Создание коммерческого городского транспорта с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot

Соглашение № 075-10-2018-017 от 26.11.2018 г.

на период 2017 – 2020 гг. с Министерством образования и науки Российской Федерации в целях реализации Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы"

Руководитель проекта:

доцент Университета Иннополис - Климчик А.С.

Индустриальный партнер:

ПАО «КАМАЗ»

Финансирование:

Сумма субсидии: 140,2 млн. рублей

Внебюджетные средства: 58,9 млн. рублей

Собственные средства получателя субсидии: 4,5 млн. рублей

Цели проекта:

  • Разработка научно-технических решений в области компонентов транспортных средств с автоматизированным управлением движением, направленных на создание навигационных и интеллектуальных систем регулирования движением автоматизированных транспортных средств и их элементов.
  • Исследование, разработка и экспериментальная апробация коммерческого электрического городского транспорта (опытных образцов автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9») с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot с целью соответствия 3-му уровню по классификации ADAS (Advanced Driver Assistance Systems).

Согласно план-графику исполнения обязательств, запланировано 4 этапа научно-исследовательской работы:

1 этап. Выбор направления исследований.

2 этап. Прикладные научные исследования поставленных перед ПНИЭР задач.

3 этап. Экспериментальные разработки и исследования образца.

4 этап. Подведение итогов реализации проекта.

Результаты НИР, полученные на 1 этапе:

Работы по данному ПНИЭР направлены на создание коммерческого городского транспорта с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot. Для этого на первом этапе ПНИЭР были проведены теоретического исследования по уточнению состава и наименования составных элементов экспериментальных образцов электрических автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9», а также теоретические исследования в части конструктивных решений для уточнения требований к составным элементам опытных образцов автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». В данных разделах приведена классификация транспортных средств, рассмотрен состав и элементы различных гибридных автомобилей, рассмотрены их преимущества и недостатки. Помимо этого, в них содержатся сведения о стадиях развития электрических автомобилей, являющихся одним из объектов разработки, рассмотрены основные факторы их развития, требования, предъявляемые к ним, и стоящие задачи. Также приведена методика выбора конструктивных параметров электрического автомобиля, сведения о моделировании процессов разряда тяговых батарей. Это позволило определить составить структурную схему автомобилей проекта «КОМПАС» и описать их основные системы и компоненты.

Проведены исследования по подбору комплектующих для создания стенда и виртуального полигона, а также вспомогательного оборудования для обеспечения разработки и проведения опытных исследований. В ней показаны основные компоненты предполагаемого стенда, описан принцип его работы и рассмотрены потенциальные возможности. Реализация стенда и виртуального полигона является вычислительно ресурсоёмкой задачей, для решения которой подобраны наиболее подходящие компоненты.

Проведён кинематический и конечно-элементный анализ исходной конструкции автомобиля в сборе, результат которой позволяет оценить характеристики автомобиля, выбранного в качестве базового. Также разработаны программы и методики испытаний материалов несущей системы автомобиля проведены их испытания. Проведённые работы позволили разработать технические предложения на шасси автомобилей, а также разработать эскизную документацию для их создания.

Виртуальный полигон создаётся на базе трёх программных продуктов – Apollo, Unity и ROS с открытым исходным кодом. Также приведено описание существующих симуляторов.

Разработана математическая модель управления движением роботизированного городского автомобиля, для чего предварительно составлена динамика продольного и поперечного движения, рассмотрены основные системы управления. Приведены примеры построения систем управления для различных задач, выполняемых беспилотным автомобилем, а также приведён листинг разработанной системы управления и показана её эффективность.

Разработаны программы и методики испытаний материалов несущей системы автомобиля, с помощью которой проводились испытания материалов несущей системы автомобиля.

Проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме обеспечения безопасности дорожного движения автомобильных транспортных средств с использованием автоматизированных процессов управления ТС. Рассмотрены основные компоненты систем транспортных средств с автоматизированными процессами управления, рассмотрены связанные и автоматизированные транспортные средства, средства их автоматизации и коммуницирования, а также управления силовым агрегатом. Также описаны элементы взаимодействующей с транспортными средствами инфраструктуры и вопросы, связанные с другими участниками движения. Рассмотрены вопросы, связанные с удалённым планированием и маршрутизацией, рассмотрены различные сценарии движения. Проведённый обзор включает почти 300 литературных источников.

