Робот автомобиль – «В чем разница коробок робот и автомат?» – Яндекс.Знатоки

Робот с одним сцеплением

Примеры использования: Smart fortwo, Лада Веста, Лада Иксрей.

Редакционная Веста с автомеханической трансмиссией (АМТ).

Редакционная Веста с автомеханической трансмиссией (АМТ).

Примитивный «недоавтомат» имеет сторонников: многие уверяют, что ездить с такой коробкой удобно и комфортно. При этом надежность несложного агрегата считается более высокой, чем у гидромеханики и уж подавно вариатора. В основе такого робота лежит обычная механика, однако ресурс сцепления у него повыше — по заводским данным, процентов эдак на 40.

В основе вазовской АМТ обычная механическая коробка передач ВАЗ‑2180 с тросовым механизмом переключения. В основе вазовской АМТ обычная механическая коробка передач ВАЗ‑2180 с тросовым механизмом переклю

www.zr.ru

Робот в автомобиле

Сегодня все больше транспортных средств оснащаются роботизированными коробками переключения передач, которые на сленге автомобилистов именуются просто «роботами».

Это понятие говорит о том, что формирование импульсов для системы управления трансмиссией осуществляется согласно особенностям движения автомобиля и отдаваемым водителем командам, которые после их обработки согласно алгоритмическому порядку, управляют работой коробки. Главной особенностью «робота» является его универсальность, экономичность и удобство в управлении, которые обусловлены единым сочетанием в одном корпусе коробки — «автомата» и традиционной «механики». Помимо этого, роботизированная трансмиссия стоит несколько дешевле автоматической, что позволяет ее устанавливать не только на премиальные автомобили, но и на модели бюджетного класса.

Коробка-«робот» работает в двух режимах:

— полуавтоматическом;

— автоматическом.

Кстати, стоит отметить, что существенных отличий в работе роботизированной и автоматической КПП практически нет. Как только скорость движения достигнет определенной отметки, система электронного управления трансмиссией считывает показания датчиков, на основании которых выбирает необходимый режим работы коробки. Также любой автомобильный «робот» обладает функцией типтроник, которая позволяет управлять коробкой и переключать передачи в ручном режиме. Однако это управление несколько отличается от управления механической КПП тем, что при включении передач рычаг роботизированной коробки не перемещается в определенную позицию, а лишь повышает либо понижает передаточное число. Очень часто коробку-«робот» называют последовательной КПП из-за особенностей ее работы. Также существуют коробки, имеющие специальные лепестки, расположенные в пространстве под рулевым колесом, которые предназначены для управления процессом переключения передач. Такое расположение селекторных лепестков коробки очень удобно, поскольку в момент переключения передач водителю не нужно отвлекаться от управления автомобилем.

Как устроен «робот»?

Устройство такого типа трансмиссии в зависимости от производителя может иметь некоторые различия, но, несмотря на это, в основе функционирования этих коробок заложен единый принцип: механическая трансмиссия, в конструкцию которой входит управленческий модуль, который переключает передачи и корректирует работу сцепления. 

Easytronic и особенности его конструкции

Во всех роботизированных КП используется сцепление фрикционного типа с одним либо несколькими дисками. Однако большинство «роботов» имеют двойное сцепление, благодаря которому передача крутящего усилия с коленвала силового агрегата осуществляется с постоянной мощностью.

Поскольку основным агрегатом коробки-«робота» является механическая система передачи усилия, при производстве такой трансмиссии, зачастую берется уже готовый агрегат с соответствующими характеристиками. Например, основой производимого Мерседесом «робота» Speedshift является доработанный «автомат» 7G-Tronic с фрикционной системой сцепления, которая пришла на смену гидротрансформатору. Роботизированная баварская трансмиссия SMG создана на базе МКПП с электрогидравлической системой управления сцеплением.

Как работает роботизированная трансмиссия?

Среди особенностей роботизированных коробок стоит отметить их виды передачи сцепления, которые могут иметь как электропривод, так и гидравлику. В качестве исполнительных элементов электроприводного «робота» выступают обыкновенные электродвигатели, а в гидравлическом приводе – гидроцилиндры с электромагнитной системой управления клапанами.

Также существует ряд роботизированных КПП с электроприводом, управляющим гидромеханическим блоком, который в свою очередь приводит в действие систему сцепления.

Электроприводные «роботы» являются в основном прерогативой недорогих и бюджетных моделей транспортных средств, поскольку этот тип привода не может обеспечить максимальное быстродействие при переключении передач.

Гидравлический тип привода в конструкции коробки передач работает только при постоянном наличии высокого давления в системе, что в свою очередь сопровождается повышенным энергопотреблением. Все же такая трансмиссия отличается высоким быстродействием и довольно часто, «робот» с гидроприводом устанавливается на спорткары. Система управления этого типа роботизированной трансмиссии состоит из главного модуля, измерительных датчиков и блока исполнения команд. Все основные параметры работы коробки передач постоянно собираются измерительными датчиками, после чего соответствующий сигнал поступает в управляющий модуль, который, согласно алгоритму действий, передает сигналы исполнительным устройствам трансмиссии. Заметим, что в гидроприводной трансмиссии в конструкцию управляющего модуля дополнительно входит блок, который поддерживает необходимое для правильного функционирования гидроцилиндров давление и корректирует их работу. Исполнительными устройствами для электроприводного «робота» являются электромоторы, а для трансмиссии с гидроприводом – система электромагнитных клапанов.

Особенности работы роботизированной трансмиссии с системой двойного сцепления

Такие коробки передач в последние годы широко распространены в автомобильной технике. Все дело в том, что коробка-«робот» стандартной конструкции имеет один существенный недостаток: длительное время на обработку команд, в связи с чем увеличивается промежуток между переключением передач. Это служит причиной некоторого нарушения динамики движения автомобиля, и делает менее комфортной езду на нем, что в принципе, служит реальной причиной отказа от приобретения транспортного средства с простой конструкцией роботизированной трансмиссии. Роботизированный тип коробки с двойным сцеплением полностью лишен этого недостатка, то есть переключение передач в нем осуществляется без потери либо снижения мощностного потока. Благодаря системе с двойным сцеплением включение выбранной передачи возможно еще на этапе работы предыдущей, таким образом, трансмиссия работает в постоянном и беспрерывном режиме. Кстати, роботизированная коробка с системой двойного сцепления еще называется преселективной КПП. Типичными представителями преселективных КПП являются системы DSG, PowerShift, S-Tronic и другие…

Еще одним плюсом «робота» с двойным сцеплением являются малые габариты агрегата, что позволяет оборудовать подобным видом трансмиссии малогабаритные, малолитражные модели автомобилей.

Чем отличается роботизированная коробка передач от автоматической?

На первый взгляд непосвященный автомобилист видимых различий и не заметит, ведь оба типа автомобилей не имеют педалей сцепления, к тому же селекторы трансмиссий практически ничем не отличаются друг от друга. Однако оба вида коробок передач имеют множество существенных различий. Можно даже сказать, что роботизированная коробка больше напоминает классическую «механику». Коробка-«автомат» отличается от роботизированной и механической коробок наличием гидротрансформатора и сложной конструкции редуктора. Эти составные элементы обеспечивают плавный режим выбора и переключения передач. В автоматической коробке передач роль сцепления играет гидротрансформатор. Кстати, он также входит в конструкцию роботизированной трансмиссии. Следовательно, «робот» является неким аналогом «механики» с той лишь разницей, что процесс переключения передач осуществляется в автоматическом режиме при помощи гидравлической системы, которой управляет специальный электронный модуль.

