No Oscillations Corporation Systemskiss Optimal Styrning av Autonom Racerbil Version 1.0 Författare: Mikael Rosell Datum: 29 november 2013 Status Granskad Projektgruppen 2013-09-18 Godkänd
Projektidentitet E-post: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvarig: Projektledare: Handledare: noosc@googlegroups.com http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/2013/osaar/ Kristoffer Lundahl, Linköpings Universitet Telefon: 013-286623, E-post: kristoffer.lundahl@liu.se Daniel Axehill, Linköpings Universitet Telefon: 013-284042, E-post: daniel@isy.liu.se Daniel Axehill, Linköpings Universitet Telefon: 013-284042, E-post: daniel@isy.liu.se Mikael Rosell Isak Nielsen, Linköpings Universitet Telefon: 013-282804, E-post: isak.nielsen@liu.se Gruppmedlemmar Namn Ansvarsroller Telefon E-post (@student.liu.se) Mikael Rosell (MR) Projektledare (PL) 070-3901264 mikro418 Victor Carlsson (VC) Informationsansvarig (IA) 073-0568295 vicca226 Henrik Edlund (HE) Hårdvaruansvarig (HA) 070-4202846 hened061 Mathias Hallmén (MH) Testansvaring (TA) 073-8054244 matha848 Sofia Johnsen (SJ) Designansvarig (DA) 073-6459540 sofjo100 Lukas Lorentzon (LL) Figuransvarig (FA) 072-2347314 luklo656 Dennis Lundström (DL) Dokumentansvarig (DOC) 076-3377642 denlu994 Oskar Sunesson (OS) Leveransansvarig (LA) 070-2632041 osksu783
Dokumenthistorik Version Datum Förändringar Signatur Granskad 0.1 2013-09-12 Första utkastet Alla Alla 0.2 2013-09-17 Andra utkastet Alla Alla 0.3 2013-09-17 Kommentarer åtgärdade Alla Alla 1.0 2013-09-18 Kommentarer från handledare Alla Alla angående reglersystem åtgärdade
Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Syfte och mål........................................... 1 1.2 Användning............................................ 1 2 Systemöversikt 1 2.1 Hårdvara............................................. 1 2.2 Informationsflöden mellan delsystem.............................. 2 3 Reglersystem 3 4 Simuleringssystem 4 5 Målföljningssystem 4 6 Visualiseringssystem 5
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 1 1 Inledning Systemet består av en bilbana, radiostyrda bilar, kameror för positionering av bilarna, en dator med styrsystem och en projektor. Det nuvarande systemet har itererats fram i ett flertal tidigare projekt. Målet i detta projekt är att få en mindre oscillativ banföljning och en mer robust reglering. En simulator för de radiostyrda bilarna ska utvecklas för att kunna utvärdera regulatorer utan att behöva köra det fysiska systemet. Dessutom har systemet utökats med en projektor som ska användas för att förbättra demo-effekten genom att exemeplvis projicera simuleringarna på bilbanan eller spela upp tidigare körningar. I detta dokument beskrivs funktionaliteten som behövs för att uppfylla kraven enligt kravspecifikationen. 1.1 Syfte och mål Syftet med projektet är att förbättra det system som redan finns implementerat för att på så sätt göra demonstrationer av systemet mer attraktivt. Detta genom att få en snyggare banföljning och höja demo-effekten med hjälp av en projektor. Nuvarande systemet uppvisar ett oönskat oscillativt beteende och målet är att i största mån bli av med detta. 1.2 Användning Systemet ska efter slutleverans användas i demonstrationssyfte av Avdelningen för Reglerteknik på ISY, men dessutom inom forskning, utbildningssyfte, laborationer och studentprojekt. 2 Systemöversikt Systemet består av hårdvara och mjukvara med flera olika delsystem. Den önskade trajektorian som bilen skall följa är beräknad i tidigare projekt. Denna innehåller referenstillstånd i form av position, yaw-vinkel, hastighet, vinkelhastighet och offline styrsignalerna. 2.1 Hårdvara Systemet består av följande hårdvara: Bilbana Radiostyrda bilar Radiostyrd lastbil Handkontroller Två IR-kameror Projektor Dator
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 2 Beställaren tilldelar projektgruppen all hårdvara. Hur hårdvarukomponenterna interagerar med varandra beskrivs i Figur 1. Bilbanan består av en bana uppbyggd av golvplattor och väggar i skumgummi. På bilbanan körs de radiostyrda bilarna som styrs via handkontrollen, antingen av datorn eller manuellt av användaren. IR-kamerornas bilder skickas till datorn där bildbehandlingsalgoritmer körs för att skatta bilarnas position, hastighet och vinkelhastighet utifrån markörerna på bilarna. Detta sker med sampeltiden 100 Hz. Projektorn används för att visa information på bilbanan. All beräkning och funktionalitet finns i form av mjukvara på datorn. Figur 1: Informationsflöde mellan hårdvarukomponenter. 2.2 Informationsflöden mellan delsystem Systemet är uppdelat enligt följande delsystem: Reglersystem Simuleringssystem Målföljningssystem Visualiseringssystem Informationsflödet mellan delsystemen sker enligt Figur 2. Från IR-kamerorna skickas bilder som behandlas i mjukvaran på datorn för att få information om bland annat bilarnas position. I datorn utförs reglering och annan funktionalitet baserad på informationen om bilarna. Styrsignalerna skickas sedan vidare till bilarna på banan via fjärrkontrollen. På datorn finns det i mjukvaran funktionalitet för att rita upp grafiska objekt på bilbanan via projektorn. I datorn finns även en simulator som använder en modell av en bil för att simulera systemet. Simulatorn kan användas ihop med reglersystemet och visualiseringssystemet.
