De weg naar autonoom rijden

garonne

Autonoom rijden, of Autonomous Driving (AD), is een boeiende ontwikkeling, maar het zal niet van vandaag op morgen realiteit worden. wij ontwikkelen met eigen gemaakte modelvoertuigen technologie voor ADAS en autonoom rijden. Op ITS Bordeaux reden deze zelfrijdende modelvoertuigen op onze stand.

Artikel uit Objective 24, november 2015 - ook beschikbaar in pdf

De weg naar volledige autonomie

We zien twee wegen naar volledige autonomie: de ‘Google Route’, met als doel dat er ooit volledig autonome voertuigen op de weg zullen verschijnen. De andere, meer conservatieve weg, loopt via de uitbreiding van geavanceerde hulpsystemen voor de bestuurder, ook wel Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) genoemd. Die nemen geleidelijk aan steeds meer rijtaken over, totdat op een dag rijden een zaak van het voertuig alleen is geworden. Misschien zelfs zonder dat die laatste stap nog wordt ervaren als een grote sprong – zodat volledige autonomie eigenlijk gewoon ontstaat.

Als organisatie zijn wij al lange tijd geïnteresseerd in AD en ADAS. Zo hebben we reeds een aantal ADAS-systemen gebouwd die ook in de praktijk ingezet zijn. Maar het blijft een flinke investering om een aantal voertuigen aan te schaffen, daar de besturingssystemen in te bouwen en dan een terrein te zoeken dat groot genoeg is om ze te laten rijden.

Ons R&D-project

Bijna een jaar geleden zijn we begonnen met een informeel project met een eenvoudige doelstelling: “We willen in oktober 2015 een aantal zelfrijdende modelvoertuigen laten racen op het ITS World Congress” … niet meer dan dat. Het ITS World Congress 2015 werd gehouden in Bordeaux in Frankrijk, een stad langs de rivier de Garonne. Op die manier is het Garonne project geboren, met een eenvoudige doelstelling en een harde deadline.

De eerste zes maanden was het project expres heel los gestructureerd, met vrijwilligers die elk een aspect van het probleem uitkozen waar ze in geïnteresseerd waren en die daar in hun vrije tijd aan werkten. Een onderzoeksgeoriënteerde activiteit als Garonne vereist maximale vrijheid, waardoor we het merendeel van onze gebruikelijke ontwikkelregels aan de kant geschoven hebben. Behalve wanneer ze betrekking hadden op veiligheid. Er zijn Wiki’s en Forumsystemen gebouwd om informatie te kunnen delen, een git repository om code en documenten te delen en we hebben een ruimte ingericht als lab voor het project. Toen zijn we aan het werk gegaan; of liever: toen zijn we naar huis gegaan en vervolgens aan het werk gegaan.

Mooi teamwerk

Het resultaat was verbluffend; technici gingen met elk onderwerp aan de gang, van 3D-printen tot optische positioneringssystemen, van RF-communicatie tot planningssystemen en van embedded besturingssystemen, via simulatoren tot nieuwe broncodebesturingsmechanismen. Het grootste probleem waar we tijdens deze fase op stuitten was grip te houden op alles wat er gaande was, te begrijpen waar collega’s mee bezig waren en waar dat thuishoorde in de bredere Garonne-visie. Het was een fantastische ervaring, vrijwel elke dag werd er binnen het team nieuws gedeeld. Onze eerste 3D-geprinte tandwielen, berichten die over draadloze verbindingen verstuurd werden of motorbesturingen die de wielen voor het eerst lieten draaien; er waren constant nieuwe ontwikkelingen. Kleine successen bij de een inspireerden de ander – niemand wilde het team teleurstellen en er de oorzaak van zijn dat de demo voor Bordeaux niet af zou komen en daardoor ging het snel vooruit.

