; T:ï L
ffi f,
^
Experimentele tests met modelracewagenties op een baan op schaal 1:43.
AUTONOME RACEWAGEN
Racen zonder handen Kan je snel én veilig racen zonder mens aan het stuur? Robin Verschueren (KU
Leuven) ontwikkelde specifieke algoritmes die alvast goed werken op een miniracebaan. aarlijks sterven 1,2 miljoen mensen in een verkeersongeluk, zo biijkt uit een studie van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO). Die ongevallen zijn voornamelijk te wUten aan menselijke fouten of nalatig heid, en staan in de top tien van doodsoorzaken wereldwijd. Recente ontwikkelingen in de auto-industrie kunnen helpen om de dodentol naar beneden te halen. De laatste jaren zijnverschillende autonome of semiautonome systemen in personenwagens geïntroduceerd die de verkeersveiligheid gevoelig verhogen. Denk aan automatische de-
omgebouwde hybridewagens actief deel te nemen aan het verkeer in Silicon Valley, zonder ongelukken te veroorzaken. Ook België en Nederland werken aan wetsvoorstellen om de autonome auto op onze wegen toe te laten.
Om de veiligheid te verzekeren, beperkt de auto van Google zich tot een snelheid van veertig kilometer per uur; andere ontwerpen rijden sne11er, maar beperken zich tot iange, rechte wegen. Om te kunnen tippen aan menselijke
tectie van verkeersborden of adaptieve cruisecontrol, maar
racepiloten vormt het ontlverp van autonone racewagens daarom een bijzonder grote uitdaging. De auto moet niet alleen veilig rijden en dus binnen de racebaan blijven,
ook minder zichtbare toepassingen zoals pre-crashsyste-
maar ook snel.
men, die handelen vlak voor er een ongeluk staat te gebeuren.
Omdat zulke automatische systemen steeds betrouwbaarder worden, lijkt de volgende logische stap de overschakeling op volledig autonome auto's. In de Amerikaanse staten Californië, Florida en Nevada zijn ze al bij wet toegestaan. Technoiogiereus Google staat erom bekend met zijn
5Fil g6.
Racen in het klein Een racewagen ontwerpen die net deze optimale afive-
ging maakt tussen veiligheid en snelheid. Dat was de focus van mijn onderzoek, dat ik uitvoerde in samenwerking met Siemens PLM Software in Leuven. De experimentele tests gebeurden met modelracewagens op
Dossier
Mobiliteit Als je die stappen in een lus zet en die lus snel genoeg herhaalt (bv. vijftig keer per seconde), zal de auto vlot rijden. Als je de procedure implementeert op de computer, krijg je autonoom rijgedrag. Maar om de tijd op een bepaald traject te minimaliseren, moeten we de procedure vertalen in wiskunde. Zo rijdt de auto niet alleen veilig, maar ook zo snel mogelijk over de baan. In bovenstaande formulering worden de controle-acties geoptimaliseerd over een horizon vanafde plaats van het voertuig tot een punt verder op het traject (bv. 1 meter
:-.<.,
verder). Het wiskundig model voorspelt hoe de auto reageert in de toekomst. Als we de voorspelde tijd bekr.yken die de auto nodig heeft om de horizon van 1 meter af te leggen, volstaat het om die voorspelde tijd op het eind van de horizon te minimaliseren. Zo bekomen we een snel traject, waarbij we nog steeds aan de beperkingen van het
I
racecircuit voldoen: het autootje rijdt met een gemiddelde snelheid van zeven kilometer per uur (snel voor zo'n klein autootje!) over een bochtige baan met onder andere een Ubocht, een chicane en een lange rechte passage. Om echt optimaai gedrag te bekomen, moet je uiteraard niet één meter horizon nemen, maar de iengte van de volledige racebaan - in ons geval acht meter. Dat is momenteel echter niet haalbaar, omwille van de berekeningstijd van de optimalisatie. Die neemt gemiddeld 6 milliseconden in beslag, wat ruim de helft is van de tijd voor alle be-
een baan op schaal 1:43. De autootjes worden automatisch bestuurd met de bijgeleverde afstandsbediening, die aangepast werd zodat een computer ze kan besturen. Boven de racebaan hangt een kleurencamera, waarmee we de positie en de oriëntatie van de auto konden bepaien. Vrjftig keer per seconde maakt de camera een beeld
van de racebaan, zodal de snelheid van de wagen berekend wordt door opeenvolgende beelden met elkaar te vergelijken. Voorts is er een wiskundig model van de modelwagen voorhanden.
Zokrljgt
de centrale computer alle
rekeningen die moeten gebeuren voor de nieuwe meting binnenkomt (elke 10 milliseconden). Maar uit simulatieresultaten blUkt dat een horizon van één meter een goed compromis vormt. Een compromis tussen een horizon die niet te groot is om het probleem in 10 milliseconden te kunnen oplossen, en een horizon die lang genoeg is om een goede benadering te vormen voor het moeilijkere probleem langs het gehele traject.
Lewis Hamilton tegen GP30
nodige informatie om de auto goed te besturen.
Van een miniatuurracebaan naareen echt F1-circuit is uiter-
Hoe bereik je nu het gewenste rijgedrag met een zelfrijdende racewagen? De centrale component van elk autonoom systeem is de regelaar. Die zorgt ervoor dat de doelen die de ontwerper oplegt, gehaald worden, en houdt
aard een grote stap. Het grootste verschil tussen een opstelling op schaai en een levensgrote racewagen is de positiebe-
daarbij rekening met de opgelegde beperkingen. Een
to's een ingewikkelder wiskundig model nodig om met alle
concreet voorbeeld: een regelaar in een zelfrijdende auto
kenmerken rekening te houden (vering, slippen, banden ...).
bepaalt hoeveel het gaspedaal ingedrukt moet worden en hoe scherp er ingestuurd moet worden om de volgende haarspeldbocht mooi aan te snijden. In dit geval noemen we het gaspedaal en het stuurwiel de controleacties. De
Zullen we over vijfjaar een robotwagen aan de top van het klassement in de Formule 1 zien staan? Waarschijnlljk niet: snel rijden in een'steriele' onderzoeksomgeving is eenvoudiger dan goed presteren in weer en wind, tegen andere auto's. En de gebruilite systemen en software moeten de
beperkingen leggen bijvoorbeeld op dat de wagen te allen tijde binnen de racebaan moet blijven. Wat een regelaar in autonome auto's moet doen, komt op het volgende neer:
1.
de huidige toestand van de auto (positie, snelheid,
2.
oriëntatie) meten; de controle-acties (gas, sturen) optimalisere, rekening houdend met de beperkingen en het toekomstige gedrag van de auto;
de geoptimaliseerde controle-acties toegepassen op het systeem.
paling: gps is te onnauwkeurig, en sensoren aan boord van de auto vergen een andere aanpak. Ook is ervoor grotere au-
goedkeuring krijgen van verschillende instanties, zeker als het op veiligheid aankomt. Meer net zoals Formuie 1 voor technologische vooruitgang zorg! in het ontwerp van klassieke auto's, kunnen ontwikkelingen voor autonome racewagens een grote impact hebben op de revolutie van de autonome personenwagens.
I
Robín Verschueren is in juli afgestuileeril als ingenieur aan ile KU Leuven. I"let ziin onilerzoek won hij ile Eospijs 2074, onilerileel van ile Vlaamse Sciptieprijs. I,Iomenteel promoveert hij aan ile Universiteit van Leipzig.
BEKUK
)
DE VIDEO
Eos
EE