Kravspecifikation LiU Racetrack

Kravspecifikation LiU Racetrack Version. Författare: Salko Bjelevac Datum: 2 oktober 204 Status Granskad Projektgruppen 204-09-22 Godkänd Isak Nielsen 204-09-22

Projektidentitet E-post: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvarig: Projektledare: Handledare: liurace@googlegroups.com http://www.isy.liu.se/edu/projekt/tsrt0/204/racetrack/ Isak Nielsen, Linköpings universitet Telefon: 03-28 28 04 E-post: isak.nielsen@liu.se Daniel Axehill, Linköpings universitet Telefon: 03-28 40 42 E-post: daniel@isy.liu.se Daniel Axehill, Linköpings universitet Telefon: 03-28 40 42 E-post: daniel@isy.liu.se Kristin Bergstrand Telefon: 070-63 66 388 E-post: kribe28@student.liu.se Kristoffer Lundahl, Linköpings universitet Telefon: 03-28 66 23 E-post: kristoffer.lundahl@liu.se Gruppmedlemmar Namn Ansvarsroller Telefon E-post (@student.liu.se) Kristin Bergstrand (KB) Projektledare (PL) 070-63 66 388 kribe28 Måns Klingspor (MK) Informationsansvarig (IA) 070-55 25 053 mankl06 Joachim Larsson (JL) Mjukvaruansvarig (MA) 073-06 7 5 joala85 John Wilhelms (JW) Testansvaring (TA) 070-40 84 358 johwi572 Erik Hedberg (EH) Designansvarig (DA) 070-5 22 275 erihe25 Salko Bjelevac (SB) Dokumentansvarig (DOC) 076-22 66 599 salbj522 Marcus Trulsson (MT) Hårdvaruansvarig (HA) 073-35 45 432 martr36 Oskar Ljungqvist (OL) Leveransansvarig (LA) 070-57 7 868 osklj052

Dokumenthistorik Version Datum Förändringar Sign Granskad 0. 204-09-0 Första utkastet SB Projektgruppen 0.2 204-09-6 Andra utkastet SB Projektgruppen 0.3 204-09-8 Tredje utkastet JL Projektgruppen 0.4 204-09-9 Fjärde utkastet MK Projektgruppen.0 204-09-22 Första godkända versionen SB Projektgruppen. 204-0-02 Omförhandling av krav 2 och 26 KB Projektgruppen

Innehåll Inledning. Parter................................................2 Syfte och mål............................................3 Användning............................................ 2.4 Definitioner............................................ 2 2 Översikt av systemet 3 2. Grov beskrivning av produkten................................. 4 2.2 Generella systemkrav....................................... 4 3 Reglersystemet 6 3. Krav på reglersystemet...................................... 6 4 Referensgenerering 7 4. Krav på referensgenereringen.................................. 7 5 Hindergenerering 8 5. Krav på hindergenerering.................................... 8 6 Målföljningssystem 9 6. Krav på målföljningssystemet.................................. 9 7 Fordonssimulator 0 7. Krav på fordonssimulatorn.................................... 0 8 Visualiseringssystem 8. Krav på visualiseringssystemet................................. 9 Robusthet för systemet 2 9. Krav på robusthet........................................ 2 0 Dokumentation 3 0. Krav på dokumentation..................................... 3 Ekonomi 4 2 Leveranskrav 5 3 Referenser 6