Преимущества и недостатки данных коробок

Что касается преимуществ, то по сравнению с МКПП переключение передач происходит автоматически, а значит – удобнее. По сравнению с АКПП преимуществом можно назвать топливную экономичность и меньшую массу коробки. Также автомобиль с коробкой-роботом, будет иметь меньшую стоимость по сравнению с точно таким же авто, но укомплектованным АКПП.

Из недостатков стоит выделить толчки и некоторые рывки во время переключения с одной передачи на другую. Также можно заметить некоторые паузы между передачами. На уклоне, такая машина может немного откатиться в начале движения. Поэтому стоит быть внимательным, начиная движение в гору (например, вы стоите на регулируемом ж/д переезде с уклоном).

Появление роботов с двойным сцеплением устранило практически все указанные выше недостатки (кроме отката назад), но применение такого сцепление сильно удорожило коробку, да и само сцепление – расходный материал, который недешев и нуждается в периодической замене.

Это видео расскажет о том, как работает роботизированная кпп (робот):

 

autoportal.pro

Машина с коробкой передач робот: что нужно знать

В последнее время автоматическая коробка передач активно вытесняет простую и надежную «механику» даже в развивающихся странах СНГ. При этом растущий спрос на такую трансмиссию, а также ужесточение экологических и целого ряда других стандартов, подтолкнули мировых автопроизводителей  к разработке и выпуску нескольких типов «автоматов».

В результате, кроме привычных гидромеханических АКПП и вариаторов CVT сравнительно недавно появилась коробка-робот. Более того, автомобили с роботизированной коробкой передач сегодня составляют серьезную конкуренцию «классическим» АКПП и вариаторам CVT.

Далее мы рассмотрим, что такое роботизированная коробка передач, как осуществляется управление коробкой роботом-автоматом на автомобиле, а также какие плюсы и минусы имеет машина с коробкой передач робот и на что обратить внимание при выборе авто с КПП данного типа. 

Читайте в этой статье

Машина на «роботе»: особенности, плюсы и минусы

Роботизированная коробка передач или сокращенно РКПП стала массовой сравнительно недавно. При этом попытки по созданию такой коробки предпринимались практически сразу после создания и внедрения в устройство авто первых МКПП. К сожалению, в то время уровень технологий не позволял успешно реализовать такую задачу по причине целого ряда технических сложностей.

Еще появление КПП робот отсрочил и тот факт, что немногим позже после создания МКПП была выпущена «классическая» АКПП. Это заставило потенциальных производителей «автоматов» полностью переключиться на агрегаты данного типа. Далее на машинах стали появляться вариаторы CVT, являясь конкурентом традиционным АКПП. При этом вопрос создания роботизированной коробки долгое время оставался на заднем плане.

Однако с учетом жестких экологических норм и стандартов, а также в целях удешевления производства, уменьшения расхода топлива и увеличения КПД агрегатов, инженеры и конструкторы снова вернулись к вопросу создания роботизированной КПП.  В результате такая коробка была сконструирована и почти сразу попала на конвейер многих автопроизводителей по всему миру.

• Итак, роботизированная коробка передач или коробка-робот фактически является механической КПП, однако функции выключения сцепления и переключения передач были полностью автоматизированы. Другими словами, это все та же дешевая и простая «механика», но управляет трансмиссией не сам водитель, а специальные сервомеханизмы (актуаторы) под контролем ЭБУ коробкой передач (электронный блок с прописанными в память алгоритмами управления).

Получается, конструкторам удалось успешно и эффективно автоматизировать «механику», получив также ряд преимуществ «классического» автомата. Если просто, коробка РКПП стала более дешевой и простой в производстве и обслуживании, а также экономичной, так как нет потерь в гидротрансформаторе. При этом сохранилось удобство автомата, то есть водителю не нужно самостоятельно переключать передачи при езде (управление коробкой роботом автоматом на автомобиле не отличается от АКПП).

В результате на рынок вышло много моделей, оснащенных так называемым автоматом-роботом типа АМТ. Данная трансмиссия стала устанавливаться на авто разных марок в качестве дешевой альтернативы «классическим» АКПП и вариаторам, причем как в бюджетном сегменте, так и на машинах среднего и даже высокого класса. 

• Коробки-робот могут оснащаться электрическим или гидравлическим приводом сцепления и передач. В электрическом приводе активно использованы упомянутые выше сервомеханизмы, то есть электродвигатель и механическая передача.

Гидравлический привод работает за счет гидроцилиндров под управлением электромагнитных клапанов (электрогидравлический привод). Также допускается комбинирование решений, когда гидромеханический блок с электродвигателем отвечают за перемещение главного цилиндра привода сцепления.

Электрический привод медленный и дешевый, гидравлический привод сложнее и дороже, однако работает намного быстрее. По этой причине «роботы» с электроприводом ставятся на бюджетных авто, тогда как гидропривод ориентирован на более дорогие модели.

Если отбросить премиум-сегмент с гидроприводом, который использован даже на cуперкарах (например, Lamborghini) на деле массовой стала роботизированная коробка передач с электроприводом.

При этом данная КПП, которая должна была сочетать в себе экономичность, надежность и простоту механики, а также комфорт автоматической коробки передач по доступной цене, не в полной мере соответствует ожиданиям. Причем это в ряде случаев в большей или меньшей степени касается и более дорогих версий с гидроприводом сцепления.

Рекомендуем также прочитать статью о том, чем отличается коробка AT от АМТ. Из этой статьи вы узнаете об отличиях, а также плюсах и минусах указанных типов автоматических трансмиссий. 

С одной стороны, машина с таким роботом стоит заметно дешевле аналогов с АКПП, также отмечена лучшая топливная экономичность и динамика разгона. С другой, неизбежны явные рывки при переключениях, задумчивость коробки и большие паузы при смене передачи «вверх» или «вниз», а также низкий ресурс сервомеханизмов.

На деле получилось, что КПП хоть и имеет очевидные плюсы, однако не дает того комфорта, который присущ классическим автоматам и, тем более, вариаторам. Более того, сцепление изнашивается к 60-70 тыс. км, также актуаторы могут выйти из строя уже к 80-120 тыс. км., после чего данные механизмы, которые отличаются высокой стоимостью и низкой ремонтопригодностью, нужно менять.

Такая трансмиссия по своему устройству является сложной, себестоимость производства не намного ниже «классических» автоматов. Если просто, в едином корпусе условно объединены сразу две механические коробки передач. Одна имеет четный ряд передач, тогда как другая нечетный. Пока включена, например, нечетная передача, четная уже также выбрана и подготовлена к включению.

Как только блок управления посылает сигнал, сцепление нечетной передачи отсоединяется, после чего моментально подключается сцепление четной передачи и крутящий момент снова передается на колеса. Сами сцепления находятся в масляной ванне, благодаря чему такие коробки называют «мокрыми». Переключения происходят очень быстро и мягко, водитель не ощущает толчков, рывков, провалов или задержек, поток мощности практически не разрывается.

Данный тип «роботов» позволяет получить необходимый комфорт «автомата» одновременно с экономичностью механики и высокими динамическими показателями механических трансмиссий. Однако без недостатков также не обошлось.

Прежде всего, конструкция преселективных коробок сложная, что закономерно усложняет ремонт и обслуживание, а также заметно снижает общую надежность агрегата и его ресурс. Также в погоне за экономичностью и повышением КПД инженеры немного позже отказались от использования «мокрого» сцепления, заменив его «сухим» пакетом.