Определены и обоснованы направления дальнейших исследований и разработок, выполняемых по ПНИЭР. Они сосредоточены прежде всего в создании надёжных систем локализации, маршрутизации и планирования, а также в создании устойчивой системы управления беспилотным автомобилем. Сложность их создания заключается в необходимости учёта большого количества факторов, включая погодные условия, условия освещённости, динамики и положения других участников движения, а также в их недетерминированности. Для определения и обоснования дальнейших исследований и разработок приведён обзор современного опыта по реализации различных программ, нацеленных на развитие беспилотного транспорта, проводимых в различных странах мира. Отметим, что все дальнейшие исследования и разработки должны сопровождаться большим количество экспериментальных тестов и проверок.

Проведены обширные патентные исследования по тематике проекта, позволяющие оценить новизну принимаемых решений и их эффективность.

Проведены мероприятия, на которых были представлены результаты, достигнутые в рамках выполнения первого этапа настоящего ПНИЭР.

Данный проект выполнялся в тесном сотрудничестве с ПАО «Камаз», с которым была разработана и согласована комплектность технической документации (ТД), разрабатываемой в рамках Договора № 01-2018 о софинансировании и дальнейшем использовании результатов исследований (проекта) от 16 мая 2018 г. Техническая документация содержит в себе технические предложения на шасси и  программно-аппаратный комплекс, программу и методики испытаний материалов несущей системы, программу и методики экспериментальных исследований опытных образцов автомобилей, программу и методику дорожных испытаний опытного образца автомобиля, программу и методику экспериментальных исследований ПАК автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». Техническая документация также содержит эскизные проекты на разрабатываемые в данном проекте технические решения, а также документацию на разрабатываемое программное обеспечение.

Так же представлены результаты проведения теоретических исследований целевых функциональных характеристик программных и аппаратных подсистем, предназначенных для применения в системе помощи водителю City Pilot. Рассмотрены подсистемы контроля и планирования движения автомобиля в реальном времени, подсистема удалённого планирования и маршрутизации, подсистема бортового контроля и планирования в режиме реального времени. Также рассмотрена подсистема управления движения, подсистема принятия решений. Также рассмотрены основные проблемы и возможности для автоматизированных и связанных транспортных средств при реализации данных подсистем.

Для разработки математической модели для сбора и обработки информации, проведена разработка общей архитектуры системы сбора и обработки информации, рассмотрен применяемый фильтр Калмана, а также процедура слияния данных. Также показана реализация визуальной детекции объектов, обработки облака точек, а также рассмотрены два варианта реализации систем сбора и обработки информации.

Результаты НИР, полученные на 2 этапе:

— Разработано программное обеспечение (ПО) систем автоматизированного управления движением транспортных средств (ТС) с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot, включающее:

  • общий алгоритм работы функции предупреждения о столкновении при движении вперед; 
  • общий алгоритм работы функции Active Cruise Control Stop and Go (ACC S&G); 
  • общий алгоритм работы компонента интеллектуального ограничения скорости; 
  • общий алгоритм работы функции предупреждения о выходе из полосы движения; 
  • общий алгоритм работы функции распознавания дорожных знаков;
  • общий алгоритм работы системы мониторинга «слепых зон».
— Разработана математическая модель несущей системы автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». 

— Разработана математическая модель силового каркаса автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». 

— Разработан стенд для проведения экспериментальных исследований программно-аппаратного комплекса (ПАК) автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». 

— Разработаны программные модули системы управления автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». 

— Разработана архитектура ПАК автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9».

— Разработано ПО системы управления верхнего уровня ПАК автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». 

— Изготовлены экспериментальные образцы автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9».

Научная новизна решений и применявшихся методик выражается в создании комплексной MPPI модели системы управления движением городской роботизированной системы, учитывающей как нелинейное взаимодействие узлов и систем самого транспортного средства, так и влияние окружающей среды, и позволяющей оценивать динамические тягово-скоростные параметры автомобиля во временной и частотной областях при различных его сценариях движения. Научная новизна также состоит в методе идентификации структуры и параметров моделей транспортных средств, базирующемся на Марковских цепях, что позволяет унифицировать предлагаемые нами решения.