LiU Racetrack Inledning Det finns ett stort intresse för utveckling av autonoma fordon, både inom forskning och fordonsindustrin. För att kunna bedriva forskning och utveckling inom området byggde avdelningen för reglerteknik på Linköpings universitet en bilbana bestående av radiostyrda bilar, IR-kameror och målföljningsalgoritmer under sommaren 20. [] Projektet går ut på att vidareutveckla denna bilbana. Detta ska göras genom att förbättra reglersystemet med hjälp av metoder från lärande system, genom att få bilen att kunna utföra säkra omkörningar och genom att integrera en lastbil i systemet. [] Detta dokument beskriver de krav som beställare och projektgrupp gemensamt tagit fram för att definiera produkten som ska utvecklas i projektet. Kraven är strukturerade efter följande mall. Krav nr X Förändring Kravtext Prioritet Första kolumnen, krav nummer X, är kravets numrering. Andra kolumnen, förändring, beskriver om kravet är ett original krav eller omförhandlats under projektets gång. Tredje kolumnen, kravtext, är kravets beskrivning. Fjärde kolumnen, prioritet, är kravets nivå av prioritet indelat i tre nivåer definerade nedan. Prioritet - Krav som skall vara uppfyllt vid slutleverans. Prioritet 2 - Krav som skall vara uppfyllt vid slutleverans om ekonomin tillåter och alla prio krav redan är uppfyllda. Prioritet 3 - Krav som uppfylls i mån av personligt intresse.. Parter Parterna som i första hand ingår i projektet är: Kund - Daniel Axehill, Reglerteknik/LiU Beställare - Isak Nielsen, Reglerteknik/LiU Handledare - Kristoffer Lundahl, Fordonssystem/LiU Projektledare - Kristin Bergstrand Projektgrupp - FAST - Fast Adaptive Steering Technology.2 Syfte och mål Projektet syftar till att höja det befintliga systemets prestanda samt att göra det ännu mer imponerande vid demonstrationer. Det har även som syfte att efterlämna en bra plattform för vidare forskning, examensarbeten och studentgrupper att bygga vidare på. I korthet kan projektets mål sammanfattas i tre punkter: Ge systemet förmåga att representera och hantera hinder. Bilarna ska kunna undvika och köra om hinder. Förbättra bilens varvtid genom adaptiva metoder hämtade från litteraturen. Integrera en radiostyrd lastbil så att den kan styras från datorn.

LiU Racetrack 2.3 Användning Efter leverans kommer systemet att användas av avdelningen för reglerteknik på ISY för ändamål inom forskning, demonstration och framtida studentprojekt..4 Definitioner För att förtydliga kravtexterna definieras här de begrepp som används. Trajektoria: Den beräknade körvägen som ges av referensgenereringssystemet. Hinder: Hinder är objekt på banan som markerar ej tillåten körväg för bilen. Hinder kan vara statiska eller dynamiska. De kan vara virtuella och visualiserade på banan med projektorn eller fysiska genom lastbilen eller blockformade objekt. Hindren har en bredd på maximalt 0 cm placerade ortogonalt mot banriktningen. De dynamiska hindrena kan röra sig i alla riktningar. Till exempel en älg kan ses som ett hinder. Aktiva hinder: Aktiva hinder är hinder som befinner sig i bilens planerade körväg. Omkörning: Omkörning innebär att avvika från den förberäknade referenstrajektorian kring banan för att köra runt ett aktivt hinder och sedan manövrera tillbaka till den ursprungliga trajektorian, och sedan fortsätta att följa denna. Omkörningsobjekt: Ett omkörningsobjekt är ett (icke-statiskt) hinder som har en minimal varvtid på 3 sekunder långsammare än bilens medelvarvtid kring banan. Racingmode: Racing-mode innebär att bilen tävlar mot ett omkörningsobjekt om placering och snabbast tid kring banan.

LiU Racetrack 3 2 Översikt av systemet Systemet kan delas in i följande delssystem: Reglersystem - Får bilarna att följa en given bana. Referensgeneringssystem - System i varje enskild bil som väljer vilken väg en bil ska följa. Hindergenerering - Skapar och hanterar hinder. Simuleringssystem - Separat programvara för att simulera systemets beteende. Målföljningssystem - Estimerar bilarnas tillstånd. Visualiseringssystem - Visualisera bilarnas tillstånd och annan information för användaren. I Figur syns en grov schematisk bild av hur dessa delsystem är uppdelade och kommunicerar. Bilen i systemet kan alltså ses som en klass som innehåller reglersystemet och referensgenereringssystemet. Figur : Översikt över de generella delsystemen och hur de kommunicerar. Hårdvaran som detta systemet kommer bestå utav är följande: Bilbana Radiostyrda bilar Radiostyrd lastbil innefattande truck, dolly och släp Handkontroller Två IR-kameror Projektor