• Так вот, большинство нареканий связано именно с роботизированными КПП с «сухим» сцеплением (например, DSG-7). Дело в том, что сцепление быстро выходит из строя, особенно в условиях активной эксплуатации и нагрузок. Также немало проблем доставляет и блок управления (в случае с DSG это «Мехатроник»). Данное решение напоминает по своему назначению гидроблок АКПП.

Напоследок отметим, что все роботизированные коробки имеют режим, похожий на Типтроник АКПП. При этом, даже с учетом того, что робот похож на механику конструктивно, данный режим все равно остается полуавтоматическим.

Это значит, что использовать РКПП полноценно (по аналогии с МКПП) в ручном режиме не получится. Переключения производятся только последовательно, а также электроника не позволит включить передачу, если она не соответствует определенному для нее диапазону скоростей и оборотов. 

Так или иначе, но после выхода на рынок и активного продвижения революционных преселективных роботизированных коробок с двойным сцеплением (DSG, Powershift от Ford, DCT M Drivelogic BMW, Speedshift DCT Mercedes-Benz, Twin Clutch SST Mitsubishi и т.д.), на самом деле полного вытеснения традиционного автомата не произошло.

Другими словами, спрос на новые машины с «классическими» АКПП, особенно в среднем сегменте, не упал. Также не сдал своих позиций и вариатор CVT. Более того, чтобы успешно конкурировать с преселективными роботами и дальше, некоторые крупные компании по производству АКПП выпустили новейшие 8-и ступенчатые коробки-автомат, снизили потери за счет принудительной блокировки гидротрансформатора и т.д.

Например, АКПП ZF или восьмиступенчатая коробка AISIN не сильно уступают роботам в плане экономичности, однако на практике надежнее и конкурентов. Также отмечено дальнейшее развитие вариаторов (CVT X-Tronic) в целях повышения их выносливости и надежности.

 Что в итоге

С учетом приведенной выше информации становится понятно, что при всех преимуществах коробки-робот также имеются и определенные недостатки. Прежде всего, нужно учитывать, что в плане ресурса данные трансмиссии менее надежны, чем большинство «классических» автоматов.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как определить, автомат или DSG. Из этой статьи вы узнаете о доступных способах определения типа АКПП, автомат или робот ДСГ, визуально и по другим признакам. Особенно это нужно учитывать при выборе машины б/у с автоматической коробкой передач, так как более привлекательная цена такого авто может в скором времени обернуться полным разочарованием и серьезными вложениями в ремонт коробки-робот. Чтобы этого не произошло, нужно заранее знать, какой тип АКПП стоит на машине, а также уметь отличить робот от автомата визуально, автомат от вариатора и т.д.

Если говорить о новых авто с роботизированной коробкой, такой вариант можно рассматривать к покупке в том случае, если средние годовые пробеги небольшие (около 20-30 тыс. км), а также владелец в состоянии сменить машину сразу после окончания гарантии или немногим позже. В противном случае нужно готовиться к плановым заменам отдельных узлов (как минимум, сцепления) и/или дорогостоящему ремонту (замена актуаторов, мехатроника и т.д.) уже к 100-150 тыс. км.

  

Читайте также

krutimotor.ru

Сегодняшние роботы всё лучше и лучше справляются с управлением нашими автомобилями

Как известно, слово «робот» произошло от чешского robota, означающего «подневольный труд». Подневольно или нет, но сегодняшние роботы всё лучше и лучше справляются с управлением нашими автомобилями

В том, что рано или поздно роботы окажутся за рулём автомобиля, никто не сомневается последние лет пятьдесят. Шаг за шагом машины отбирают у нас возможность прямого воздействия на них. Одними из первых сдали позиции тормоза — между ногой водителя и колодками появилась система ABS (Mercedes-Benz 1978 г.), последним обособилось рулевое управление (начало 2000-х гг.), в котором передаточное отношение автоматически меняется в зависимости от скорости. Между этими событиями были ещё массово пришедшие на рынок автоматические коробки, электронная педаль газа и триумфальная победа искусственного интеллекта над естественным в системах помощи при парковке, самостоятельно вращающих руль. Точнее — электроусилителях рулевого управления, способных не только делать руль лёгким, но и поворачивать его по сигналам электроники. Кстати, эти же усилители успешно доворачивают передние колёса и в случае выхода за пределы полосы на шоссе. Казалось бы, ещё немного — и полностью автоматический автомобиль будет готов…

 

 

Концептуальный Mercedes-Benz умеет рисовать лазерным
лучом наглядные подсказки для водителей и пешеходов

 

Но идиллическая картина самостоятельно вращающегося руля и водителя, сидящего спиной к приборной панели с чашкой кофе в руках, оказалась не столь легко воплощаемой на практике. И дело не в том, что трудно роботизировать сам автомобиль (это было возможно и два, и три десятилетия назад), самое сложное — научить машину видеть обстановку вокруг и анализировать её. Иными словами, наполнить искусственный интеллект максимальным количеством дорожных ситуаций и алгоритмами их решения. Этот трудный рубеж был взят буквально несколько лет назад, когда на внутризаводских полигонах появились первые интеллектуальные машины. Подход к робокарам настолько серьёзен, что компания Google, например, даже зарегистрировала для машин-роботов отдельный бренд Waymo. На полигоне Google, как и на других таких же закрытых площадках, искусственный интеллект машины учат решать самые разные дорожные проблемы — от проезда обычного светофора до нерегулируемых железнодорожных переездов и сложных развязок.

 

 

Управлять умным автомобилем компании
Bosch можно при помощи жестов

 

И, как всегда, пока одни решают проблему глобально, другие претворяют в жизнь какую-нибудь её часть. Например, компания Bosch недавно показала возможности автоматизированного управления на примере Tesla Model S. Кстати, именно Bosch стал первым производителем, испытавшим машины-роботы на дорогах общего пользования. В начале 2011 года инженеры компании опробовали систему на автотрассах Германии и США, а затем в 2016 году — на междугородной автомагистрали в Канагаве (Япония). Объединив свои усилия, Bosch и Daimler совместно работают над системой управления беспилотным автомобилем-такси, который уже в ближайшем десятилетии должен появиться на городских улицах. А учитывая, что Bosch является одним из ведущих мировых поставщиков автозапчастей и автокомпонентов, уже в скором времени стоит ожидать появления целой гаммы систем и опций, которые в серийных автомобилях возьмут на себя часть работы водителя. Так же как несколько лет назад, Bosch наводнил автомобильный рынок системами стабилизации, автопарковщиками, а чуть позже и гибридными приставками к обыкновенному мотору.

 

 

Город ближайшего будущего, с точки зрения
немецких инженеров, будет наполнен только автомобилями-роботами

 

Беспилотные такси, созданные совместно Bosch и Dailmer,
будут автоматически приезжать по вызову, но с пассажирами,
первое время, двигаться под управлением оператора

 

---

 

Глобалисты идей роботизации видят в ближайшем будущем полчища лишённых индивидуальных черт автомобилей, приезжающих по заказу клиента, примерно так же, как это сегодня делает такси. В рамках мегаполиса с большой плотностью населения это сулит значительное сокращение автопарка, поскольку машины больше не будут простаивать на парковках в перерывах между поездками, а словно челноки начнут носиться между вызовами. Второй немаловажный плюс — чёткое взаимодействие между такими робомобилями, позволяющее исключить аварийные ситуации. Правда, пока непонятно, каким образом эти говорящие на своём языке машины будут общаться с водителями обычных машин, но эта проблема может быть решена при помощи постепенной роботизации устройствами, которые устанавливают уже сейчас. Это продвинутые системы активного круиз-контроля, камеры распознавания знаков и пешеходов, автоматические парковщики, системы слежения за усталостью водителя. Связав их воедино, мы получим если не полный автомат, то полуавтомат точно. Понятно, что, создавая сложную компьютерную систему, грех не включить в неё интерфейс общения с теперь уже не водителем, а пользователем. Машина, по мнению инженеров Bosch, должна стать персональным помощником, создав новое жизненное пространство — дом, работа, транспорт в одном объёме (а также связь автомобиля с автосервисом, а его клиента – с городской инфраструктурой). И это не фантазии, до реального осуществления подобных планов — буквально один шаг.

