Projekty

Výzkum a vývoj elektronických systémů vozidla s autonomním řízením

SP2017/130

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2017 - 31. 12. 2017

Celá řada významných výzkumných a vývojových pracovišť se v posledních letech zabývá technologiemi pro autonomně řízená vozidla. Konkrétně se jedná o vývoj moderních systémů pohonu, servořízení, brzd a jízdní stability, komfortu, bezpečnostní systémy a systémy energy managementu. Na straně jedné jsou zde cílovou oblastí vozidla běžného provozu a na straně druhé se jedná stroje, které jsou využívány bezpečnostními složkami států pro činnosti v nepříznivých podmínkách. Zejména v posledních letech jsou obě oblasti velmi významné. V případě druhé zmíněné oblasti je většině případů využíváno vozidel/strojů s elektrickým pohonem. Vozidla s takovým pohonem mají ve srovnání s vozidly vybavenými klasickým spalovacím motorem několik významných výhod. V Evropské unii vzniklo v uplynulých letech několik iniciativ, jejichž cílem je snížit ekologickou zátěž životního prostředí. Jednou z těchto iniciativ je i podpora využití elektrické energie pro pohonné jednotky trakčních vozidel. Na tyto výzvy nereagují jen energetické firmy, nebo výrobci automobilů. Velmi důležitou roli sehrávají také další privátní subjekty, ať již zavedené firmy nebo nově vzniklé společnosti, které investují značné finanční prostředky do rozvoje baterií, systémů elektromobilů a dalších souvisejících technologií. Řada zcela nových koncepcí dopravních prostředků, využívající zcela nebo částečně prostředky autonomní jízdy jsou již součástí běžného provozu. Jedná se zejména o osobní vozidla, kolejová vozidla, tažná vozidla v průmyslu a vyprošťovací vozidla. Prakticky všechna vozidla dnes pro svůj bezpečný, komfortní a ekonomický provoz využívají až desítky elektronických (mechatronických) systémů. Vedle nejmodernějších komfortních a bezpečnostních systémů podvozku a paluby, jsou do vozidel integrovány stále sofistikovanější základní systémy – elektronický systém pohonu, brzd, servořízení, osvětlení, centrální elektroniky (popř. gateway), správy napájecí soustavy. Některé systémy jsou pro určitá řešení palubní sítě přebírány, popř. lehce modifikovány. Přesto moderní přístupy k řešení elektronických řídicích jednotek, snímačů a akčních členů vozidel s elektrickým pohonem generují v posledních letech vlastní řešení. Využití součástkové základny např. Freescale Semiconductor, Infineon Technologies, Bosch a bezpečnostních podmínek pro návrh a realizaci těchto systémů zůstává zachováno. Z pohledu funkční bezpečnosti, pak vozidlo s elektrickým pohonem a autonomním řízením vyžaduje specifická nová řešení zejména v oblasti řízení pohonu (Powertrain), v oblasti brzdových systémů a asistenčních systémů podvozku, v oblasti palubních systémů, centrální elektroniky a řešení napájecí soustavy. Na Katedře elektroniky (FEI, VŠB-TUO) se bude odborná skupina „Výkonové polovodičové systémy, automobilová elektronika a diagnostika“ v roce 2017 zabývat vývojem a výzkumem tří důležitých uzlů vozidla s autonomním řízením. To je řídicí systém a vývoj aplikace řízení pohonu 4x4 s integrací prostředků managementu stability vozidla, řídicí systém a vývoj aplikace asistenčního brzdového systému a vývoj řídicího systému autonomního řízení včetně aplikace pro ovládání servořízení. Přičemž pro první fázi řešení prototypu bude počítáno s pevnou neměnnou trajektorií pohybu. Tato bude definována operátorem. Na Katedře elektroniky jsou momentálně stanoveny 4 základní prioritní směry VaV aktivit v generálních oblasti automotive a elektromobilita. Jedná se o následující směry. 1) Powertrain Systems - Výzkum a vývoj koncepcí a řídicích algoritmů elektrického pohonného ústrojí - Výzkum a vývoj koncepcí prvků akumulace elektrické energie - Vývoj koncepcí IWD 2) Chassis Systems - Výzkum a vývoj specifických asistenčních systémů podvozku - Elektronické systémy pro řízení a regulaci brzdného účinku 3) Body Systems - Výzkum a vývoj prostředků systémů centrální elektroniky vozidla - Výzkum a vývoj řídicích systémů osvětlovacích soustav 4) Communication Systems - Výzkum a vývoj prostředků pro přenos dat Katedra elektroniky v současné době disponuje špičkovou laboratoří pro vývoj a výzkum elektronických automobilových systémů. Mezi klíčové vybavení patří válcový zatěžovací dynamometr pro reálné jízdní simulace motocyklů, osobních a lehkých užitkových vozidel, digitální analyzátory a osciloskopy LeCroy, Keysight Technologies, Fluke (analýzy CAN bus, LIN bus, FlexRay, SPI, UART), profesionální stanice pro IR pájení (včetně technologie BGA), profesionální licencovaný software pro analýzu powermanagementu nejmodernějších vozidel, softwarové simulační prostředky, softwarové prostředky pro profesionální návrh plošných spojů, programátory ELNEC, profesionální přístroje pro paralelní a sériovou diagnostiku vozidel a mnoho dalších. Díky tomuto zázemí jsme schopni se na vysoké úrovni věnovat výzkumu a vývoji v oblasti elektronických automobilových systémů. V loňském roce obdobný řešitelský tým započal vývoj hardware a částečně software v rámci projektu "Výzkum a vývoj elektronických systémů pro vozidla s elektrickým pohonem II". Jedná se o systémy vozidla s elektrickým pohonem s názvem DemoCar. Byl dokončen návrh koncepce nové palubní sítě vozidla s elektrickým pohonem, dokončen vývoj fyzického řešení datového komunikačního prostředku s přenosovou rychlostí až 1 Mbit/s, včetně vývoje formátu datových bajtů pro jednotlivé proměnné a stavové veličiny (stanovené přesnosti a šifrování), dokončeny návrhy koncepce elektronického systémů řízení pohonu, koncepce systému centrální elektroniky, koncepce elektronického systému servořízení, koncepce elektronické systému osvětlení. Z velké části jsou dokončeny patřičné prototypy jednotlivých ECU. Dále byl částečně dokončen vývoj firmware a aplikačního software vytipovaných řídicích systémů využívající signálové mikrokontroléry Freescale (specifické MCU pro automotive aplikace). Ve fázi rozpracování je vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů vybraných systémů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice. Zde se jedná o dlouhodobou činnost, která by měla být od konce roku 2017 opřena o možnost využívání systému SCALEXIO – dSPACE. V laboratorních podmínkách tedy proběhla realizace funkčních vzorků a experimentální činnost. V roce 2017 bychom chtěli navázat na tuto činnost a soustředit se na komplexní stavbu vozidla se směřováním do prototypu autonomního dopravního prostředku. V případě financování projektu bude vyvinut: - řídicí systém a aplikace řízení pohonu 4x4 s integrací prostředků managementu stability vozidla, včetně smyček respektující autonomní řízení, - řídicí systém a aplikace asistenčního brzdového systému, včetně smyček respektující autonomní řízení, - řídicího systému autonomního řízení včetně aplikace pro ovládání servořízení. Dále bude inovován software řídicí jednotky centrální elektroniky (zásadní z pohledu funkcí autonomního řízení). Současná verze posloužila jako mezistupeň a nesplňuje nároky na ni díky nově zvolené koncepci řízení vozidla kladené. Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj vytipovaných elektronických systémů a prostředků pro vozidla s elektrickým pohonem. Klíčové vytipované oblasti jsou: řídicí systémy a algoritmy elektrického pohonného ústrojí, řídicí systémy centrální elektroniky vozidla, řídicí systémy servořízení a posilovače servořízení, řídicí systémy elektrohydraulických brzd. V rámci řešení (viz Cíle a milníky projektu) vzniknou funkční prototypy, které budou integrovány do šasi nového vozidla. Výstupy projektu tak budou reálně ověřeny.

