Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum a vývoj elektronických systémů vozidla s autonomním řízením III

SP2019/117

Mrověc Tomáš Ing., Ph.D.

01. 01. 2019 - 31. 12. 2019

Proaktivní přístup k servisním úkonům = prediktivní údržba. Pod tímto spojením si lze představit automatizovaný sběr informací ze zařízení (senzorů), které se vyhodnocují v příslušném řídicím systému a na základě těchto informací lze predikovat – tedy předvídat možné problémy a poruchy vozidla a včas jim předcházet vhodným servisem nebo jiným postupem. V případě nástupu autonomně řízených vozidel, bude potřeba prediktivní údržby razantně narůstat. Tento proaktivní přístup si samozřejmě žádá vývoj a výzkum prediktivních metod a postupů v automobilové diagnostice. Zejména poslední několik let sledujeme v oblasti automobilového průmyslu vysoký zájem o technologie pro autonomně řízená vozidla. Toto vede k situaci, kdy celá řada nových týmů, výzkumných a vývojových pracovišť se profesionálně zabývá touto problematikou. Konkrétně se jedná o vývoj moderních systémů pohonu, servořízení, brzd a jízdní stability, komfortu, bezpečnostní systémy a systémy managementu energie, systémy pro zpracování obrazu a identifikaci 3D objektů. 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) naváže odborná skupina „Výkonové polovodičové systémy, automobilová elektronika a diagnostika“ na dosažené výsledky řešení SGS z let 2017, 2018 a v roce 2019 se bude zabývat dalším vývojem a výzkumem v oblasti vozidel s autonomním řízením. Jedná se zejména o vývoj aplikace spolupráce systému elektrického pohonu a asistenčního brzdového systému z pohledu autonomního řízení vozidla. Další oblastí vývoje a výzkumu bude platforma pro aplikaci prediktivní údržby vozidel. Tato platforma bude nejdříve vyvinuta pro vozidla se spalovacím motorem a následně připravena pro implementaci do vozidel s elektrickým pohonem. Obě vyvíjené aplikace budou během vývoje a výzkumu podpořeny testováním metodou Hardware-In-the Loop. 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 předešlých letech obdobný řešitelský tým započal vývoj hardware a software. Jedná se o systémy vozidla s elektrickým pohonem s názvem DemoCar. Byl rozsáhle rozpracován vývoj a výzkum tří důležitých uzlů vozidla s autonomním řízením. Jednalo se zejména o vývoj řídicí jednotky a základní aplikace řízení pohonu 4x4 s integrací prostředků managementu stability vozidla, pak zejména vývoj řídicí jednotky a vývoj základní aplikace asistenčního brzdového systému a vývoj řídicího systému autonomního řízení. Z velké části jsou dokončeny a realizovány patřičné prototypy jednotlivých ECU. Dále byl finálně dokončen vývoj firmware a aplikačního software vytipovaných řídicích systémů využívající signálové mikrokontroléry Freescale (specifické MCU pro automotive aplikace). Ve fázi rozpracování je stále vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů vybraných systémů pomocí programů Matlab/Simulink. Tyto budou finalizovány a modifikovány pro využití v rámci Hardware-In-the-Loop testování. Kvůli HIL testování bude také nutné mnohé části simulačních modelů modifikovat pro FPGA aplikace. Což je velmi náročné a většinou obnáší kompletní přestavění bloků modelu. Nově vzniknou simulační modely pro platformu prediktivní údržby. V roce 2019 bychom chtěli navázat na tuto činnost a soustředit se na koordinaci vybraných elektronických systémů vozidla Democar. Novým přístupem bude vývoj v oblasti prediktivní údržby vozidel . V případě financování projektu bude vyvinuto: • Platforma zajišťující koordinaci a spolupráci elektrického pohonu 4x4 a asistenčního brzdového systému z pohedu autonomního řízení vozidla – především inovace stávajícího řešení a zavedení nových přístupů v řídicích algoritmech. • Platforma pro prediktivní údržbu pohonu vozidel – první implementace proběhne na vozidle se spalovacím motorem, které je dostupné v laboratoři katedry. Po ověření správné funkcionality a řešení bude připravena implementace i do vozidla s elektrickým pohonem. • Platforma pro testování metodou Hardware-In-the-Loop – vyvinutá platforma bude sloužit v rámci projektu k ověřování vyvíjených algoritmů a metod řízení a prediktivní údržby. Zároveň bude využito simulačních modelů, které na katedře vznikají v rámci dlouhodobého plánu a spolupráce s průmyslovými partnery. Dále bude opět inovován software řídicí jednotky centrální elektroniky (zásadní z pohledu funkcí autonomního řízení). Současná verze opět posloužila jako mezistupeň a nesplňuje nároky na ni kladené (díky postupně vyvíjené nové koncepci řízení vozidla). Hlavními cíli projektu je vývoj a navazující výzkum vytipovaných elektronických systémů a prostředků pro vozidla s elektrickým pohonem a zavedení platformy pro aplikaci prediktivní údržby. Klíčové vytipované oblasti jsou: řídicí systémy a algoritmy elektrického pohonného ústrojí, řídicí systémy centrální elektroniky vozidla, řídicí systémy elektrohydraulických brzd, senzorické systémy pohonu v návaznosti na prediktivní údržbu. V rámci řešení (viz Cíle a milníky projektu) vzniknou funkční platformy, které budou integrovány do šasi daného vozidla. Výstupy projektu tak budou reálně ověřeny a otestovány jak na vozidle, tak metodou HIL.