В работе создано программное обеспечение, обеспечивающее автономную навигацию транспортных средств при различных условиях эксплуатации. Данное программное обеспечение соответствует требованиям модульности и масштабируемости. Оно содержит в себе такие алгоритмы, как алгоритм предупреждения о столкновении при движении вперед, алгоритм работы функции адаптивного круиз-контроля, алгоритм работы компонента интеллектуального ограничения скорости, алгоритм работы функции предупреждения о выходе из полосы движения, алгоритм работы функции распознавания дорожных знаков, алгоритм работы системы мониторинга «слепых зон». Данное программное обеспечение является основой созданного в проекте ПАК и интеллектуальной системы помощи «City Pilot» и позволяет выполнять задачи в режиме реального времени.

Созданный стенд для экспериментального исследования характеристик ПАК также обладает рядом достоинств. Одной из наиболее отличительных черт является возможность оценки задержек в системе, возникающих при функционировании беспилотного автомобиля в целом при выполнении различных сценариев движения. Созданная в проекте математическая модель силового каркаса автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» обеспечивает с высокой точностью проведение оптимизации конструктивных и эксплуатационных характеристик как всего автомобиля, так и его отдельных частей. К научной новизне полученных результатов также относится то, что для детектирования и сегментации объектов, а также оценки положения автомобиля в полосе применены сверточные нейронные сети, позволившие повысить производительность и эффективность системы в целом.

Работы второго этапа были нацелены в том числе на решение данной задачи – навигация в недетерминированных условиях. Для этого: разработана система управления автомобилей проекта «КОМПАС» на основе методологии оптимального управления, базирующаяся на модели предсказания и интеграла траекторий (Model Predictive Path Integral, MPPI), позволяющая объединить в одном алгоритме планирование траектории, формирование команд управления на руль/газ/тормоз и построение оперативной карты окружающей среды на основе технологии «карты стоимости» (costmap); разработанная система управления позволяет значительно повысить эффективность навигации беспилотных автомобилей, сняв ограничения сценарного подхода к управлению беспилотными транспортными средствами, а также методов, не учитывающих как динамику самого беспилотного транспортного средства, так и динамику окружающих его объектов; разработаны методы детекции объектов, точность, быстрота и устойчивость работы которых находится на уровне не ниже мирового.

Разработанные методы детекции позволяют определить не только положение объектов, но и классифицировать; - разработан метод сегментации дорожного полотна, включающий различные классы дорожного полотна: линии границ, дорожная разметка, пешеходные переходы. Предложенный метод сегментации позволяет эффективно определять проезжую часть дороги даже в зимних условиях, что зачастую превосходит мировые аналоги; - разработанный метод сегментации позволяет также реализовать систему удержания в полосе и определение положения беспилотного автомобиля в полосе с высокой точностью при любых погодных условиях и времени суток. Данный аспект позволяет сделать вывод о том, что данный результат соответствует мировому уровню; - разработанный симулятор в составе стенда для экспериментальных исследований ПАК также не уступает мировому уровню, т.к. позволяет обеспечить его полные как виртуальные, так и натурные испытания. Стенд позволяет как принимать сигналы напрямую с сенсоров, так и имитировать их для отработки различных сценариев движения автомобилей проекта «КОМПАС» и его взаимодействия с элементами дорожной и городской инфраструктуры.

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки:

  • Программа для ЭВМ «Программный комплекс для испытаний грузовых автомобилей в виртуальной среде», свидетельство о государственной регистрации № 2018666741/заявка № 2018664215/69, дата выдачи документа 20.12.18 /дата подачи заявки 10.12.18, Россия;

  • Программа для ЭВМ «Программный комплекс для моделирования автономных подвижных объектов», свидетельство о государственной регистрации № 2019661071/заявка № 2019619661, дата выдачи документа 19.08.19 /дата подачи заявки 01.08.19, Россия;

  • Программа для ЭВМ «Программный комплекс для идентификации структуры и параметров линейных моделей динамических систем», свидетельство о государственной регистрации № 2019664436 /заявка № 2019663347, дата выдачи документа 06.11.19 /дата подачи заявки 25.10.19, Россия.


В центре внимания

Сайт находится в технической разработке