Een paar voorbeelden van wat we ontwikkeld hebben:

  • Een volledig, modulair, 3D-geprint, configureerbaar voertuigchassis: Toen we begonnen met het project hadden we nog maar beperkte ervaring met 3D-printen, maar de capaciteit om snel te experimenteren en nieuwe ontwerpen uit te proberen bleek buitengewoon nuttig. Om nog maar te zwijgen over de kostenbesparing die het oplevert als je vervangende delen gewoon kunt printen als er twee voertuigen iets te hard tegen elkaar aan gereden zijn.
  • Een ‘Fly By Wire’-vierwielaandrijving, vierwielbesturingsplatform: Elk wiel heeft zijn eigen besturingssysteem dat de snelheid, positie en uitgeoefende kracht bepaalt. De communicatie met het wiel vindt plaats via een betrouwbare CAN-bus.
  • Voertuigdynamica als software: De onafhankelijke wielaandrijvingen maakten het mogelijk om besturing, aandrijving en remwerking helemaal in de software te implementeren. Sperdifferentieel, onafhankelijke aansturing, actieve correctie en ABS waren allemaal softwaremodules in plaats van complexe mechanische constructies.
  • Infrastructuur low-levelbesturing: Softwarebesturing van het voertuig vereist een platform dat betrouwbaar in realtime kan reageren. Om aan deze eis te kunnen voldoen hebben we een platform ontwikkeld met een besturingssysteem met interfaces naar de individuele voertuigcomponenten.
  • Positionering binnenshuis: We kwamen er al gauw achter dat gps geen uitkomst zou kunnen bieden binnen de demonstratieomgeving en dus hebben we een locatie-infrastructuur ontwikkeld die gebruikmaakt van infrarode ‘lichtbakens’. Dit bood precisie tot op 20mm binnen de operationele ruimte.
  • V2V- en Vehicle-to-Infrastructure-communicatie: Voor een aantal andere projecten gebruiken we ITS-G5 voor V2V/V2I, maar dat is een beetje te veel van het goede voor modelvoertuigen. Daarom hebben we ons eigen communicatiesysteem ontwikkeld op basis van dezelfde principes waar G5 mee werkt, maar op de 868MHz ISM-band.
  • Camera’s met 3D-zicht en -scherptediepte op basis van ‘time-of-flight’-technologie: Deze veelbelovende technologie creëert puntenwolken die de afstand naar objecten binnen het zichtveld aangeven. De camera’s die wij gebruikt hebben hadden een bereik van een paar meter, maar er zijn apparaten die nog verder gaan.
  • Een realtime 3D-simulator op basis van de USARSim-motor: Hierdoor konden we vooruitgang boeken met de high-levelsoftware terwijl de low-level- en fysieke systemen nog in ontwikkeling waren.

Leermomenten

De leermomenten waren net zo belangrijk als wat we uiteindelijk geleverd hebben. Zo kwamen we erachter dat 3D-printen inderdaad bruikbaar is tijdens de prototype- en onderzoeksstadia van een project. Zeker als er mechatronische subsystemen bij worden gebruikt. De kwaliteit die je daarmee kunt behalen is perfect acceptabel voor mechanische componenten en prototypes; de deugdelijkheid en de fysieke consistentie van het materiaal waren nooit een probleem.

De ‘Fly by Wire’-wielen maakten veel plaats beschikbaar in het voertuig die gebruikt kon worden voor elektronica en bekrachtigingssystemen, terwijl de softwaredynamica grote flexibiliteit bood ten aanzien van de besturing van het voertuig. Met name de inzet van speciale low-levelbesturing was een goede keus, omdat het de low-levelbesturing van het voertuig losmaakte van de high-level-‘denkprocessen’ over de doelstellingen. Communicatie tussen de low-level- en high-levelplatformen ging via een ethernetverbinding en dat bood extra flexibiliteit om de voertuigen tijdens de ontwikkeling met WiFi te kunnen besturen.

Tot onze verbazing was het proces helemaal niet duur. Natuurlijk waren we een paar duizend euro kwijt aan 3D-printers, plastic, camera’s, onderdelen en motoren, maar het feit dat de mensen er vanuit eigen vrijwillige motivatie tevens hun vrije tijd in wilden stoppen drukte de kosten en zorgde ervoor dat er snel een symbiose zichtbaar was in het project. De deelnemers mochten spelen met interessante nieuwe technologieën zonder dat er druk op stond; het bedrijf en deelnemers kregen er plezier, persoonlijke ontwikkeling, onderzoek en training voor terug, evenals een beter begrip van technologieën die direct toepasbaar zijn in onze klantenprojecten.

