CoCar NextGen: Avanzando la Ricerca sulla Guida Automatizzata

I test nel mondo reale sono fondamentali per il successo della guida automatizzata. Molte aziende creano veicoli speciali per i test, ma noi abbiamo costruito una piattaforma modulare che può adattarsi a tantissimi scenari diversi. Questa piattaforma, chiamata CoCar NextGen, ha hardware avanzato che può gestire casi d'uso futuri. Il suo gran numero di Sensori permette di sviluppare metodi che funzionano con diversi tipi di sensori. La possibilità di usare questo su strade pubbliche la rende uno strumento di ricerca unico che aiuta a portare la guida automatizzata al livello più alto di sicurezza (SAE Level 5).

#Importanza dei Veicoli di Test per la Guida Autonoma

I veicoli di test per la guida autonoma sono fondamentali per l'innovazione in questo settore. Sono dotati degli ultimi sensori che li aiutano a vedere e comprendere l'ambiente circostante. Non si tratta solo di allestimenti hardware; fungono da veri e propri laboratori nel mondo reale. Aiutano a collegare le teorie con le applicazioni pratiche, fornendo uno spazio controllato dove i sistemi di guida possono essere testati, perfezionati e validati. Per valutare questi sistemi, abbiamo bisogno di una piattaforma che possa operare in condizioni reali. Questo include vari componenti, dai sensori a software complessi per la pianificazione e la percezione.

CoCar NextGen è stata presentata per la prima volta a una conferenza a Bilbao, mostrando le sue capacità avanzate. Mentre i grandi produttori possono impiegare più veicoli di test specializzati, un'istituzione di ricerca come la nostra spesso opera con un solo veicolo per affrontare scenari di ricerca diversi. Questo ci ha portato a progettare un veicolo con la massima flessibilità, concentrandoci su interfacce standardizzate.

#Casi d'Uso per CoCar NextGen

La nostra piattaforma è progettata per molti compiti, tra cui:

• Registrare dati del mondo reale
• Testare software di guida automatizzata in un circuito controllato
• Comunicare con infrastrutture intelligenti
• Studiare come gli utenti accettano e vivono queste tecnologie

Per supportare questi compiti vari, la configurazione hardware del nostro veicolo è complessa. Non deve essere vista come un semplice allestimento per la guida automatizzata; piuttosto, è una piattaforma per una ricerca continua. Questa ampia capacità offre opportunità per studiare diversi tipi di sensori che lavorano insieme.

#Veicoli di Test Esistenti nel Settore

Il settore dei veicoli automatizzati è cambiato rapidamente. Numerose organizzazioni, come università e case automobilistiche tradizionali, stanno attivamente ricercando nuove tecnologie. Inoltre, cresce l'interesse da parte di startup, grandi aziende tecnologiche e altri attori che mirano a sviluppare auto a guida autonoma.

In questo campo, esistono numerose strategie per creare veicoli e configurazioni di sensori. Molti produttori affermati e startup si concentrano su design di veicoli più semplici. I loro prototipi sono spesso costruiti per somigliare a veicoli di produzione, poiché hanno interessi commerciali in mente. Un esempio notevole è Tesla, che ha eliminato alcuni sensori costosi per ridurre i costi.

Anche i produttori noti hanno prototipi che esplorano tecnologie meno convenzionali. Tuttavia, molti dettagli su questi veicoli rimangono riservati. Al contrario, startup come Waymo e Cruise offrono un'idea dei loro design di veicoli, mostrando più sensori che coprono il loro ambiente. Questi veicoli fungono sia da prototipi che da strumenti per la raccolta di dati.

I veicoli da ricerca delle università e delle organizzazioni non profit mirano spesso a una ricerca di base piuttosto che a un uso pratico immediato. Di solito, sono costruiti per compiti specifici. Ad esempio, AnnieWAY, che raccoglie dati per famosi dataset, ha un allestimento focalizzato sulla percezione e localizzazione. Un altro esempio è Bertha, sviluppata dal Karlsruhe Institute of Technology e Daimler, che mirava a navigare autonomamente un percorso prestabilito.

Questi esempi evidenziano che i veicoli specializzati spesso risolvono sfide singolari. Potrebbero non supportare una ricerca ampia attraverso diversi scenari. D'altra parte, il veicolo EDGAR dell'Università Tecnica di Monaco è stato creato come piattaforma di ricerca a scopo generale. La sua robusta configurazione di sensori consente varie attività, anche se ha alcune limitazioni nella capacità computazionale per applicazioni complesse.

#Considerazioni di Progettazione per CoCar NextGen

Il lavoro della nostra istituzione abbraccia vari aspetti della guida autonoma, tra cui navigazione, percezione e pianificazione. Quindi, avevamo bisogno di un veicolo in grado di gestire un'ampia gamma di compiti. Questi compiti includono:

• Raccogliere dati sensoriali
• Testare componenti software
• Guidare in modo cooperativo con altri veicoli e infrastrutture

I nostri scenari di guida comprenderanno tutto, dalle aree urbane alle autostrade. Questo richiede una configurazione sensoriale che possa funzionare bene in varie condizioni e ambienti. Il veicolo deve anche funzionare senza segnali GPS, e intendiamo condurre test in tutte le condizioni meteorologiche, inclusa pioggia e nebbia. Inoltre, il veicolo deve essere approvato per l'uso su strada.

Il software installato sul veicolo spazierà da applicazioni ad alte prestazioni ad algoritmi di machine learning. Il nostro software è modulare, quindi è importante avere una piattaforma di calcolo flessibile in grado di elaborare i dati in arrivo. Questa piattaforma deve essere generale, consentendo a diversi software di funzionare in modo efficiente.