 

 

 

Внедорожный монстр из Оксфорда способен сам решать,
стоять ли ему в пробках или ринуться в объезд по просёлку

 

 

Стайка автономных микромобилей Google накопила самый большой опыт
самостоятельного передвижения. Пока — по полигону

 

Но всё это касается мира асфальтовых джунглей, а что происходит в стороне от дорог? Оказывается, и там есть некоторый прогресс. Британские учёные из Оксфордского университета создали прототип, который уже называют «противоядием от пробок», построенный на базе дизельного внедорожника Bowler Wildcat. Робот способен мониторить окружающую ситуацию при помощи камер и лазерных сенсоров подобно тому, как это делает обычный дрон. Прототип робомобиля стоимостью в два миллиона фунтов стерлингов способен перемещаться как по обычному асфальту, так и по пересечённой местности без участия человека-водителя. Оценкой внешних условий занимаются два лазерных дальномера, цифровые видеокамеры и вращающиеся 3D-сканеры, установленные на его крыше. А обработка информации и планирование маршрута — дело мощного компьютера, который размещён в багажнике. По словам разработчиков, их робот-автомобиль уже сейчас вполне может справиться с задачей по безопасной перевозке пассажиров и грузов.

А что же представляет собой интеллектуальная надстройка над всеми этими камерами, радарами и электромоторами вращения руля у среднестатистического автомобильного робота? На сегодняшний день вырисовывается более-менее чёткая картина необходимого минимума, мозговую деятельность которого и тренируют представители разных фирм. В большинстве случаев используются алгоритмы на основе байесовского метода одновременной локализации и построения карт (SLAM). Суть в одновременном построении карт местности и нанесении на них точного положения автомобиля, его перемещений, отслеживании неподвижных и движущихся объектов вокруг. Больше всех по этой части продвинулся всё тот же Google. Некоторые системы опираются и на локальные инфраструктурные метки и устройства, но грядущий стандарт, а он неизбежен, будет отталкиваться только от автономных устройств.

 

---

 

ТЕХНИЧЕСКИ НАБОР НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ РОБОТА ОБОРУДОВАНИЯ ВЫГЛЯДИТ ТАК:

LIDAR — лазерный дальномер оптического распознавания. Представляет собой активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие «лидары» в системах машинного зрения формируют двухмерную или трёхмерную картину окружающего пространства. Это оборудование роботизированного автомобиля, вместе с оптическими стереокамерами по сути и являющееся аналогом человеческих глаз. Система даёт периферийную информацию, которую использует главный компьютер для принятия решений по движению автомобиля.

Система глобального позиционирования (типа GPS или «ГЛОНАСС»). Самая знакомая нам часть водителя-робота, позволяющая с высокой точностью определить местоположение автомобиля. Однако GPS не способна различать мелкие движения машины, их направление и учитывать, какой стороной вперёд движется машина.

Гиростабилизатор  — устройство, регистрирующее малейшие перемещения кузова по всем трём осям. Именно в нём формируются сигналы о точном направлении перемещения. Также гироскопы выдают информацию о кренах машины, её ускорениях и прочей динамике перемещений.

Программное обеспечение беспилотного автомобиля. Оно включает информацию от машинного зрения и нейросети.

Из этого списка нам не слишком знаком только первый его пункт — «глаза» робота. Именно по ним, торчащим на крыше камерам, мы сегодня легко отличаем робомобиль от обычной техники. Но, поверьте, пройдёт совсем немного времени и камеры спрячутся точно так же, как сто лет назад исчезли выступающие фары или топливные баки.

 

 

ИНТЕРЕСНА КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ, РАЗРАБОТАННАЯ СООБЩЕСТВОМ АВТОМОБИЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРОВ (SAE). ОНА СОДЕРЖИТ ШЕСТЬ УРОВНЕЙ:

Нулевой уровень предусматривает отсутствие автоматического контроля над машиной, но может присутствовать система уведомлений. Это даже не сегодняшний, а вчерашний день. Теперешний массовый автомобиль соответствует следующему уровню под номером один.

На этом первом уровне водитель должен быть готов в любой момент взять управление на себя и присутствуют круиз-контроль (Adaptive Cruise Control), автоматическая парковочная система и система предупреждения о выходе за пределы полосы (Lane Keeping Assistance). Если вам это знакомо, значит, робот уже вселился в ваше авто.

Второй уровень позволяет машине рулить самостоятельно. Он предусматривает немедленную реакцию водителя, если система не смогла справиться сама. Автомат также управляет ускорением и торможением и, конечно, может быть отключён. Это чуть-чуть впереди сегодняшнего массового производства. Буквально завтрашний день.

Третий уровень заметно серьёзнее. На нём водитель может вообще не контролировать машину на дорогах с «предсказуемым движением» (например, на автобане), но пока ещё должен быть готов в случае чего взять управление на себя. То есть почти робот.

Наконец, так называемый «полный робот» — система, аналогичная предыдущей, но совсем не требующая внимания водителя. Серийное появление таких машин ведущие разработчики планируют на 2028 год.

Последний уровень решает уже не столько индивидуальные, сколько глобальные транспортные проблемы. Со стороны человека не требуется никаких действий, кроме запуска системы и указания пункта назначения. Робот способен сам проложить маршрут и проехать по нему. Собственно, машина-автопилот способна везде и всегда перемещаться самостоятельно.

 

---

 

Хотя, конечно, с точки зрения сегодняшнего дня идиллическая картина нашествия пилотируемых машин вызывает немало вопросов. И самый эмоциональный из них — невозможность самостоятельного вождения автомобиля. Представьте, чтобы просто порулить вам придётся по выходным ездить на специальные трассы типа сегодняшних гоночных треков, контактные автопарки, стоящие вдалеке от обычных рободорог. Кроме того, вечная тема любой электроники — надёжность программного обеспечения. Нетрудно вообразить, что произойдёт при малейшем сбое системы GPS или вирусной атаке на робокаров. Негативный эффект усилит и полное отсутствие опыта вождения у водителей в любой, а особенно критической ситуации. Есть и социальные аспекты — сокращение рабочих мест водителей, потеря приватности любой поездки, равно как и ограничение на передвижение вне трасс, прописанных в мозгах роботов. Но даже разобравшись со всем этим, любая компания, выводящая на рынок автороботов, столкнётся с главной проблемой, решать которую, вероятно, придётся сообща. Она заключается в юридическом оформлении присутствия искусственного интеллекта на дороге. Проще говоря, кто будет нести ответственность за нанесение ущерба? Одно из решений — строить для роботов выделенные трассы, но как это сделать одномоментно? Где взять столько роботов и дорог? А если всё-таки роботов пустить на наши обычные дороги, то как будет взаимодействовать машина-робот с обыкновенным автомобилем с юридической точки зрения? Как в конце концов будут работать страховые компании этого недалёкого, непривычного, но всё же интересного, несмотря на отсутствие руля и педалей, будущего? 

