Systemskiss Racetrack 2015 Version 1.0 Författare: Jonathan Stenström Datum: 17 november 2015 Status Granskad JS, LK, IK 2015-09-20 Godkänd
Projektidentitet Grupp E-mail: Hemsida: Beställare: Kund: Examinator: Projektledare: Handledare: racetrack15@googlegroups.com http://www.isy.liu.se/edu/projekt/tsrt10/2015/racetrack/ Oskar Ljungqvist, Reglerteknik, Linköpings universitet E-mail: oskar.ljungqvist@liu.se Daniel Axehill, Reglerteknik, Linköpings universitet Telefon: +46 13-28 40 42, E-mail: daniel@isy.liu.se Daniel Axehill, Reglerteknik, Linköpings universitet Phone: +46 13-28 40 42, E-mail: daniel@isy.liu.se Ingrid Kugelberg Kristoffer Lundahl, Fordonssystem, Linköpings universitet Phone: +46 13-28 66 23, E-mail: kristoffer.lundahl@liu.se Niclas Evestedt, Reglerteknik, Linköpings universitet E-mail: niclas.evestedt@isy.liu.se Projektmedlemmar Ingrid Kugelberg Projektledare 072-2034579 ingku725@student.liu.se Jonathan Stenström Dokumentansvarig 073-5022432 jonst361@student.liu.se Oskar Nordmark Mjukvaruansvarig 070-3747396 oskno972@student.liu.se Henrik Bäckman Testansvarig 073-0723032 henba136@student.liu.se Patrik Nyberg Komponentansvarig planerare 073-0495990 patny205@student.liu.se Lina Karlsson Designansvarig 073-0395690 linka950@student.liu.se Olle Holmer Komponentansvarig regulatorsystem 073-8434542 ollho731@student.liu.se
Dokument historik Version Datum Gjorda ändringar Signatur Granskare 0.1 2015-09-17 Första utkastet Projektgruppen JS,LK,OH,HB 1.0 2015-09-20 Första versionen Projektgruppen JS, LK, IK
Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Parter............................................... 1 1.2 Syfte och Mål........................................... 1 1.3 Användning............................................ 2 1.4 Definitioner............................................ 2 2 Systemöversikt 3 2.1 Hårdvara............................................. 3 2.2 Informationsflöden........................................ 4 3 Regulatorsystem för bil 6 3.1 Referens.............................................. 6 3.2 Regulator............................................. 6 3.3 Real-mode............................................. 6 4 Regulatorsystem för lastbil 7 4.1 Referens.............................................. 7 4.2 Regulator............................................. 7 4.2.1 Pure Pursuit....................................... 7 4.3 Autonom körning......................................... 7 5 Planerare 8 5.1 Terminal manifold........................................ 8 5.2 Val av referenslinje........................................ 8 5.3 Sensorer.............................................. 8 6 Simuleringssystem 10 6.1 Simuleringsmiljö......................................... 10 6.2 Sensorer och styrsignaler..................................... 10 7 Visualiseringssystem 11 Referenser 12
Racetrack 1 1 Inledning Detta projekt handlar om att utöka funktionaliteten på ett system som autonomt kan kontrollera radiostydra bilar. Projektet har funnits i ett antal år och arbetats fram via tidigare CDIO-projekt, sommarjobb och examensarbeten. I nuläget kan bilar styras och regleras kring en förbestämd trajektoria och funktionalitet för att upptäcka statiska hinder finns. I år skall detta system förbättras med ett bättre reglersystem, samt skall funktionalitet för att upptäcka rörliga hinder och generera nya referenstrajektorier för omkörning av sådana hinder implementeras. Det rörliga hinder som kommer användas är en radiostyrd lastbil som skall vara helt oberoende från systemet som styr bilarna, denna lastbil måste integreras i det befintliga systemet. För att göra säkrare tester utan risk för hårdvarufel kommer också en simuleringsmiljö byggas upp. Tanken är att simuleringsmiljön skall fungera med kod som används i det verkliga systemet. Detta dokument är tänkt att ge en översiktlig bild över systemet och hur de nya funktionerna skall integreras i systemet. I figur 1 förklaras vad de olika symbolerna som används i flödesscheman betyder. Process eller system Beslut Lagdrad data Temporär data eller signal Figur 1: Förklaring av symboler som används i dokumentet 1.1 Parter Parterna som ingår i projektet är: Kund, Beställare, Handledare, Projektledare och Projektgrupp. 1.2 Syfte och Mål Målet med projektet är att implementera ytterligare funktionalitet som skall kunna bygga upp häftigare demonstrationer som blir mer och mer jämförbara med verkligheten. Det finns också ett mål att bygga upp ett system som skall vara lätt för efterföljande studentgrupper att sätta sig in i och ytterligare bygga på systemet.
