort|
|XSonOkunanDeğer – Xort|
> 0.1 g
H
Son
Son
E
|Şiddet| == 0
XSonOkunanDeğer >
Xort
E
E
Hızlanma Var;
Xivme = |XSonOkunanDeğer – Xort|
H
H
H
|Şiddet| > 0,5g
Yavaşlama Var;
Xivme = |XSonOkunanDeğer – Xort|
Şekil 14. Araç ivmelenme yönünü belirleyen akış şeması
E
3.2.3. Şiddetin Hesaplanması ve Hareket Analizi
İvme yönünün hesaplanmasında kullandığımız ivme
ortalaması ile yeni verinin farkı sonucunda ki değer birim
zamanda ki ivmelenmeyi göstermektedir. İvmelenme
başladıktan sonra ivme sensörü üzerinden her yeni gelen
veri ile önce ki veri kıyaslanıp, hesaplanan değer üzerine
eklenir. Böylelikle olayın şiddeti ve hangi eksenlerde
gerçekleştiği bulunur. Şiddetin hesaplanması işlemi,
şiddet değerinin tekrardan sıfır değerine dönmesi ile
sonlandırılır. Şiddetin sıfır değerine dönmesi ivmelenme
hareketinin son bulduğunu göstermektedir. Bahsedilen
hesabın akış şeması Şekil 15’te gösterilmiştir.
H
Potansiyel Kaza
Durumu
Xivme > 0,8 g
E
!Kaza!
Şekil 15. Araç Üzerinde İvmelenme var ise şiddetini
belirleyen akış şeması
Hesaplanan şiddet değeri 1g değerini geçmesi kaza
durumu olarak kabul edilmektedir. Bu eşik değeri yapılan
farklı çalışmaların incelenmesi sonucu verilmiş bir
karardır.
“Taşıtlarda Fren Verimi ve Frenleme Mesafesi
Analizi” [5] makalesinde çizelge 1’de gösterilen
ölçümlerde en fazla elde edilen ivme değeri 1g’yi
geçmemiştir.
Yine araç üreticilerinin kendi yaptıkları frenleme
testlerinin sonuçlarına göre normal bir frenlemede aracın
ivmesi 1g değerini aşmamaktadır.
5
Bu bilgileri değerlendirerek şiddet değerinin 1g
üzerine çıkması kaza durumu olarak kabul etmemiz için
yeterlidir.
ses kanalı üzerinden uzak konumdaki sunucuya
gönderilmiştir. Bununla birlikte çarpışma şiddet bilgileri,
kaza anındaki hız bilgisi v.b parametreleri ve araç
koltuklarında oturan kişi sayısını da gerçek zamanda
sunuculara göndermek mümkün olacaktır. Araçlardan
toplanan veriler üzerinden geliştirilen hareket sezinleme
algoritmaları, tasarlanan eCall cihazı üzerine gömülüp
gerçek testler yapılmıştır. Araçlara düz zemin, eğilimli
zemin ve virajlarda ayrı ayrı ani hızlanma, ani yavaşlama,
sabit hızlı hareketler uygulanmış ve algoritma sonuçları
ile birebir örtüştüğü görülmüştür. Kaza durumu kararı
gerçek çarpışma testleri gerektirdiğinden, model araçlar
üzerinde denenmiş, çarpışma algoritmasının doğru
çalıştığı gözlemlenmiştir.
Bu cihazların araçlar üzerinde kullanıma başlanması
ile birlikte kaza verilerine ait veri tabanları oluşacak,
gerçek araç verilerinin analizi ile birlikte daha doğru
sonuçların elde edilmesi mümkün olacaktır.
Şiddet değerinin sıfır değerinden büyük ölçüldüğü
durumlarda ikinci bir eşik değeri konularak kaza öncesi,
potansiyel kaza durumu tespit edilebilir. Yani şiddet
değerinin 0,5g üzerine çıkması demek aracın frenleme
durumunda olduğunu göstermektedir, böylelikle kaza
öncesi kayıt alma işlemi ya da kaza öncesi çalışması
gereken diğer sistemleri tetikleyici bir algoritma olarak da
kullanılabilir.
4.
eCALL ENTEGRASYONU
Tasarlanan eCall cihazı blok diyagramı Şekil 16 da
verilmiştir. Cihaz sürekli GPS/GLNSS uydularından
aldığı konum bilgilerini saklamakta ve ivme sensöründen
topladığı veriler üzerinde bahsedilen algoritmaları
uygulamaktadır. İvme sensöründen alınan verilerin kaza
eşik değerini aşması durumunda sistem GSM modül
üzerinden 112 yi aramakta ve kaza konum bilgisini ses
kanalı üzerinden PSAP’ a göndermektedir.
GPS/GLNSS
Modul
6. KAYNAKLAR
1. http://www.heero-pilot.eu/view/en/ecall.html
2. http://www.heeropilot.eu/ressource/static/files/ert_heero_03.pdf
3. http://www.eena.org/ressource/static/files/2.-sanl.pdf
4. http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/data
sheet/CD00213470.pdf
5. Hüseyin BAYRAKÇEKEN* , Mesut DÜZGÜN**,
*Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim
Fakülstesi,
Makine
bölümü,
AFYON
**Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi,
Makine Eğitimi Bölümü, ANKARA
AUDIO I/O
GSM/GPRS Modul
SIM
Flash Hafıza
uC
G-Sensor
I/O
UART
CAN
Li-Ion
Batarya
Şekil 16. eCall Cihazı Blok Diyagramı
Ses kanalı üzerinden konum verilerinin gönderilmesi
esnasında veri kayıplarını önlemek için kanal ses
işaretlerine (mikrofon) kapatılmaktadır. Veri gönderme
işlemi bitiminden sonra kanal ses iletişimine
açılmaktadır.
5.
SONUÇ
eCall Sistemi 2015 yılı itibarıyla tüm AB üyesi
ülkelerde kullanımı zorunlu olacaktır. Sistemin devreye
alınması ile birlikte trafik kazaları sonucu meydana gelen
can kayıplarının azaltılacağı hedeflenmektedir. Bu
çalışma ile birlikte çarpışma bilgileri araçtan bağımsız
tespit edilebilmiş, çarpışmanın şiddeti ve konumu GSM
6
7
Download

Yarıiletken Sensörler Yardımıyla Araç Hareketlerinin