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.
Ing. Martin Sobek, Ph.D.
Ing. Jiří Takáč
Ing. Tomáš Harach, Ph.D.
Ing. Lukáš Cáb
Ing. Samuel Przeczek
Ing. Tomáš Klein, Ph.D.
Ing. Jan Strossa, Ph.D.
Ing. Jakub Kys
Ing. Stanislav Obrusník

Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj vytipovaných elektronických systémů a prostředků pro vozidlo s autonomním řízením s elektrickým pohonem 4x4. To je řídicí systém a vývoj aplikace řízení pohonu 4x4 s integrací prostředků managementu stability vozidla, řídicí systém a vývoj aplikace asistenčního brzdového systému a vývoj řídicího systému autonomního řízení včetně aplikace pro ovládání servořízení. Přičemž pro první fázi řešení prototypu bude počítáno s pevnou neměnnou trajektorií pohybu. Tato bude definována operátorem a data ukládána v systému autonomního řízení. Tento systém bude zároveň vyvíjen jako centrum telemetrie vozidla.

Dílčí cíle projektu

C1. Návrh 4WD pro autonomně řízené vozidlo, nová modifikace elektronického systémů řízení pohonu, návrh modifikace systému centrální elektroniky (s uvažováním nových požadavků pro autonomní řízení vozidla), vývoj řídicího systému autonomního řízení včetně aplikace pro ovládání servořízení, modifikace elektrohydraulických brzd s funkcí bezpečnostní brzdy. Vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů vybraných systémů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice. Respektování kritérií funkční bezpečnosti.
C2. Vývoj elektronických obvodů všech řešených elektronických systémů. Vývoj mechanického řešení integrace elektrických strojů. Vývoj mechaniky elektronického systému servořízení. Vývoj mechaniky bezpečnostní brzdy. Respektování kritérií funkční bezpečnosti.
C3. Vývoj firmware a aplikačního software vytipovaných řídicích systémů využívající signálové mikrokontroléry Freescale (specifické MCU pro automotive aplikace).
C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Časový harmonogram řešení
Doba řešení 1 rok (01/2017 – 12/2017)

Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2017 - 03/2017 C1, C2, C3
Etapa 2. Simulace metod řízení, vývoj elektronických obvodů, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2017 - 06/2017 C1, C2, C3
Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 05/2017 - 12/2017 C4, C6
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích
Období 03/2017 - 12/2017 C4, C6
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2017 – 01/2017 C5, C6