 

 

При разработке автоматических автомобилей, инженерам придётся создать
целый мир роботов, а вместе с ним новые стандарты связи,
общения и безопасности

 

4×4.media

плюсы и минусы покупки автомобиля с роботом

Несколько лет назад большинство автопроизводителей начали массовый выпуск моделей, оснащённых коробкой-роботом.

Вслед за вариаторами, которые массово начали устанавливаться на легковые автомобили лет 20 назад, коробка-робот произвела большой переполох на автомобильном рынке.

Из этой статьи вы узнаете:

По задумке разработчиков, в роботе должны были совместиться «несовместимые вещи» — удобство езды как на «автомате» и расход топлива как на «механике».

Насколько такая коробка оправдала ожидания разработчиков и как много приносит проблем своим владельцам машина с роботом – более-менее объективно можно судить сейчас, когда накопился определённый опыт эксплуатации.

Устройство и принцип работы

Принцип работы коробки-робота достаточно прост – разработчики взяли за основу обычную механическую коробку и оснастили её специальными механизмами, самостоятельно переключающими передачи и включающими/выключающими сцепление.

Для того, чтобы весь этот роботизированный механизм переключения передач работал слаженно, его работой заведует специальный блок управления, собирающий информацию о движении машины и, в зависимости от условий, выбирающий какую передачу нужно включить в данный момент времени.

Преимущества роботизированной КПП

К однозначным плюсам коробки-робота можно отнести экономию топлива. В сравнении с классическим автоматом, потребление топлива машины с роботом сравнимо с потреблением топлива машины на механике — на литр-два меньше.

Так же к неоспоримым плюсам некоторых (!) роботов можно отнести их «эксплуатационные особенности МКПП».

Существуют две принципиально различные конструкции робота – в первой переключениями управляют специальные приводы (роботы Toyota и Opel), во второй переключение передач выполнено «по принципу автомата» — с помощью давления масла (Fiat, Audi, BMW, VW, Peugeot/Citroen).

В первой конструкции масло не является рабочим телом, его количество сравнимо с количеством масла в МКПП. Такая роботизированная КПП (так же как и «механика»), менее чувствительна к качеству трансмиссионной жидкости.

Это значит, что в Российских сложных условиях эксплуатации (с большими перепадами температур) сроки замены масла в роботе могут быть заметно больше, чем в АКПП, а количество заменяемого масла – меньше. Этот факт сильно экономит средства владельца.

Вторая конструкция робота такими свойствами не обладает, масло в ней требуется менять так же как и в автомате (хотя бы раз в год).

Многие эксперты так же относят к плюсам срок службы сцепления на роботе – как правило он больше, чем не обычной механике. Однако, подобный плюс на многих моделях автомобилей с роботом быстро сводится на нет сложностью и высокой стоимостью замены этого самого сцепления.

Недостатки роботизированной КПП

Что касается минусов коробки-робота, то одним из самых серьёзных минусов является её ломучесть, которая наблюдается практически у всех производителей.

Компания Toyota, которая всегда славилась высокой надёжностью своих автомобилей, даже прекратила выпуск модели Corolla с роботом, из-за постоянных претензий владельцев. Ненадёжный робот заменил проверенный и надёжный автомат от модели предыдущего поколения.

Ломучесть роботов объясняется довольно просто.

В основе робота лежит МКПП, высокая надёжность которой ни у кого не вызывает сомнений. Однако, чтобы превратить МКПП в робот – её конструкция серьёзно дорабатывалась с помощью специальных механизмов, переключающих передачи и выжимающих сцепление.

Вот именно поломками или некорректной работой этих самых механизмов и объясняется ломучесть всего робота в целом.

Как и любой сложный агрегат, роботизированная КПП должна пройти определённую «обкатку» в реальных условиях эксплуатации, прежде чем стать по-настоящему надёжной и удобной в повседневной эксплуатации.

Классическому автомату для того, чтобы пройти такой же путь, потребовалось более 50-ти лет (первые АКПП на серийных машинах появились ещё до войны). Зато сейчас некоторые модели АКПП имеют очень солидный запас прочности и не тревожат своих владельцев годами.

Так же к минусам робота на многих моделях автомобилей относят его «задумчивость» — переключение передач происходит с задержками, что некоторых водителей может сильно раздражать.

Кроме «задумчивости» многие роботы могут ощутимо «пинаться» при переключениях, что так же может сильно раздражать при движении в городских условиях.

Покупать или нет?

На сегодняшний день автомобиль с коробкой-роботом представляет из себя в некоторой степени «кота в мешке». Кроме возможных неудобств при езде, ни один производитель не может дать более-менее серьёзных гарантий от поломок такой коробки.

До тех пор, пока машина находится на гарантии – поломки робота являются головной болью дилера. Как только гарантия заканчивается – поломки робота становятся головной болью владельца.

Если очень хочется пользоваться всеми благами прогресса и ездить с определённой экономией топлива – покупать автомобиль с роботом можно, но с оговоркой – машина должна быть новой.

Так же после покупки стоит иметь ввиду, что кроме возможных регулярных заездов к дилеру на ремонт, робот может принести прямые убытки через несколько лет, когда придёт время снова менять машину. Продать подержанный автомобиль с роботизированной КПП за хорошее деньги достаточно сложно.

vibiraem-avto.ru

Робот-автомобиль команды АВРОРА на “Робокросс-2013” / Habr

Привет, Хабр!
Становится традицией публиковать отчёты команд после выступления на соревнованиях “Робокросс”.
В прошлом сезоне были отчёты команд НАМТ и MobRob, а сейчас, мне хотелось бы рассказать о работе нашей команды.

Я расскажу про то, как мы делали робота, и почему мы его сделали именно так. Надеюсь, это будет интересно участникам других команд, или просто увлекающимся подобной тематикой.

Меня зовут Владимир, я аспирант, участник команды Автономные Роботы Радиоуниверситета (АВРОРА) г. Рязань. Мои основные интересы — искусственный интеллект, направление деятельности в команде — разработка программного обеспечения. Команда представляет студенческое конструкторское бюро (СКБ) нашего универа.

Описание задания

Соревнования “Робокросс-2013” проходили на автополигоне “Березовая пойма” завода ГАЗ (Нижний Новгород) с 17 по 20 июля. Под заезд был выделен участок “спортивного” круга, длиной около 100м.
Суть задания: робот-автомобиль автономно движется за человеком на медленной скорости (около 5-7 км/ч), и запоминает маршрут. Затем разворачивается (в ручном или автономном режиме) и по команде оператора должен автономно вернуться в исходную точку. При этом, на обратном пути судьи устанавливают на дорогу несколько препятствий, которых при движении вперёд не было (пластиковые бочки).
Задание схоже с поведением мула — если его завести в горы и отпустить, то он найдёт дорогу и вернётся обратно в стадо. Задание было взято по аналогии с одним из заданий ELROB-2012 (европейские соревнования роботов-автомобилей).
При выполнении задания оценивалось время, затраченное на движение от старта до финиша, а также количество сбитых препятствий. Победителем мог стать только робот с полностью автономным управлением.
Несмотря на кажущуюся простоту, всего лишь несколько команд справились с задачей (успешно добрались до финиша).

Описание механики и электроники

Над роботом-автомобилем работает несколько человек. Примерно по три — над механикой, электроникой и программированием верхнего уровня. Чётких должностей нет — все должны уметь разбираться в нескольких областях. Над созданием робота команда трудилась 2 месяца, работая даже по воскресеньям, и уходя из лаборатории не раньше 21.00.