LiU Racetrack 4 En PC: rt-pc-03 med tillhörande styrelektronik för kontroll av fordonen Eventull hårdvara för att uppfylla kraven för integration av lastbilen kan tillkomma systemet. Denna hårdvara tillhandahålls av kunden. PC:n rt-pc-03 ska byta ut nuvarande PC:n rt-pc-. 2. Grov beskrivning av produkten Produkten som kommer att presenteras för kunden vid slutleverans är ett användargränsnitt i datorn. Från gränssnittet kontrolleras de manuella och autonoma styralternativen för bilbanan. De manuella styralternativen kommer att innefatta att styra bilen och/eller lastbilen. Bilen kommer autonomt att kunna följa en förberäknad referenstrajektoria kring banan med en adaptiv gas- och bromsprofil som kommer medföra att bilen lär sig att prestera allt snabbare tider kring banan under de första varven. Placeras fysiska aktiva hinder ut på banan i form av lastbilen eller blockformade objekt kommer bilen att manövrera runt dessa för att sedan fortsätta längs den förberäknade trajektorian. Kan inte bilen beräkna en omkörningsväg kommer den att bromsa in. Är det aktiva hindret statiskt vid ett sådant läge kommer bilen att stanna helt. Är det aktiva hindret dynamiskt i ett sådant läge kommer bilen att följa hindret på ett avstånd. I racing mode kommer bilen själv att hitta och utföra en omkörning av omkörningsobjektet. Är bilen inte i racing mode kommer en omkörning kunna triggas av användaren. 2.2 Generella systemkrav De generella krav som ställs på slutprodukten presenteras nedan.

LiU Racetrack 5 Krav nr Original Vid autonom körning ska bilen kunna köra 20 på varandra följande varv med alla varvtider under 7 sekunder. Första varvet sker med flygande start. Varvtiderna får variera max 0.5 sekunder. Krav nr 2 Original Undersök om befintlig utrustning kan hantera styrning av lastbilen via PC:n rt-pc-03. Om inte detta stöds ska projektgruppen se till att lämplig hårdvara köps in Krav nr 3 Original Den radiostyrda lastbilen ska kunna manövreras manuellt via datorn. Krav nr 4 Original Mjukvaran för systemet ska flyttas över till PC:n rt-pc-03. Krav nr 5 Original Det ska vara möjligt att kunna köra både lastbilen och bilen på banan samtidigt genom WASD-kommandon från PC:n för lastbilen samt autonomt för bilen. Krav nr 6 Original Det ska vara möjligt att kunna köra två bilar på 2 banan samtidigt via datorn. Krav nr 7 Original Det ska vara möjligt att kunna köra en fysisk bil 2 manuellt samtidigt som en virtuell bil kör autonomt. Krav nr 8 Original Bilen ska kunna köra ett varv snabbare än 6.46 3 sekunder. Krav nr 9 Original Koden ska skrivas objektorienterat. Krav nr 0 Original Koden ska skrivas moduluppbyggt. 2 Krav nr Original En omkörningsmanöver ska ske inom ett varv från punkten då avståndet till omkörningsobjektet är maximalt 20 cm.