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Tomáš Harach, Ph.D.
Ing. Samuel Przeczek
Ing. Martin Kořený
Ing. Tomáš Klein, Ph.D.
Ing. Jan Strossa, Ph.D.
Bc. Jan Klega
Bc. Patrik Červený
Ing. Kristián Zigmund
Shanmugasundram Kumar

Cíle a milníky projektu:
Projekt se zaměřuje na dva hlavní cíle. Prvním hlavním cílem je vývoj a výzkum v oblasti spolupráce systému elektrického pohonu a asistenčního brzdového systému pro vozidla s autonomoním řízením. Spolupráci zajišťuje nadřazený řídicí systém, který zprostředkovává vzájemnou vazbu těchto systémů. Tento cíl navazuje na předchozí výzkum na vozidle Democar a dále jej rozvíjí ve svéře koordinace jednotlivých systémů. Druhým hlavním cílem projektu je vývoj a výzkum platformy pro aplikaci prediktivní údržby. V první fázi bude platforma vyvinuta pro vozidla se spalovacími motory. Po rozpracování této platformy bude ve druhé fázi modifikována pro vozidla s elektrickým pohonem. Tato druhá fáze bude pravděpodobně rozvíjena v dalším navazujícím projektu. Oba hlavní cíle budou řešeny především se zaměřením na vozidla s autonomním řízením.

Dílčí cíle projektu:
C1. Tvorba simulačních modelů elektrických pohonů v prostředí MATLAB/Simulink. Výběr elektrických pohonů s ohledem na využití v autonomních elektrických vozidlech.
C2. Tvorba simulačních modelů pro platformu prediktivní údržby v prostředí MATLAB/Simulink. Především modely senzorů a akčních členů používaných ve vozidlech s autonomním řízením.
C3. Vývoj a praktická realizace platformy pro aplikaci prediktivní údržby.
C4. Vývoj a výzkum algoritmů a techniky koordinace elektrického pohonu s brzdovým systémem.
C5. Vývoj a výzkum techniky prediktivní údržby.
C6. Vývoj a realizace testovací platformy pro testování metodou Hardware-In-the-Loop.
C7. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C8. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Časový harmonogram řešení:
Doba řešení 1 rok (01/2019 – 12/2019)
Etapa 1. Koncepční řešení a tvorba simulačních modelů
Období 01/2019 - 03/2019 C1, C2
Etapa 2. Simulace metod prediktivní údržby, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2019 - 06/2019 C1, C2, C4, C5
Etapa 3. Realizace platformy prediktivní údržby a HIL testování
Období 04/2019 - 12/2019 C3, C6
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích, implementace řídicích algoritmů
Období 05/2019 - 12/2019 C4, C5, C7
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 11/2019 – 01/2019 C7, C8

Očekávané přínosy:
• Zkvalitnění podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů a aktivit studentů magisterského studia v oblasti aplikované elektroniky, výkonové elektroniky, automobilové elektroniky a automobilové diagnostiky.
• Příprava pracoviště doktorandů pro zapojení do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou.
• Využití výsledků ve firmách a společnostech pro zvýšení užitných vlastností a konkurenceschopnosti nových výrobků.
• Využití realizovaných platforem formou jejich integrace do struktury prototypu demonstračního vozidla s elektrickým pohonem a vozidel s autonomním řízením.
• Publikace ve sbornících konferencí a časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.