Racetrack 2 Sammanfattningsvis kan projektets mål delas upp i dessa punkter. Skriva om det befintliga reglersystemet för bilarna för att få bättre prestanda. Implementera regulator till lastbilen som ska kunna styras autonomt. Implementera en lastbil som skall fungera som ett rörligt hinder för bilen att köra om. Skapa en omkörningsalgoritm med en planerare som genererar nya referenslinjer. Bygga upp en simuleringsmiljö som möjliggör tester av systemet utan hårdvarufel. 1.3 Användning Efter leverans kommer systemet att användas av avdelningen för reglerteknik på ISY för ändamål inom forskning, demonstration och framtida projekt. 1.4 Definitioner Här definierar vi begrepp och förkortningar som används i dokumentet. LiU: Linköpings Universitet. ISY: Institutionen för Systemteknik. CDIO-projekt: Projektkurs omfattande 12 högskolepoäng som ges av ISY. Hinder: Objekt i körbanan som markerar ej tillåten körväg för bilen. Hinder kan vara virtuella eller fysiska. Planerare: Algoritm för att generera referensspår för bilen. Trajektoria: Beräknad körväg med tidsstämplar som genereras av planerare eller referensgenereringssystemet. Omkörning: En avvikelse från förberäknad referesspår för att undvika kollision med hinder eller fordon. Real-mode: Ett körläge där bilens köregenskaper anpassas för att i högra grad likna en verklig bil.
Racetrack 3 2 Systemöversikt Systemet består av hårdvara och mjukvara och delas in i de delsystem som anges nedan. Regulatorsystem för bil - det system som får bilarna att följa vald referenstrajektoria. Regulatorsystem för lastbil - det system som får lastbilen att följa vald referensbana. Planeringssystem - beräknar optimal referenstrajektoria givet målfunktion. Simuleringssystem - separat programvara som simulerar systemets beteende och ska användas för design och utveckling av regulatorer och planerare. Visualisteringssystem - visulaiserar intressant information på skärm och bilbana. De system som det kommer arbetas mest med är regulatorsystem för bil, planeringsystemet och simuleringsystemt. Reglersystemet för bilarna kommer bytas ut, förslagsvis till ett system baserat på speciella styrlagar framtagna för bilarna. Planeringsystemet kommer beräkna trajektorier för omkörning enligt en algoritm beskriven i [1] och kommer att ersätta den RRT-algoritm som redan finns implementerad. Simuleringssystemet ska bytas ut och anpassas för att uppnå önskad funktionalitet enligt kravspecifikation [2]. 2.1 Hårdvara Systemet består av följande hårdvara: bilbana radiostyrda bilar radiostyrd lastbil handkontroller till bilar och lastbil två IR-kameror projektor dator rasberry pi D/A-omvandlare I figur 2 visas hur hårdvarukomponeterna kommunicerar med varandra.
Racetrack 4 Dator IR-kameror Projektor Fjärrkontroller Bilbana och bilar Figur 2: Kommunikationsflöden för hårdvaran 2.2 Informationsflöden Information avläses av IR-kamerorna som sedan skickar vidare denna till mjukvaran. Med hjälp utav den informationen tas sedan styrbeslut baserat på diverse algoritmer. Därefter tas information in på nytt och visualiseringen målar upp aktuell situation. Se figur 3 för flödesschema.