LiU Racetrack 6 3 Reglersystemet Reglersystemets uppgift är att få bilen att så väl som möjligt följa den referensbana som är insignal till reglerssystemet. I dagsläget finns ett reglersystem bestående av ett antal PID-regulatorer samt en så kallad gasprofil som förbättras adaptivt under körning. Tanken är att behålla det systemet men att använda väldokumenterade metoder från maskininlärning för att förbättra systemets förmåga att anpassa sina parametrar, i första hand gasprofilen. 3. Krav på reglersystemet Krav nr 2 Original Under autonom körning ska reglersystemet se till att bilens skattade mittpunkt aldrig avviker mer än 20 mm från referenstrajektorian. Krav nr 72 Tillkommet, Ersätter krav 2 Under autonom körning ska reglersystemet under 20 på varandra följande varv se till att bilens skattade mittpunkt aldrig avviker mer än 20 mm från referenstrajektorian. Första varvet sker med flygande start. Krav nr 3 Original Reglersystemet ska bygga på vedertagen teori, det vill säga teori för reglering presenterad i tidsskrifter och forskningsrapporter. Krav nr 4 Original Givet en förberäknad trajektoria för banan ska reglersystemet kunna beräkna en gas- och bromsprofil adaptivt online. Krav nr 5 Original Givet en förberäknad trajektoria för banan ska reglersystemet kunna anpassa styrvinkeln adaptivt online. Krav nr 6 Original Reglersystemet ska ha sådan prestanda att bilen kan undvika kollisioner med hinder när avståndet är minst 30 cm mellan bilen och hindret. Detta ska ske antingen genom att köra förbi hindret eller bromsa in framför det. Krav nr 7 Original Bilen ska vid autonomt läge kunna utföra en omkörning av ett omkörningsobjekt triggad av användaren. Krav nr 8 Original Bilen ska vid autonomt läge i racing-mode bestämma själv när den ska göra en omkörning av alla olika typer av omkörningsobjekt. Krav nr 9 Original Bilen ska i racing-mode kunna utföra en omkörning av en annan bil agerande som ett omkörningsobjekt. Krav nr 20 Original Reglersystemet ska kunna anpassa sina parametrar efter en uppdaterad modell för bilen, till exempel slitna däck. 2 2

LiU Racetrack 7 4 Referensgenerering Referensgenereringen är en funktion som hör till varje verklig eller virtuell bil på banan. Denna ska kunna ta in önskad information via virtuella sensorer och utifrån dessa ta beslut om den förberäknade trajektorian kan användas eller om en ny referenstrajektoria måste skapas. Behövs en ny referenstrajektoria ska detta system skapa denna. Detta innebär att referensgenereringsystemet ska kunna skapa referenser för att undvika och om möjligt köra om hinder och omkörningsobjekt. Detta har formulerats i följande krav: 4. Krav på referensgenereringen Krav nr 2 Original Bilen ska kunna ha en eller flera virtuella sensorer som får information om hinder inom ett för varje sensor valbart område. Krav nr 22 Original Sensorernas valbara områden ska kunna specificeras av rektanglar,cirklar och/eller cirkelsektorer runt bilen med en valbar bredd, längd och placering kring bilen. Krav nr 23 Original Sensorernas valbara områden ska vara godtyckliga. 2 Krav nr 24 Original Det ska vara möjligt att specificera vilken typ av hinder som varje typ av sensor ska få information om. Krav nr 25 Original I autonomt läge ska bilens referensgenerering ta hänsyn till hindren. Krav nr 26 Original Utifrån information om modellen av bilen, hindrets position, storlek och eventuell hastighet ska bilen i autonomt läge beräkna ett omkörningsspår, om dessa parametrar fysikaliskt tillåter en omkörning. Krav nr 73 Tillkommet, ersätter krav 26 Utifrån information om modellen av bilen, hindrets position, storlek och eventuell hastighet ska bilen i autonomt läge beräkna ett omkörningsspår om dessa parametrar fysikaliskt tillåter en omkörning. En omkörning anses fysikaliskt möjlig om det under hela omkörningsförloppet finns en öppen passage på minst.5 bilbredder där bilen kan passera. Krav nr 27 Original Utifrån information om uppdaterad modell av bilen, hindrets position, storlek och eventuell hastighet ska ett omkörningsspår beräknas. Krav nr 28 Original Utifrån information om bilens modell, hindrets position, storlek och eventuell hastighet ska bilen i autonomt läge beräkna ett inbromsningsspår om en omkörning inte är möjlig. Krav nr 29 Original Då inbromsning framför hinder eller kollision med vägg skett ska en referenstrajektoria beräknas som leder bilen tillbaka till den optimala trajektorian. 2 2