Механика и электроника представляют собой “мышцы” и “периферическую нервную систему” робота.

Механика

Механика представляет собой набор актуаторов, которые приводят в движение органы управления автомобиля. При разработке механики, главным требованием было сделать легкосъёмную конструкцию, чтобы можно было быстро всё разобрать, и машина превращалась в обычную Газель.
Блок актуаторов, управляющий педалями газа/тормоза/сцепления и переключатель передач размещается под водительским сиденьем на креплении от кресла. Т.е. в кресле водителя можно сидеть (ногам, правда, не очень удобно).

Педальный блок

Для соединения педалей использованы специальные рычаги-скобы, которые накидываются на педали.
Руль приводится в движение мотором, который соединён через цепь с карданом руля (пришлось его распилить и вварить шестерёнку, но это было сделано ещё несколько лет назад, поэтому решено оставить как есть).

Здесь синий энкодер на одном валу с мотором соединяется цепью с рулевым карданом (под капотом)

Цепь зажигания находится в двух режимах — когда машина заводится с ключа (как обычно), либо же подключена через реле и кнопки безопасности, чтобы можно было заводить автономно. За этот способ переключения однажды мы поплатились, забыв переключить режим — машину невозможно остановить в случае потери управления. Но всё обошлось.

Электроника

Для всех своих робототехнических проектов мы используем собственную электронику. И разрабатываем её, что называется from scratch. Вроде можно купить Arduino, NI RIO, и какой-нить motor controller, или что-нибудь в этом роде, получится и дешевле, и быстрее. Но здесь есть несколько но. Научиться настраивать что-то, или тем более улучшать, можно только зная как всё это работает. Что называется “чувствовать” систему. А сделать это, можно лишь попробовав повторить её самому, по шагам разбираясь, что, почему, и как. У нас уже был опыт разработки, а также в течение нескольких лет мы развивали это направление. И если в первых сезонах мы отставали от команд, использующих готовые решения, то теперь мы имеем опытных разработчиков схемотехники, отлаженные решения и можем полностью адаптировать их под любые нужды.

Плата управления моторами

Электроника и “низкий уровень” программного обеспечения представлены полностью нашим решением — платами управления двигателями. Прошивка каждой платы адаптирована под конкретную задачу — управление сцеплением/тормозом или рулём. В каждой “зашит” соответствующий алгоритм. Обратная связь по абсолютным и относительным энкодерам, а также концевым выключателям и оборотам двигателя автомобиля.

Платы управления закреплены на выдвижной стойке, и легко убираются под водительское сиденье Газели.

Дополнительно платы оснащены “сухими контактами” или реле, для программного включения зажигания или световой/звуковой сигнализации и включения других исполнительных устройств.

Интересной является проблема трогания автомобиля с места, которая особенно проявляется при движении в горку. Нужно следить за оборотами двигателя и отыгрывать педалями сцепления/газа чтобы автомобиль не заглох. Водитель выполняет это на интуитивном уровне, а вот сделать это автоматически весьма не просто.

Контроллер “низкого уровня” (используем контроллеры LPC NXP с ARM7 архитектурой) управляет актуаторами, на основе команд, полученных от программы “высокого уровня” (i386 arch). Интерфейс связи — RS232, обычный COM-порт. Команда управления представляет собой набор параметров {угол поворота руля, скорость движения, тормоз, дополнительные реле}. Также контроллер присылает “верхнему уровню” текущие обороты двигателя и некоторые другие параметры, необходимые для принятия решений.

Описание архитектуры программы и алгоритмов

Наконец-то перешёл к части, над которой работал непосредственно.
Много лет назад, когда всё только начиналось, все универы закупали NI контроллеры для своих команд. У нас тогда средств на них не было, поэтому решено было делать “мозги” робота на i386 архитектуре, т.е. обычном ноуте или desktop пк. Зато я вряд ли бы получил опыт разработки под Linux и embedded-linux, а также известные библиотеки обработки изображений OpenCV и т.п. (не хочу обидеть NI, у нас тоже RIO появился недавно — любопытная штука).

Набор датчиков

Набор датчиков, используемых для данных соревнований:

• энкодеры положения руля и карданного вала (для позиционирования)
• защищённая от непогоды IP-камера (для обнаружения метки)
• линейный лазерный сканер SICK (для построения карты проходимости)
• плата ориентации (гироскопы+акселерометры) (для позиционирования)
• GPS приёмник (для позиционирования)

Датчики подключаются к ПК посредством RS232 и Ethernet.
Для обработки сенсорных данных в кузове Газели установлен обычный ПК. Питание компьютера осуществляется бензиновым генератором, закрепленным снаружи под кузовом (симметрично с бензобаком, на противоположной стороне).

Используемые библиотеки

В качестве операционной системы мы используем Ubuntu, среда разработки — QtCreator, язык — C++, библиотека для gui — Qt, получение и обработка изображений — OpenCV, обработка данных лазерного сканера — PCL, а также Boost для работы с файлами и сетью. В результате получилось кроссплатформенное решение. Однако всё же мы используем Ubuntu, так как система более предсказуема, в фоне случайно не начинает работать антивирус или индексация файлов, тормозя все остальные процессы… Да и общая производительность несколько выше.

Следование за меткой

Задание соревнований подразумевает выполнение 2х элементов — следование за меткой и следование по маршруту. Поэтому в программе было предусмотрено два основных режима работы — под каждый элемент задания соответственно.
В режиме следования за меткой, общий алгоритм программы предельно простой — необходимо двигаться за меткой и запоминать точки маршрута до тех пор, пока метку не уберёт оператор. Положение руля во время движения пропорционально положению метки относительно центра кадра.
В случае потери метки робот подаёт звуковой сигнал и через некоторое время (0.5сек) начинает тормозить. Это сделано в целях безопасности, да и по логике получается неплохо — когда надо чтобы автомобиль остановился — метка убирается (переворачивается тыльной стороной).
Метка представляет собой некоторый знак, расположенный на шесте (также для безопасности). Мы использовали розовый круг с чёрным контуром, так как данный цвет редко встречается в природе.

Проверка алгоритма движения за меткой

Для поиска метки были перепробованы несколько библиотек, однако в итоге было реализовано собственное решение — поиск по форме + анализ цвета. Это позволяет отбраковать дорожные знаки и другие предметы круглой формы, отличающиеся по цвету от метки.

Демонстрация работы алгоритма поиска метки

Координаты маршрута описываются списком {GPS точка, ориентация (углом поворота), радиус (при попадании в который данная точка считается достигнутой)}. При окончании движения осуществляется реверс точек и маршрут сохраняется.

Возвращение в точку старта

В точке остановки оператор убирает метку — и робот останавливается. Проблема в том — что он должен как-то развернуться. В правилах соревнований не было ограничений на способ разворота робота, поэтому мы выбрали ручной способ — когда оператор сам разворачивает автомобиль. Алгоритм планирования траектории, гипотетически мог спланировать разворот, но мы решили потратить время на отладку более необходимых функций на тот момент.
Мы сразу отказались от “простых алгоритмов” типа “Если бочка слева — руль вправо, если цель справа — руль вправо” и т.п. Я называю это “быдло-методом”. Очевидно, что при появлении второй бочки, или дополнительных условий, быдло-методы являются не состоятельными.
Алгоритм автономного движения можно представить как последовательное решение следующих вопросов:

Где я?