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 3 Figur 2: Informationsflöde mellan delsystemen. Grönt motsvarar hårdvara och blått mjukvara. Tillstånden är position, hastighet och vinkelhastighet. Styrsignalerna är gaspådrag samt signal till styrservo. 3 Reglersystem I Figur 3 ges en översikt över reglersystemet. Reglersystemet består av en regulator och ett referensinterface. Regulatorn får information om bilens tillstånd från målföljningssystemet alternativt simuleringssystemet. För att regulatorn ska veta hur bilen ska styras får regulatorn information om trajektorian från referensinterfacet. Trajektorian har beräknats i tidigare projekt och informationen som kommer användas i projektet är position och yaw-vinkel. Reglersystemet beräknar en styrsignal och skickar sedan vidare den till antingen den radiostyrda bilen eller till simuleringssystemet, beroende på vilket system som ska regleras. Reglersystemet ska även ha en adaptiv del som ska hantera kraven på adaptiv styrning av gas- och bromsprofil. Den adaptiva delen ska ge systemet bättre robusthet och prestanda genom att hantera batterinivå och inverkan av slitage på bilens egenskaper. En gas- och bromsprofil ska beräknas adaptivt med hjälp av ett lärande system. Fördelen med detta är att vikten av modellernas noggrannhet inte blir lika avgörande. Det lärande systemet kommer använda positionen från trajektorian som referens under träning. Det lärande systemet ska till början bestå av ett neuronnät. Neuronnätet ska generera en gasoch bromsprofil utifrån det givna spåret. Detta kan även göras utan givet spår förslagsvis i en simulator. Ett sätt att minska varvtiden är att införa belöningsfunktioner för hög hastighet, givet att spåret följs. De tidigare systemets enkla LQ-regulator är tänkt att bytas ut eller modifieras till en mer avancerad regulatorstruktur. Till exempel skulle regulatorn kunna bestå av flera LQregulatorer som är linjäriserade kring olika arbetspunkter. En styrsignal interpoleras då fram genom att styrsignalerna från de olika regulatorerna viktas efter relevans till den nuvarande arbetspunkten. En annan mer avancerad regulatortyp som skulle kunna testas är en MPC-regulator. Regulatorn kan eventuellt vara olinjär om den inte blir allt för komplex. Annars kan en linjäriserad regulator användas. Då reglersystemet kommer bestå av många komponenter och parametrar ska ett interface finnas där olika delar kan aktiveras och avaktiveras. Detta för att snabbt kunna testa och jämföra olika regulatormodeller och inställningar. Till exempel jämföra olika uppdateringar av straffmatrisen i LQ-regleringen, jämföra LQ- och MPC-reglering eller avaktivera det adaptiva filtret.
