Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj testovací platformy autonomně řízeného vozidla a výzkum metod řízení III

SP2022/9

Mrověc Tomáš Ing., Ph.D.

01. 01. 2022 - 31. 12. 2022

Na Katedře elektroniky (FEI, VŠB-TUO) naváže odborná skupina „Výkonové polovodičové systémy, automobilová elektronika a diagnostika“ na dosažené výsledky řešení SGS z předchozích let 2020 a 2021, a v roce 2022 se bude zabývat rozvojem řešené problematiky směrem k řídicím algoritmům asistenčních systémů a s tím souvisejícím výzkumem v oblasti nových metod řízení pro automobily s určitou úrovní autonomie. Tato již v pořadí třetí fáze projektu bude mít za cíl především revizi výstupů z předchozích let a finalizaci testovací platformy včetně jízdních testů na konkrétním laboratorním vozidle katedry. Aktuálnost řešeného tématu je zřejmá. Řada zcela nových koncepcí dopravních prostředků, využívající prvky 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. V současném automobilovém světě, kde dochází k dynamickému rozvoji nových oblastí, rezonují zejména dva významné vertikální pilíře. Prvním je e-mobilita se všemi sub-oblastmi, kde za významnou považujeme elektrický a hybridní pohon a související systémy, včetně technologií pro 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 je a bude 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 vozidla. Např. hovoříme o konektivitě automobilů C2C, C2X (X – car, infrastruktura), rozpoznání obrazu a identifikace 3D objektů skrze kamerové, 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, komunikace (využívání standardu G5 802.11p, LTE a 5G sítí), zpracování obrazu a 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. 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, servořízení s posilovačem, senzorických systémů a případně dalších asistenčních systémů, např. hlídání jízdy v pruzích, adaptivního tempomatu, parkovacího asistenta a dalších. Ve vozidlech vedle nejmodernějších komfortních a bezpečnostních systémů podvozku existuje skupinová kooperace systémů, schopná „vést“ vozidlo v provozu zcela autonomně v podélném a příčném směru, tedy bez zásahu řidiče. Z pohledu funkční bezpečnosti, pak vozidlo s autonomním řízením vyžaduje specifická nová řešení zejména v oblasti řízení pohonu, v oblasti brzdových systémů, systému elektrického řízení s posilovačem, asistenčních systémů, v oblasti palubních systémů, centrální elektroniky a řešení napájecí soustavy. Tento předkládaný projekt navazuje na vývoj testovací platformy autonomně řízeného vozidla a výzkumem metod řízení v rámci elektronických systémů vozidla, resp. vozidel, které již jsou ve vlastnictví řešitelského pracoviště a byly připraveny v rámci projektů předcházejících. Projekt se ve všech minulých i budoucích fázích zaměřuje na tři paralelní, vzájemně závislé, níže uvedené směry, ze kterých vycházejí stanovené cíle. - A. Vývoj programovatelné platformy na základě metodik a prostředků tzv. Model Based Designu (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 vozidla s výše zmíněnou mírou autonomie provozu. - 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. Součástí další pokračovací fáze tohoto projektu se jedná především o výzkum a vývoj aplikačních software včetně specifických algoritmů pro připravené testovací platformy v úrovní 2-4 autonomie provozu vozidla, resp. Automobilu. Tyto testovací platformy, byly vyvinuty a implementovány během řešení předchozích projektů a jsou nezbytným prvkem pro výzkum metod řízení vozidla, resp. automobilu v příčném a podélném směru. Finálním výsledkem jsou nové funkcionality (SW a HW řešení), které lze považovat za prvky nového asistenčního systému. V rámci řešení (viz Cíle a milníky projektu) vzniknou funkční algoritmy, které budou implementovány do testovacích platforem. Výstupy projektu tak budou reálně ověřeny a otestovány přímo na vozidle formou jízdní zkoušky. Vzhledem k tomu, že v předchozích projektech byly rozvinuty především cíle A a B, bude v další fázi věnováno úsilí především rozpracování cíle C a finalizováni celé platformy. Především u cíle C vidíme velký potenciál ve výzkumných možnostech a následné publikaci výsledků projektu.

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.
Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Tomáš Harach, Ph.D.
Ing. Tomáš Klein, Ph.D.
Bc. Martin Zvoník
Ing. Joy Jason Ligori
Ing. Petr Krupa
Ing. Miroslav Wondra
Bc. Radek Filek

Projekt se zaměřuje na tři hlavní cíle. Prvním hlavním cílem je vývoj programovatelné platformy na základě Model based designu (MBD) pro vozidla s určitou mírou autonomie. Na základě získaných kompetencí proběhla příprava platformy a její implementace do laboratorního vozidla. Nyní je možné v další fázi projektu tuto platformu využít a implementovat do ní vyvíjené řídicí algoritmy. S využitím této platformy je možné započít výzkum metod řízení asistenčních systémů pro autonomní vozidla. Dalším hlavním cílem projektu, který kooperuje s prvním cílem, je vývoj HW převodníku pro monitorování zásahů řidiče (HBM) a výzkum v oblasti řízení autonomních vozidel. V první fázi byl realizován HW převodník s ohledem na požadavky ADAS systémů. Následně byl implementován do testovacího vozidla, kde bude plnit úkol sběru požadovaných dat reprezentujících zásahy řidiče do ovládání vozidla. Třetí fáze, která bude započata v této fázi se pak bude zaměřovat na využití připravených platforem na výzkum metod řízení s využitím sofistikovaných přístupů a analýzy chování stávajících systémů vybraného vozidla. Všechny hlavní cíle budou řešeny především se zaměřením na vozidla s určitou mírou autonomie.
Dílčí cíle projektu:
C1. Revize stávajících navržených řešení (výstupy projektů č. I a II) pro nové metody řízení vozidel s určitou mírou autonomie.
C2. Rozpracování a rozšíření stávajících simulačních modelů pro model based development v prostředí MATLAB/Simulink. Především modelů s možností predikce pohybu automobilu.
C3. Vývoj a výzkum algoritmů nových metod řízení s ohledem na nasazení ve vozidlech s určitou mírou autonomie.
C4. Implementace do konkrétního laboratorního vozidla za účelem oživení a ověření správnosti návrhu.
C5. Testovací jízdy se záznamem jízdních dat vozidla.
C6. Vyhodnocení zaznamenaných dat z testovací platformy za účelem opravy chyb a určení spolehlivosti implementace.
C7. Analýza a vyhodnocení finálních výsledků – evaluace nových metod řízení s popisem využití ve vozidle s určitou mírou autonomie. Stanovení možností pro další rozšíření.
C8. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.
Časový harmonogram řešení:
Doba řešení 1 rok (01/2022 – 12/2022)
Etapa 1. Revize navržených řešení z předchozích projektů.
Období 01/2022 - 02/2022 C1, C2
Etapa 2. Vývoj algoritmů nových metod řízení.
Období 02/2022 - 06/2022 C2, C3
Etapa 3. Implementace algoritmů a jejich ověření.
Období 05/2022 - 08/2022 C4, C5, C6,
Etapa 4. Zpracování monitorovaných dat, ladění algoritmů řízení.
Období 06/2022 - 11/2022 C5, C6, C7
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 11/2022 – 01/2023 C7, C8
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 Autotechnik NOVA, Valeo apod.)
• Využití realizovaného HW a SW formou jejich integrace do struktury reálného testovacího vozidla Škoda Superb, Enyaq a do podobných vozidel s určitou mírou autonomního řízení.
• Publikace ve sbornících konferencí a odborných časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.