Для того чтобы принять решение куда робот должен ехать, какую поправку внести в траекторию, робот должен знать, где он находится, т.е. отвечать на вопрос “где я?”. Для этой цели нельзя использовать только данные с GPS приёмника, так как ошибка GPS составляет десятки метров, не говоря уже о движении вблизи зданий или в тоннеле. Более того, если вы встанете в поле с GPS приёмником и снимете координаты, то через некоторое, придя в то же место, координаты будут значительно отличаться. Также проблемой является низкий темп выдачи координат — от 1 до 5 раз в секунду, что недостаточно для управления автомобиля даже при скорости движении в 5км/ч — система просто будет не успевать реагировать на ситуацию, и робот будет двигаться как пьяный водитель, а то и произойдёт перерегулирование.

Выходом из данной ситуации является использование нескольких датчиков разной природы, основанные на разных физических явлениях. В нашем роботе, кроме GPS мы используем колёсные энкодеры — определение линейной и угловой скорости автомобиля на основе данных о том, насколько прокрутился карданный вал, и как был ориентирован руль. В качестве дополнительного канала также используется плата определения ориентации на основе гироскопов, акселерометров и магнитного компаса.
Каждый из датчиков обладает различным темпом выдачи информации (например, энкодеры — 70Гц, плата ориентации — 10 Гц). Также для них характерна различная природа ошибок. Из-за неточности определения размеров колёс и длины колёсной базы автомобиля, навигации, основанной только на энкодерах, свойственно накопление ошибки со временем. Гироскопы подвержены тепловому дрейфу и вибрации корпуса автомобиля. Компас сильно реагирует на крупные металлические объекты (мосты, арки и т.п.), соответственно использование каждого датчика в отдельности также невозможно.
Для объединения показаний различных датчиков применяются различные техники, мы выбрали использование разновидности нелинейного фильтра Калмана — Ансцентный фильтр Калмана(Unscented Kalman Filter). На пальцах принцип работы можно объяснить следующим образом — на основе модели движения автомобиля (он не может телепортироваться или двигаться боком) предсказываются показания каждого датчика. Затем, предсказанное значение сравнивается с фактическим (измеренным) и каждому датчику, в соответствии с вероятностью того, что он показывает правду, ставится свой вес (чем ближе к предсказанному, тем больше доверие). На основе полученных весов формируется оценка текущего положения и ориентации автомобиля.

Использование D-GPS, конечно, облегчило бы задачу, но это требует абонентской платы — нельзя купить и забыть (расходники оплачиваются очень проблемно).
Тем не менее, полученная оценка положения является приемлемой для управления — нет выраженных скачков координат, следовательно, регулятор движения по траектории ведёт себя предсказуемо.

Куда ехать?

Когда положение робота известно, то можно определить, где относительно робота находится целевая точка. Проблема на данном этапе заключается в том, что, как было отмечено раньше, GPS подвержен медленному дрейфу — координаты “плавают” в течение дня. Это можно объяснить неоднородностями атмосферы, тучи, облака — всё это оказывает влияние на время прохождения сигнала.
Проявляется это следующим образом.

Дрейф GPS

Во время того, как робот ждёт в точке разворота, текущее его положение начинает “уплывать” в сторону. Т.е. если мы запустим его двигаться быдло-методом только по GPS, то он будет двигаться на некотором смещении относительно первоначальной траектории, при этом датчики будут показывать что движемся мы нормально — они ведь не знают, что все координаты сдвинулись. Это приведёт к тому, что робот будет ехать по обочине (ну или по ёлкам, или бетонным блокам). Так, конечно, никуда не годится.

Решением этой проблемы является использование данных о положении дороги при планировании траектории. Удобно представлять эти данные в виде двухмерного изображения — карты проходимости. По сути это картинка — вид сверху, где автомобиль находится в центре, а проходимые участки помечены одним цветом (зелёный), а непроходимые другим (белый).

На рисунке — реальная карта проходимости, во время тестовых заездов на стадионе.

Условия соревнований подразумевают дорогу, огороженную бетонными блоками и высокой растительностью — кусты и деревья. Поэтому было решено использовать только линейный лазерный сканер для получения информации о препятствиях, который мы закрепили на бампере автомобиля (см. первое фото).

Принцип работа лазерного сканера схож с лазерным дальномером, только более сложная оптическая система непрерывно вращается, обеспечивая угол обзора 180 градусов с угловым разрешением 0.5 градуса и максимальной дальности 80 метров с точностью измерения 2см. Этих параметров было достаточно для данных соревнований, а установка его на определённой высоте позволяло видеть все возможные препятствия на трассе и контур дороги.
Сканер возвращает массив дальностей, который затем фильтруется от единичных выпадов (от травы или просто шумы), оставляя препятствия угловой шириной не менее 2 градусов. Затем массив отрисовывается на карте проходимости в полярных координатах относительно центра. Перед каждым обновлением карта проходимости заливается непроходимым цветом, а отрисовываются на ней только проходимые участки. Это избавляет алгоритм выбора целевой точки от соблазна выбрать точку за областью видимости сканера (в тени от бетонных блоков или забора). Если бы это произошло — то алгоритм планирования траектории не смог бы её построить, так как целевая точка не достижима.
Также важно то, что лазерный сканер жёстко прикреплён к кузову. Как следствие — карта проходимости строится в локальных координатах, т.е. мы не можем ошибиться с расположением дороги в пространстве.

Итак, у нас есть карта проходимости, текущее положение робота и текущая точка маршрута, куда необходимо попасть. Здесь в дело вступает алгоритм выбора целевой точки. Он объединяет эти данные для получения валидной (корректной) целевой точки, в которую автомобиль может гарантированно доехать.
Принцип его работы достаточно прост — рандомизированный выбор множества точек на карте проходимости, рядом с идеальной целью. Затем выбирается ближайшая к цели точка. Учитываются также геометрические размеры автомобиля — вокруг точки должно быть свободное пространство, чтобы движение в выбранной области было безопасным. Если исходная цель выходит за размеры карты проходимости — то точка по радиусу сдвигается на расстояние Rmax (в нашем случае размеры карты 40*40 метров, Rmax = 15м) так, чтобы она лежала на карте, и уже затем выполняется поиск.

Схематическое изображение карты проходимости. Белый квадрат символизирует непроходимую область

Как ехать?

На данный момент задача управления сводится к тому, что нам нужно попасть из центра карты проходимости в целевую точку. И снова проблема — классические алгоритмы поиска кратчайшего пути (A* и т.п.) здесь не работают. Почему?

Во-первых, пространство, в котором движется робот-автомобиль — непрерывно. Координаты (x,y) — вещественные числа. Классические алгоритмы рассчитаны на дискретное пространство состояний. Здесь же множество переходов бесконечно, и перебрать их не получится.

Во-вторых, автомобиль — неголономная система. Это означает, что автомобиль не может мгновенно изменить своё положение или ориентацию в пространстве. Более того, его следующее положение достаточно “жёстко” связано с предыдущим — ограничение на производную скорости, невозможность мгновенно остановиться или сменить направление движения. Поэтому даже если построить кратчайший путь с помощью дискретного алгоритма (допустим, округлив координаты до целых), то проехать по такой траектории не будет представляться возможным.

Из всего этого следует, что получить методом перебора кратчайшую траекторию не представляется возможным. В данном случае можно говорить только о траектории “близкой к оптимальной”. Такая траектория не является кратчайшей. Для нас является более важным то, чтобы робот в конечной точке траектории имел требуемую ориентацию — если робот приедет в промежуточную вершину перпендикулярно дороге — это кончится плохо. (Хотя на втором плане всё-таки важно, чтобы робот петлял как можно меньше).