LiU Racetrack 8 5 Hindergenerering Hindergenereringssystemet skapar och hanterar hinder. Detta innebär att hindergenereringen hanterar information om omvärlden kring bilen på banan. Systemet ska kunna ge information om var på banan det finns hinder till det objekt på banan som ber om information. 5. Krav på hindergenerering Krav nr 30 Original Virtuella hinder med olika utbredning, dynamik och position på banan ska kunna sparas i en hinderlista tillsammans med fysika hinder identifierade av målföljningssystemet. Krav nr 3 Original Hinder placerade i hinderlistan ska kunna särskiljas utifrån kategorierna virtuella fasta hinder, fysiska hinder, virtuella omkörningsobjekt och fysiska omkörningsobjekt. Krav nr 32 Original Virtuella hinder ska kunna specificeras att uppkomma en viss sträcka från bilen i dess planerade körväg. Krav nr 33 Original De dynamiska virtuella hindren ska röra sig längs en förberäknad trajektoria. Krav nr 34 Original Användaren bestämmer om och hur många hinder som ska finnas på banan.

LiU Racetrack 9 6 Målföljningssystem Målföljningssystemet består av två stycken IR-kameror monterade i taket ovanför bilbanan. Kamerorna är riktade mot banan och detekterar de markörer som är placerade på bilarna. Markörernas position bestäms av en Gaussisk maskning och bilarnas position estimeras av ett mjukvarufilter. Målföljningssystemet ska uppfylla följande krav. 6. Krav på målföljningssystemet Krav nr 35 Original Målföljningssystemet ska kunna detektera icke-virtuella hinder. Dessa ska ha en kvadratisk form med en sida på maximalt 0 cm. Krav nr 36 Original Målföljningssystemet ska kunna kalibreras 2 automatiskt när bilar eller markörer har bytts ut. Krav nr 37 Original Filtrets rörelsemodell ska ta hänsyn till styrsignaler. 2 Krav nr 38 Original Målföljningssystemet ska kunna skatta vinkeln mellan dragbilen och dollyn utan att använda information från markörerna på dollyn. Krav nr 39 Original Målföljningssystemet ska kunna skatta vinkeln mellan dragbilen och dollyn genom att använda information från markörerna på dollyn. Krav nr 40 Original Prestandan för dollyns vinkelestimering ska redovisas i den tekniska dokumentationen Krav nr 4 Original Dollyns vinklar α och β ska estimeras av målföljningsystemet med en noggrannhet på ±3 i statiskt tillstånd. Se Figur 2 för förtydligande. Figur 2: Översikt över vinklarna mellan dollyn och lastbilen.

LiU Racetrack 0 7 Fordonssimulator Istället för att ett bilobjekt ställer ut sina utsignaler till ett styrkort som styr en fysisk bil och uppdaterar bilobjektets tillstånd med hjälp av målföljningssystemet, så simulerar fordonsimulatorn uppdaterandet av bilens tillstånd. För att detta ska ske på ett tillfredställande sätt bör följande krav uppfyllas. 7. Krav på fordonssimulatorn Krav nr 42 Original Bilmodellen i simulatorn ska efterlikna den fysiska bilmodellen så mycket att simulatorn uppfyller samma regleringskrav som det fysiska systemet. Krav nr 43 Original En simulerad körning ska max avvika sekund i varvtid från en fysisk körning då styrsignal från samma fysiska körning används. 2

LiU Racetrack 8 Visualiseringssystem Visualiseringssystemet består utav ett grafiskt gränssnitt samt en projektor som projicerar över banan. Detta system ska uppfylla följande krav. 8. Krav på visualiseringssystemet Krav nr 44 Original Projektorn ska kunna visualisera fasta hinder på banan. Krav nr 45 Original Projektorn ska kunna visualisera dynamiska hinder på banan. Krav nr 46 Original Projektorn ska kunna visualisera området där de virtuella sensorerna informeras om hinder. Krav nr 47 Original Projektorn ska kunna visualisera referenstrajektorian beräknad för omkörning. Krav nr 48 Original I det grafiska gränsnittet ska val av racing-mode kunna göras Krav nr 49 Original I det grafiska gränsnittet ska val av triggad omkörning vid autonom körning kunna göras Krav nr 50 Original Man ska i användargränssnittet kunna välja att skatta vinkel α och β mellan dollyn och lastbilen med eller utan dollyns position. Se figur 2 för förtydligande. Krav nr 5 Original Ett nytt grafiskt gränssnitt ska tas fram till datorn i labbsalen. 2