Niet dat er nu veel misging. In een ‘normaal’ project wordt een flink deel van de activiteit besteed aan risicomanagement. Dus het identificeren en beperken van de risico’s die inherent zijn aan elk ontwikkelproces, van begin tot einde. Maar zodra het devies is: ‘kijken wat er gebeurt’ of ‘we proberen het gewoon’, dan wordt uitvinden gemakkelijk. Een van de dingen die duidelijk werd is dat er eigenlijk helemaal niet zoveel misging, ondanks dat er geen noodzaak voor een veiligheidsvangnet was en we met opzet risico’s namen. Natuurlijk zijn we af en toe van richting en van leerproces veranderd. Dat bracht met zich mee dat we onze aanpak moesten bijstellen. Maar er was geen enkel onderdeel van het gehele programma waar niets uitgekomen is.

Overschakelen op projectmanagement

In maart 2015 hebben we geïnventariseerd wat we hadden, om te kunnen nagaan welke onderdelen bruikbaar waren voor de algemene doelstelling van de Garonne-demo en voor onze oorspronkelijke visie. Belangrijker nog was dat we door de ad-hocstrategie die we tot dan toe hadden gebruikt in kaart moesten brengen welke lacunes er nog waren en welke puzzelstukjes nog nodig waren.

Het resultaat was helemaal niet slecht. Wat ontbrak was een sensorinfrastructuur en high-levelintegratie. Nog belangrijker: het voertuig was (nog) niet echt autonoom. Op dat moment werd Garonne een project tijdens werktijd, om van onderzoek naar toegepast onderzoek te kunnen overstappen en van het prototype een demo te maken. Echte projecten hebben echte projectmanagers nodig en daarom hebben we de gebruikelijke structuren opgezet om aan de slag te kunnen.

Je zou misschien verwachten dat de zaak daarmee klaar was. Aan het einde van september was het demonstratiesysteem klaar voor gebruik; iedereen tevreden. Maar zo eenvoudig ging het niet. De overstap naar ‘werktijdproject’ vond net aan het begin van de vakantie plaats, zodat we het zonder bepaalde resources moesten doen, met een levensgroot planningsprobleem als resultaat. Bovendien kwamen we voor uitdagingen te staan ten aanzien van de levering van hardware, sensorintegratie, de toleranties van de 3D-printtechnieken die we gebruikten en nog een paar kwesties. Pas begin september konden we de autonome aspecten zelf op touw zetten. Gelukkig werden onze normale besturingsprocessen van kracht omdat we inmiddels waren overgeschakeld op ‘Technolution-projectmodus’. Dat is het verschil tussen onderzoek en ontwikkeling. Onderzoek kan zich voegen naar de beschikbare middelen, technologie, menskracht en kennis zonder aan bruikbaarheid te verliezen, maar ontwikkeling is er om een gedefinieerd, specifiek resultaat te behalen; dan moet je het proces zo inrichten dat je dat doel haalt, rekening houdend met de beperkingen die er in de echte wereld nou eenmaal zijn. Dat is een cruciaal verschil tussen een universitaire onderzoeksgroep en een systeemintegrator die in de voorhoede werkt.

De demo

En, is het gelukt? Absoluut! De demo op het ITS World Congress was indrukwekkend. De vier voertuigen raceten niet, ze reden en werkten samen, maar los daarvan was de demo compleet en er was veel belangstelling voor. Natuurlijk waren er een paar ongelukken in september, omdat we toen pas de autonome aspecten in de voertuigen hebben kunnen integreren. Maar zelfs die crashes konden we omvormen tot verbeteringen. Zo konden we met modelvoertuigen experimenteren, brokken maken en er dan van leren. Dat gaat wat moeilijker in de ‘echte wereld’, waar elk voertuig minstens 20.000 euro kost en anderhalve ton weegt. Wij zijn meer geïnteresseerd in 5 km rijden en lering trekken uit 20 ongelukken dan uit een miljoen km rijden zonder er iets van te leren.

Hoe nu verder? Op het World Congress zijn we benaderd door een paar organisaties die interesse hebben in onze voertuigen voor hun eigen experimenten met autonoom rijden en we zijn nu aan het nadenken over hoe we daarop ingaan. Meer weten over wat we precies gedaan hebben? Download dan de paper die we voor het ITS World Congress hebben geschreven.

Contact:

Gerelateerde items

Minder vertraging bij brugopening

Lees verder

Project

Certificering en testkit voor zelfcertificering OV-chipkaart

Lees verder

Project

DVM-Exchange 2.0 - Open standaard gaat verder

Lees verder

Publicatie