В одну и ту же точку можно приехать по-разному

Для поиска пути в непрерывном пространстве состояний применяются различные алгоритмы. Одними из наиболее популярных являются разновидности Rapidly exploring Random Tree (RRT). При работе RRT перебор всех возможных состояний не осуществляется. Вместо этого всё пространство (в общем случае) состояний покрывается равномерно распределёнными вершинами, которые в дальнейшем используются как опорные для построения дерева решения.
Однако в чистом виде, для планирования траектории автомобиля RRT не подходит, так как он, опять же, не учитывает кинематические ограничения. Поэтому в нашей работе мы использовали алгоритм, предложенный Kuwata, Y и другими [1].
Общая идея остаётся такой же, как и в RRT. На пути следования автомобиля случайным образом выбираются N промежуточных состояний.

Чёрными кружками показаны промежуточные состояния. Красный круг — цель и ориентация автомобиля в ней

Затем строится дерево траекторий из исходной вершины. Процесс проверки достижимости соседних точек модифицирован с учётом модели движения автомобиля.


Демонстрация работы алгоритма планирования траектории. В зависимости от ориентации цели, полученная траектория будет проходить по-разному

Когда лимит итераций исчерпан (алгоритм должен успевать работать в реальном времени — машина же движется!), либо количество ветвей достигших цели превышает порог M, то осуществляется выбор кратчайшей траектории из множества доступных.
Полученная траектория представляет собой набор траекторий Дьюбинса (Dubins path) — набор отрезков и дуг некоторого минимального радиуса поворота автомобиля. Данный вид траекторий был разработан специально для представления движения автомобиля и является кратчайшим путём для движения из точки (x,y,theta) в (x’,y’,theta’) с учётом начальной и конечной ориентации.

Пример путей Дьюбинса

Сложность при реализации данного алгоритма заключается в том, что сам метод является вычислительно затратным (по сути это перебор). Необходимо было серьёзно оптимизировать его работу. Траектория должна периодически обновляться, чтобы реагировать на изменение дорожной обстановки. Из-за наличия промежуточных вершин, манёвры автомобиля получались достаточно сложными (в хорошем смысле).
Траектория отправляется на исполнение контроллеру движения, который осуществляет управление рулём и скоростью. Алгоритм контроллера взят аналогичный предложенному в [1].

Также хочется отметить, что этот алгоритм является “алгоритмом планирования для общего случая”. Т.е. когда априорной информации о форме дороге и препятствий не известно (движение на парковке, в гаражах, дорожный затор). Он вычислительно сложен, но способен генерировать сложные траектории. При движении по шоссе, сложные манёвры не желательны, не оптимальны и даже опасны. Поэтому существуют “облегчённые” планировщики движения, ориентированные на планирование при движении только в дорожном потоке (у нас ещё не реализован).

Планировщик движения для шоссе

Переключение режимов программы

Про способ переключения режимов программы мы заранее не подумали. Пришлось впопыхах крепить снаружи на борт «Гозели» (мы так называем робота) небольшой клавиатурный блок с цифрами — правильная комбинация цифр определяла то, что робот будет делать дальше:

Клавиатура для переключения режима программы (внутри баночки). Рядом памятка оператору — чтобы не забыл

Вообще, с выбором режима у нас получилось не очень удобно. Так как для того, чтобы развернуть Гозель необходимо было освободить педали, а для этого — программа должна их «отпустить». Как результат — приходилось вводить множество промежуточных команд на клавиатуре. В нервной обстановке в них легко запутаться. Любопытно также то, что разворот автомобиля занимал по времени больше, чем автономная езда в обоих направлениях.

Общая архитектура

На основе описанных выше алгоритмов можно составить следующую схему взаимодействия компонентов программы:

Отладка

Отладка — важнейший этап разработки любого программного продукта, особенно, когда дело касается ПО для управления роботом-автомобилем. Но и здесь есть свои сложности.
Цена ошибки — повреждённый автомобиль или объекты инфраструктуры. Не говоря об опасности для членов команды. Здесь баги обходятся дорого.
Также немаловажной проблемой является стоимость испытаний. Отлаживать работу всей системы желательно в безлюдном месте, вдалеке от объектов, которые можно повредить, если что-то пойдёт не так. Для этого надо машину туда доставить. А оплата услуг эвакуатора ничем не компенсируется.

Поэтому нами был создан симулятор, на котором можно было проверить общую работу алгоритма и логику выполнения задания. В качестве графического движка использовали Irrlicht, физического — BulletPhysics. Программное обеспечение робота представляет собой взаимодействие клиент-сервера, где сервер представляет собой программный интерфейс между алгоритмом (клиент) и аппаратной частью робота (датчики, актуаторы). Получилось так, что для того чтобы переключиться с симулятора на реального робота необходимо было указать другой ip адрес в клиенте — весьма удобно — никаких модификаций кода.

Наш симулятор

Симулятор позволял моделировать сигналы всех датчиков (энкодеры, GPS, SICK), поэтому большую часть времени отладка происходила именно в симуляторе.
Но симулятор симулятором, а роботу предстоит ездить в реальном мире, который, как правило, отличается от модели. Поэтому необходимо всё проверить на практике.
Первые (и единственные) полевые испытания до соревнований были проведены буквально — в поле.

Мотор перегрелся

Самая “верхняя” часть алгоритма работала хорошо, а вот “низкий” уровень не очень — пришлось перенастраивать коэффициенты регуляторов управления рулём и педалями(что логично). К концу дня мы добились приемлемых результатов. Вроде всё получилось.

Небольшое превью соревнований и финальный заезд

Заключение и выводы

На соревнованиях “Робокросс-2013” наша команда заняла первое место. Мы объехали все бочки и благополучно вернулись в зону старта.
Вывод, который напрашивается сам собой — робот-автомобиль — сложная система. Создание каждого компонента это вызов, который должны принять и преодолеть разработчики, особенно в условиях нашей страны. Естественно — создание подобного устройства невозможно в одиночку, поэтому мне хотелось бы выразить признательность своей команде.
Я не рассказывал в деталях проблемы при разработке электроники, но там их, было даже больше чем в программном обеспечении.

Вопрос что дальше? Развиваться. Система представляет достаточно целостный вид. Улучшение каждого из компонентов должно повышать качество работы всего робота. Добавление логики правил дорожного движения затронет только алгоритм выбора локальной цели. Также тенденцией в мировом автономном автопроме является минимизация стоимости используемых датчиков — дорогие лазерные сканеры стараются не использовать, а делать упор на более дешёвые системы технического зрения. Необходимо двигаться и в этом направлении.

У классического автомобиля поворотными колёсами являются передние — человеку так проще управлять. А если сделать все колёса поворотными? Это даст возможность совершать более сложные манёвры, начиная от параллельной парковки до перестройки из ряда в ряд без снижения скорости. Человек с таким управлением вряд ли справится, а вот робот может:

Робот «Маракайка». В разработке

Другие проекты и роботы лаборатории можно посмотреть здесь.

p.s. Целью данного материала является также поиск единомышленников — мы начинаем opensource проект ПО для роботов-транспортных средств. Если вы заинтересовались данной тематикой, у вас есть опыт разработки (или являетесь участником других команд) напишите мне — .

Источники

1. Yoshiaki Kuwata, Gaston A. Firore, et al, «Motion Planning for Urban Driving using RRT,» 2008 IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, September, 2008.

habr.com