LiU Racetrack 2 9 Robusthet för systemet För att projektets syfte, mål och framtida användning ska kunna uppfyllas krävs att systemet uppfyller följande robusthetskriterier. 9. Krav på robusthet Krav nr 52 Original Krav,, 5-8, 35-36 ska uppfyllas vid minst 9 av 0 på varandra följande tester specifierade i testplanen Krav nr 53 Original Övriga krav ska alltid vara uppfyllda.

LiU Racetrack 3 0 Dokumentation 0. Krav på dokumentation Nedan följer krav på de dokument som projektet ska framställa. Filmen ska produceras på engelska. Övriga dokument ska skrivas på svenska. Dokument Syfte Målgrupp Kravspecifikation Specifikation av de krav som ska uppfyllas efter avslutat projekt Projektgrupp, kund, beställare Systemskiss Övergripande skiss av systemet Projektgrupp, handledare, beställare Projektplan med tidplan Plan över hur projektgruppen ska gå tillväga för att genomföra Projektgrupp, handledare, beställa projektet Designspecifikation Underlag för hur projektet ska designas Projektgrupp, handledare, beställare Testplan Plan över de tester som ska utföras Projektgrupp, handledare, beställare Användarhandledning Handledning hur en användare Kund bör handskas med systemet Testprotokoll Protokoll som visar att testerna i Betällare, kund testplanen genomförts Teknisk dokumentation En detaljerad beskrivning över Kund hela systemet Efterstudie En studie hur projektet har Examinator genomförts och dess resultat Poster En sammanfattning av systemet Kund, övrigt intresserade Hemsida En publik dokumentation av projektet Handledare, kund, övrigt intresserade Film En publik demostration av systemet Kund, övrigt intresserade Mötesprotokoll Protokoll över möten Projektgrupp

LiU Racetrack 4 Ekonomi Projektet har följande ekonomikrav: Krav nr 54 Original Varje projektmedlem ska jobba 240 timmar. Det ger en total arbetstid på 920 timmar. Krav nr 55 Original Den sammanlagda handledningstiden får inte överskrida 40 timmar.

LiU Racetrack 5 2 Leveranskrav Följande leveranser ska genomföras: Krav nr 56 Original Vid BP2 ska kravspecifikation levereras. Krav nr 57 Original Vid BP2 ska projektplan och tidsplan levereras. Krav nr 58 Original Vid BP2 ska systemskiss levereras. Krav nr 59 Original Vid BP3 ska designspecifikation levereras. Krav nr 60 Original Vid BP3 ska testplan levereras. Krav nr 6 Original Vid BP5 ska systemet uppfylla de krav som angivits i kravspecifikationen. Krav nr 62 Original Vid BP5 ska testprotokoll levereras. Krav nr 63 Original Vid BP5 ska användarhandledning levereras. Krav nr 64 Original Vid BP5 och leverans ska en presentation som visar att kraven i kravspecifikationen är uppfyllda genomföras. Krav nr 65 Original Leverans till kund Krav nr 66 Original Vid BP6 ska en teknisk rapport levereras. Krav nr 67 Original Vid BP6 ska en efterstudie med uppföljning av resultat och använd tid levereras. Krav nr 68 Original Vid BP6 ska en poster levereras. Krav nr 69 Original Vid BP6 ska det finnas en hemsida som beskriver projektet. Krav nr 70 Original Vid BP6 ska ett klipp som demonstrerar projektresultaten presenteras på Youtube.

LiU Racetrack 6 3 Referenser [] Projektdirektiv, LiU Racetrack, http://www.rt.isy.liu.se/student/tsrt0/file/ projdir_204_racetrack.pdf, 204-09-8.