Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj testovací platformy autonomně řízeného vozidla a výzkum metod řízení I

SP2020/153

Mrověc Tomáš Ing., Ph.D.

01. 01. 2020 - 31. 12. 2020

V současném automobilovém světě s širokým horizontálním rozvojem nových oblastí rezonují zejména dva významné vertikální pilíře. Prvním je e-mobilita se všemi sub-oblastmi, nicméně zde za významné považujeme pohon/powertrain a technologie dobíjení. Automobilky se v současné době masivně připravují na výrobu automobilů s čistě elektrickým pohonem a automobilů s hybridním pohonem. Masivní nárůst této orientace v Evropě byl způsoben politickým rozhodnutím EU, kdy v mezidobí od roku 2021 do roku 2030 musí dojít k omezení emisí CO2 o 37.5 %. Dle aktuálního stavu se naproti tomu jeví, že asijské země se orientují spíše do vodíku. A tak můžeme předpokládat, že v rámci technologického mixu z pohledu pohonu, bude existovat významné procento automobilů s integrací palivových článků. Druhým pilířem jsou autonomní vozidla, resp. automobily. Zde je zcela pochopitelně rozsah souvisejících sub-oblastí velmi široký, jelikož podobně jako u e-mobility, skrze technologie a infrastrukturu pro dobíjení, jdeme za hranice samotného objektu vodidla. Např. hovoříme o konektivitě automobilů car to X, tzn. C2X (X – car, infrastruktura), rozpoznání obrazu skrze kamerové systémy či identifikaci 3D objektů skrze radarové a lidarové systémy a také aplikace umělé inteligence (AI), kde je mimo jiné nutné alokovat data z definované flotily automobilů. Zásadní je nově rámec legislativní (hledisko odpovědnostní, morální a další). Provozování autonomních automobilů má vazbu na několik odborných elementů, které ostře rezonují i v rámci tzv. Průmyslu 4.0 – prediktivní údržba, velká data, 5G sítě, zpracování obrazu, identifikace 3D objektů, kybernetická bezpečnost, strojové učení, virtuální/rozšířená realita a mnoho dalších. Současný automobilový vývoj autonomně řízených vozidel jde zejména cestou předvývoje/výzkumu a vývoje tzv. asistenčních systémů (ADAS), které jsou přirozeným řešením postupného přechodu k vyšším úrovním autonomie 0-5. SAE International definovala v r. 2014 stupně autonomně řízených vozidel: 0 – žádná automatice – pouze upozornění na překážku/problém, 1 – asistence řidiče („hand on“) -> adaptivní temponat, parkovací asistent, 2 – částečná autonomie řízení („hand off + eyes on the road“) -> TESLA od r. 2014, 3 – podmíněná automatizace („hand off + eyes off-sometimes“) -> v definovaném prostředí se řidič nemusí věnovat řízení, musí být připraven převzít řízení, 4 – vysoká automatizace („hand off + eyes off + mind off-sometimes“), s výjimkou vysoce nebezpečného prostředí (nebezpečné počasí) řídí systém autonomní jízdy a řidič nezasahuje -> skutečné „ self driving“ vozidlo - testovací vozidla GOOG, 5 – plná automatizace („řízení je volitelné“) -> systém autonomní jízdy řídí do libovolného cíle, s/bez řidiče na palubě. Předkládaný projekt se zabývá vývojem testovací platformy autonomně řízeného vozidla a výzkumem metod řízení v rámci elektronických systémů vozidel, resp. automobilů, které již jsou ve vlastnictví řešitelského pracoviště. V našem případě se jedná o testovací platformu pro výzkum a vývoj systémů a metod řízení v úrovní 2-4 autonomie provozu vozidla, resp. automobilu. Aktuálnost řešeného tématu je zřejmá, řada zcela nových koncepcí dopravních prostředků, využívající prostředky autonomní jízdy jsou již součástí běžného provozu – mnohdy aniž by to řidič registroval, jelikož asistenční systémy jsou již několik let vnímány jako prostředek zvyšující potenciál prodeje takto vybavených modelů. Přestože prakticky všechna vozidla dnes pro svůj bezpečný, komfortní a ekonomický provoz využívají až desítky elektronických (mechatronických) systémů je soustava elektronických systémů pro provoz vozidel od úrovně autonomie 2 zásadně závislá na kooperaci elektronických systémů pohonu, brzd, parkovacího pilota, adaptivního tempomatu, posilovače řízení a případně dalších asistenčních systémů, např. hlídání jízdy v pruzích. Ve vozidlech vedle nejmodernějších komfortních a bezpečnostních systémů podvozku a paluby existuje skupinová kooperace systémů, schopná „vést“ vozidlo v provozu zcela autonomně, tedy bez zásahu řidiče. Z pohledu funkční bezpečnosti, pak vozidlo s autonomním řízením vyžaduje specifická nová řešení zejména v oblasti řízení pohonu (Powertrain), v oblasti brzdových systémů a asistenčních systémů, 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 2019 a v roce 2020 se bude zabývat novým projektem, který se zaměřuje na nejaktuálnější problematiku automobilových elektronických systémů pro autonomní řízení. Předkládaný projekt se zabývá vývojem testovací platformy autonomně řízeného vozidla a výzkumem metod řízení v rámci elektronických systémů vozidla, resp. automobilu, které již jsou ve vlastnictví řešitelského pracoviště. V našem případě se jedná o testovací platformu pro výzkum a vývoj systémů a metod řízení v úrovní 2-4 autonomie provozu vozidla, resp. automobilu. Testovací platforma, která bude skrze řešení projektu vyvinuta je nezbytná pro výzkum metod řízení vozidla, resp. automobilu v příčném a podélném směru. Finálním výsledkem jsou nové funkcionality, které lze považovat za nový asistenční systém. Projekt se zaměřuje na tři paralelní, vzájemně závislé, níže uvedené směry, ze kterých vycházejí stanovené cíle. - A. Vývoj programovatelné platformy na základě Model based developmentu (MBD) pro vozidla s určitou mírou autonomie. Na základě získaných kompetencí bude možné v budoucích fázích projektu tuto platformu využít a implementovat do reálného testovacího vozidla se spalovacím nebo elektrickým motorem. Přínos této platformy bude především v možnostech výzkumu metod řízení asistenčních systémů pro autonomní vozidla. - B. Vývoj HW převodníku pro monitorování zásahů řidiče (HBM). - C. Výzkum v oblasti řízení autonomních vozidel. 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, komponentní HIL testovací systém – přesněji sestava pro validaci zkoumaných topologií a řídicích algoritmů výkonových měničů a řídicích systémů, 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 rámci řešení (viz Cíle a milníky projektu) vzniknou funkční platformy, které budou integrovány do šasi testovacích vozidel. 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. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Tomáš Harach, Ph.D.
Ing. Samuel Przeczek
Ing. Tomáš Klein, Ph.D.
Bc. Jan Klega
Ing. Kristián Zigmund
Bc. Martin Zvoník
Ing. Joy Jason Ligori
Ing. Petr Krupa