Racetrack 5 Förberäknad trajektoria Planerare Virtuell sensor Reglering Fysiska hinder Virtuella hinder Verkligt system Målföljning Simuleringsmiljö Tillstånd Visualisering Figur 3: Informationsflöden
Racetrack 6 3 Regulatorsystem för bil Regulatorsystemets uppgift är att få bilen att följa dess trajektoria så väl som möjligt. 3.1 Referens Bilens ska följa och regleras efter den referenstrajektoria som är given av planeraren. 3.2 Regulator I [3] beskrivs en trajektoriaföljande regulator som tagits fram utifrån en cykelmodell av en bil där inget slipp antas. Regulatorn skapar två virtuella styrsignaler och via Lyapunovteori tas sedan en styrlag fram som gör att det styrda systemet blir asymptotiskt stabilt. 3.3 Real-mode För att få bilen att uppföra sig mer likt en verklig bil, så modeller framtagna till verkliga bilar fungerar, behöver bilens prestanda begränsas. Detta kan åstadkommas genom att styrsignalerna lågpassfiltreras samt gaspådrag begränsas.
Racetrack 7 4 Regulatorsystem för lastbil Lastbilens huvududuppgift är att autonomt köra runt banan och utgöra ett hinder för den snabbare bilen. Lastbilen ska kunna köras manuellt samt autonomt längs en referensbana. 4.1 Referens Referensbanan som lastbilen ska följa genereras manuellt. Referensbanan är en referens för dragbilen att följa, så marginaler på sidan om banan måste finnas då lastbilens släp genar i kurvor. Marginaler kan enkelt bestämmas genom att i simuleringar se hur släpet beter sig i de kurvor där marginaler behövs. Om möjligt kommer även två parallella referensbanor implementeras och lastbilen ska kunna följa båda av dessa. De parallella referensbanorna kommer i första hand att båda sträcka sig runt hela banan, men att parallella referensbanor bara finns på delar av banan är också en möjlighet. Referensbanan kan kompletteras med tidsstämplar för att få en referenstrajektoria men då detta inte behöver vara nödvändigt för att lastbilen ska kunna ta sig runt banan kan enklare alternativ, som att bara han en referenshastighet längs med banan, vara ett alternativ. 4.2 Regulator Regulatorns uppgift är att styra lastbilen så den följer sin referensbana och referenshastighet. Eftersom fokus i detta projekt inte ligger på att få lastbilen att följa sin referensbana på bästa sätt kommer i första hand regulatorer som redan är implementerade på bilbanan att modifieras för att passa lastbilen, mest intressant är en pure pursuit regulator samt en enkel regulator för hastigheten, förslagsvis en PI-regulator. 4.2.1 Pure Pursuit Pure Pursuit är en regleralgoritm som styr ett fordon så det följer en referensbana. Den bygger på att en punkt, kallad lookahead punkt, väljs längre fram på banan, hur långt fram är en designparameter, regulatorn väljer sedan en styrsignal så fordonet, längs med en cirkelbåge, tar sig till den punkten.[4] 4.3 Autonom körning Vid autonom körning följer lastbilen sin referensbana med hjälp av dess regulator. Om två parallella referensspår finns kommer filbyte implementeras i mån av tid. Filbyte kan göras på många sätt, det enklaste borde vara att på vissa delar av banan implementera färdiga referensspår som tar lastbilen från ett referensspår till ett annat. Om en pure pursuit regulator används bör filbyte även kunna göras genom att byte av referenspår görs direkt och sedan styr regulatorn lastbilen till det ny spåret, väljs lookahead punkten väl så bör filbytet då utföras på ett bra sätt.