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 4 Figur 3: Översikt över reglersystemet. Bilens position beräknas antingen från målföljningssystemet eller simuleringssystemet. 4 Simuleringssystem Simuleringssystemet skall i första hand implementeras för att kunna köras med projektorn. Modulerna i simuleringssystemet jobbar individuellt med givna in- och utsignaler för att man ska kunna byta ut en modul utan att behöva ändra i någon annan. Simuleringssystemet är uppbyggt av följande moduler: Fordonsmodell, regulator samt referenstrajektoria. Den centrala delen i simulatorn är modulen för fordonsmodell. Den tar styrsignaler som insignal, från antingen reglersystemet, tangentbord/handkontroll eller inspelade styrsignaler. Utsignal är fordonets tillstånd som skickas tillbaka till regulatorn samt till visualiseringssystemet via en banbegränsning. Fordonsmodellen består av flera delar såsom motormodell, dynamik, däckmodell och styrenhet. Notera att dessa modeller redan är framtagna och inga vidareutvecklingar kommer att göras under detta projekt. I interfacet finns ett block för att ändra fordonsparametrar som används i fordonsmodellen. Från interfacet väljs körläget, autonomt/manuellt. I Figur 4 ses en schematisk bild som visar simuleringssystemets olika delar och vilken information som skickas mellan dessa. Utbytbara delar ses med streckad kontur, hårdvara med grön bakgrund, mjukvara med blå bakgrund. Simuleringssystemet är tänkt att användas i nära samarbete med visualiseringssystemet, där projektorn ska visa bilens position på bilbanan. Detta ska kunna ske i realtid samt från sparad data. Simuleringssystemet är tänkt att ha funktionalitet för kollisionshantering, vilket innebär väjning för statiska och eventuellt rörliga objekt. Detta ska fungera både i autonomt och manuellt läge. För att uppnå detta kan delar av fail-safe funktionaliteten användas. Men i detta fall ska fail-safe systemet ta över kontrollen i ett tidigare skede så att en väjning ska kunna utföras. För att undgå krock med andra bilar ska den bakre bilen först lägga sig bakom i samma hastighet som framförvarande bil tills en omkörning kan ske. 5 Målföljningssystem Målföljningssystemet består av två infraröda(ir)-kameror och en observatör för att skatta bilarnas tillstånd. I Figur 5 ges en översikt av delsystemet. IR-kamerorna är monterade i taket ovanför bilbanan. På den radiostyrda bilen finns IR-reflekterande markörer för att kunna detektera och identifiera bilen. Informationen från IR-kamerorna används sedan som mätsignal i observatören. Observatören skattar bilens tillstånd som sedan skickas till reglersystemet samt visualiseringssystemet. En brist i det nuvarande systemet är att markörerna som mäts antas ligga i samma
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 5 Figur 4: Översikt över simuleringssystemet. plan som kalibreringsmarkörerna. Markörerna som sitter på bilen är dock på olika höjd vilket leder till fel i mätningen av position och orientering. För att åtgärda detta ska systemet ta hänsyn till markörernas höjd på bilen. Målföljningssystemet använder bland annat en så kallad pinhålskameramodell för att transformera markörernas koordinater från pixelkoordinater till världskoordinater. Eftersom markörerna på bilarna sitter i ett visst mönster, känner målsystemet till vilken markör som är vilken. Genom att mäta vilken höjd som markörerna sitter på kan man individuellt för varje markör korrigera för höjdskillnaden vid transformeringen. Ett annat problem med det nuvarande systemet är att det finns en skillnad mellan mätningar från de två kamerorna i deras överlappningssområde. För att försöka lösa detta kan det vara bra att undersöka kalibreringen utav kamerorna och eventuellt göra om kalibreringen. För att förbättra målföljningen ska filtrets rörelsemodell modifieras för att kunna ta hänsyn till styrsignaler som ges till bilen. Figur 5: Översikt över målföljningssystemet. 6 Visualiseringssystem Visualiseringssystemet hanterar interaktionen med användaren genom ett interface på datorn samt genom att projicera information på bilbanan via projektorn. Projektorn ska kunna visa en virtuell bil från tidigare körningar eller simulerade körningar. Den tillryggalagda spåret då bilen körs ska ritas upp på bilbanan, färgkodad så att det framgår om bilen gasade eller bromsade. I det nuvarande systemet sparas tillstånden och styrsignalerna för bilen till en fil. För att införa den nya funktionaliteten skall denna information sparas lokalt i programmet för att lättare komma åt tidigare tillstånd och styrsignaler i realtid. Visualiseringssystemet ska kunna visa upp totala varvtiden och mellantider vid utvalda punkter på banan. Detta kan göras genom att utöka tidtagningen som finns implementerad idag. Mellantiderna och varvtiderna ska visas både på datorskärmen och projektorn. En översikt av Visualiseringssystemet ges i Figur 6.
Optimal Styrning av Autonom Racerbil 6 Det blir en off-set i projektorns projiceringar på grund av att allt antas ligga i samma plan som kalibreringsmarkörerna. Problemet kan lösas genom att lägga in en off-set korrigering då konverteringen från världskoordinater till projektorns pixelkoordinater sker. Med andra ord så ska matrisen som beskriver den linjära transformationen modifieras beroende på projiceringsplan. Figur 6: Översikt över visualiseringssystem.