Projekt se zaměřuje na dva hlavní cíle. Prvním hlavním cílem je vývoj programovatelné platformy na základě Model based developmentu (MBD) pro vozidla s určitou mírou autonomie. Na základě získaných kompetencí bude možné v budoucích fázích projektu tuto platformu využít a implementovat do reálného testovacího vozidla se spalovacím nebo elektrickým motorem. Přínos této platformy bude především v možnostech výzkumu metod řízení asistenčních systémů pro autonomní vozidla. Druhým hlavním cílem projektu, který bude kooperovat s prvním cílem, je vývoj HW převodníku pro monitorování zásahů řidiče (HBM) a výzkum v oblasti řízení autonomních vozidel. V první fázi bude realizován HW převodník s ohledem na požadavky ADAS systémů. Následně bude implementován do testovacího vozidla, kde bude plnit úkol sběru požadovaných dat reprezentujících zásahy řidiče do ovládání vozidla. Při získávání a zpracování dat bude využíváno cloudové úložiště. Na tyto fáze bude pravděpodobně navázáno v dalším navazujícím projektu. Oba hlavní cíle budou řešeny především se zaměřením na vozidla s určitou mírou autonomie.
Dílčí cíle projektu
C1. Příprava podkladů (rešerše State-of-the-Art) pro vytvoření HW/SW konceptu vznikajícho převodníku pro monitorování zásahů řidiče (HBM).
C2. Příprava podkladů (rešerše State-of-the Art) pro vytvoření HW/SW konceptu vznikající vývojové platformy formou Model based developmentu.
C3. Tvorba simulačních modelů pro model based development v prostředí MATLAB/Simulink. Především modely senzorů a akčních členů používaných ve vozidlech s autonomním řízením.
C4. Vývoj a praktická realizace převodníku pro monitorování zásahů řidiče (HBM).
C5. Vývoj a výzkum algoritmů programovatelných řídicích jednotek s ohledem na nasazení ve vozidlech s určitou mírou autonomie.
C6. Vývoj a výzkum techniky zpracování dat získaných monitrováním zásahů řidiče (HBM).
C7. Vývoj a realizace testovací platformy pro zpracování získaných dat z HBM.
C8. Analýza a vyhodnocení dosavadních výsledků – specifikace cílů pro navazující projekt.
C9. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Časový harmonogram řešení
Doba řešení 1 rok (01/2020 – 12/2020)
Etapa 1. Koncepční řešení a tvorba simulačních modelů
Období 01/2020 - 03/2020 C1, C2, C3
Etapa 2. Realizace HW převodníku pro HBM monitoring
Období 02/2020 - 03/2020 C1, C2, C4,
Etapa 3. Vývoj algoritmů programovatelných řídicích jednotek
Období 04/2020 - 12/2020 C3, C5
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích, zpracování monitorovaných dat, implementace HW do testovacího vozidla
Období 05/2020 - 12/2020 C4, C6, C7
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 11/2020 – 01/2021 C8, C9

Očekávané přínosy
• Zkvalitnění podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů a aktivit studentů magisterského studia v oblasti automobilových elektronických systémů, automobilové diagnostiky, aplikované elektroniky a výkonové elektroniky.
• 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. (Škoda Auto, Hella apod.)
• Využití realizovaného HW a SW formou jejich integrace do struktury reálného testovacího vozidla Škoda Superb a do podobných vozidel s určitou mírou autonomního řízení.
• Publikace ve sbornících konferencí a časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.