Racetrack 8 5 Planerare Planerarens uppgift är att beräkna en trajektoria för bilen att följa. Detta ska göras kontinuerligt och ska möjliggöra för att olika hinder, som kan finnas på bilen referenstrajektoria, kan undvikas. Som ett första steg kommer planeraren endast att generera en referensbana för bilen att följa och bilen kommer då hålla en konstant hastighet. För att kunna göra detta kommer en algoritm enligt [1] att implementeras. Denna bygger på att imitera en människas körsätt så likt som möjligt. Detta görs genom att minimera förändring i acceleration, så kallad jerk. Ett flödesschema för hur algoritmen kommer att arbeta finns specificerat i figur 4. 5.1 Terminal manifold För att planera hur bilen ska köras läggs punkter ut i ett område, kallat terminal manifold. I detta område sprids punkter ut och trajektorier till dessa punkter beräknas med hänsyn till att minimera jerk. 5.2 Val av referenslinje När dessa trajektorier sedan finns till de olika punkterna i terminal manifold måste en utav dem väljas. Detta sker genom att alla trajektorier som bilen fysiskt inte kan följa eller som krockar med andra objekt tas bort. De kvarvarande trajektorierna utvärderas sedan enligt ett optimalitetsvilkor där avvikelse från referensen samt jerk minimeras. 5.3 Sensorer För att kunna detektera hinder krävs någon typ av sensor. Systemet har skattad information om alla fordon på banan, men för att göra det mer verkligt finns virtuella sensorer som bara ger planeraren information om dess närhet. Till en början kommer planeraren ha tillgång till all information men planeraren ska även klara att göra beslut endast med hjälp av de virtuella sensorerna.
Racetrack 9 Bestäm terminal manifold Skapa trajektorier Välj första trajektorian Kan bilen följa trajektorian? Ja Välj nästa trajektoria Nej Krockar trajektorian med något objekt? Nej Markera trajektorian som 'valid' Ja Markera trajektoria som 'invalid' Ja Finns det fler trajektorier att kontrollera? Nej Beräkna kostnadsfunktion för alla trajektorier markerade 'valid' Välj trajektoria med minst kostnad Figur 4: Flödesschema för hur planeraren kommer att jobba
Racetrack 10 6 Simuleringssystem För att kunna testa den mjukvara som skapas utan att behöva oroa sig för eventuella hårdvarufel kommer ett simuleringssystem att skapas. Systemet kommer byggas upp i V-REP som är ett program för att bygga upp virtuella miljöer och modeller för bilar och hinder. Tanken är att använda sig utav ett API som kan generera den kod som skrivits för det verkliga system in till simuleringsmiljön i V-REP. 6.1 Simuleringsmiljö I V-REP kommer två olika miljöer att byggas upp, en miljö som är uppbyggt som en motorväg och en miljö som är lik den verkliga bilbanan. Detta gör att enklare testning av ny funktionalitet kan göras på motorvägen medan tester av hela systemet kan göras på den virtuella bilbanan. Bilarna som kommer att köras i simuleringsmiljön är färdiga modeller som ingår i mjukvaran. Dessa modeller kan komma att modifieras för att få ett system likt det systemet som finns i labbmiljön. 6.2 Sensorer och styrsignaler För att kunna använda samma regulatorer och planerare i simuleringsmiljön som på det verkliga systemet ska sensorer finnas i simuleringsmiljön som efterliknar de i det verkliga systemet. På samma sätt ska styrsignaler fungera på samma sätt i simuleringsmiljö som i verkliga systemet. Simulatorns kod ska även skrivas så kod från verkliga systemet direkt fungerar i simulatorn.
Racetrack 11 7 Visualiseringssystem Visualiseringssystemet används för att, via projektorn, projicera intressant information på bilbanan. Visualiseringssystemet är implementerad sedan tidigare och har mycket användbar funktionalitet. Exempel på befintlig funktionalitet är att bilens tillryggalagda spår, varvtid och virtuella sensorer kan visas. I och med de ändringar och tillägg som kommer göras i projektet är även visualiseringssystemet i behov av uppdatering. De tillägg som ska göras är att visualiseringsystemet ska kunna projicera både bilens och lastbilens referens samt kunna rita ut de trajektorier som planeraren beräknar.
Racetrack 12 Referenser [1] Mortiz Werling, Sören Kammel, Julius Ziegler, and Lutz Gröll. Optimal trajectories for time-critical street scenarios using discretized terminal manifolds. The International Journal of Robotics Research, 2011. [2] Projektgruppen Overtaking Collective. Kravspecifikation, 2015. [3] Moritz Werling, Lutz Gröll, and Gorg Bretthauer. Invariant trajectory tracking with a full-size autonomous road vehicle. IEEE Transactions on Robotics, 2010. [4] Oskar Ljungqvist. Motion planning and stabilization for a reversing truck and trailer system. Master s thesis, Tekniska högskolan vid Linköpings universitet, 2015.