Stiamo cercando un design che soddisfi le esigenze di ricerca attuali e future. Questo significa che il veicolo deve essere abbastanza modulare da consentire aggiornamenti futuri facilmente. Scegliere il veicolo di base giusto è essenziale per raggiungere i nostri obiettivi.

I vincoli di spazio sono stati una considerazione significativa, poiché avevamo bisogno di spazio per vari componenti. La maggior parte dei nostri test si svolge in aree urbane con altezze di garage basse che limitano le dimensioni dei veicoli. Pertanto, i SUV sono spesso troppo alti, portandoci a scegliere un veicolo station wagon più grande. Questo design consente un migliore raffreddamento dell'aria dei componenti e più spazio per compiti di sviluppo.

La scelta del sistema di propulsione è stata altrettanto critica. Il nostro lavoro prevede molti viaggi brevi e lunghi periodi in cui il veicolo rimane fermo mentre si lavora sul software. Questo ha reso i motori diesel poco adatti poiché non funzionano bene su distanze brevi. Anche se abbiamo considerato i veicoli elettrici, nessuno era disponibile nella misura desiderata con potenza sufficiente. Abbiamo infine scelto un veicolo ibrido elettrico plug-in, specificamente l'Audi A6 Avant 50 TFSI e quattro.

#Configurazione dei Sensori per CoCar NextGen

Per il CoCar NextGen, abbiamo mirato a fornire una copertura estesa dell'ambiente circostante con i sensori. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo utilizzato una nuova tecnica per valutare i punti ciechi e la copertura dei sensori, che utilizza dati di simulazione.

Ogni tipo di sensore sul veicolo offre una vista a 360 gradi, e abbiamo lavorato per ridurre al minimo i punti ciechi durante lo sviluppo. Molti sensori sono posizionati sul tetto per evitare interferenze con altri utenti della strada e per semplificare le attività che richiedono l'integrazione dei dati provenienti da diversi sensori.

La nostra configurazione di sensori include:

• 6 scanner LiDAR 4D
• 4 sensori LiDAR 360 a medio raggio
• 2 sensori LiDAR 360 a lungo raggio
• 9 telecamere Full-HD
• 3 sensori radar 4D
• 1 sistema GNSS ad alta precisione con IMU
• 1 unità V2X a bordo con Comunicazione 5G

La maggior parte di questi sensori è stata posizionata sul tetto per consentire flessibilità nell'aggiornamento o nell'aggiunta di nuovi sensori facilmente. Questa disposizione semplifica anche la manutenzione.

#Sensori LiDAR

La nostra ricerca si concentra fortemente sulla percezione basata su LiDAR. A differenza delle organizzazioni che necessitano di allestimenti economici, il nostro obiettivo è la flessibilità. Pertanto, il nostro allestimento LiDAR include una varietà di sensori, posizionati con cura per garantire punti ciechi minimi.

Il primo gruppo consiste in sensori installati nel telaio del veicolo per un'efficace rilevazione degli oggetti. Permettono di rilevare a un'altezza ottimale, bilanciando la visibilità a breve distanza con quella a lungo raggio. Abbiamo sei sensori LiDAR 4D che forniscono un campo visivo a 360 gradi, con la capacità di misurare la velocità, migliorando la quantità di informazioni utili.

Il secondo gruppo include quattro sensori LiDAR 360 Ouster OS1 posizionati agli angoli del tetto. Questo allestimento ridondante consente opportunità di ricerca diversificate, mantenendo alta precisione e basso rumore.

Il terzo gruppo di sensori si concentra sulla localizzazione utilizzando LiDAR. Due sensori Ouster OS2 a lungo raggio situati sul portapacchi vengono utilizzati per rilevare oggetti statici, come edifici.

#Configurazione delle Telecamere

Per ottenere una visione completa dell'ambiente, abbiamo incluso diverse telecamere con angoli e lunghezze focali diverse. Ci sono tre telecamere frontali per una vista ampia e buoni dettagli a distanze maggiori. Inoltre, abbiamo telecamere posizionate su ciascun lato del veicolo per ridurre i punti ciechi, oltre a una sul retro.

La configurazione delle telecamere lavora a stretto contatto con i sensori LiDAR, riducendo gli errori quando si integrano i dati provenienti da entrambi i sistemi. Questa configurazione aiuta a snellire il processo di etichettatura dei dati.

#Sensori Radar

Per migliorare ulteriormente le misurazioni dei sensori, abbiamo integrato sensori radar. Questi sensori avanzati hanno capacità che eccellono in condizioni meteorologiche avverse, rendendoli preziosi per vari scenari di guida. Due sensori sono posizionati davanti e uno dietro.

#Comunicazione e Interfaccia Utente

Il CoCar NextGen non serve solo come piattaforma sensoriale, ma anche come veicolo dimostrativo. È equipaggiato per comunicare con altri veicoli intelligenti e infrastrutture connesse. Questo include sistemi di comunicazione avanzati come LTE e 5G.

L'Interfaccia Uomo-Macchina (HMI) è progettata per fornire vari display per i passeggeri e integrazione con fonti esterne. Questo consente agli utenti di accedere facilmente a informazioni e controllare diverse funzioni del veicolo.

#Piattaforma di Calcolo ad Alte Prestazioni

Il cuore del nostro veicolo da ricerca è una potente piattaforma di calcolo che elabora i dati dei sensori e gestisce software complessi. Abbiamo scelto un server standard che esegue un sistema operativo Linux per la sua flessibilità.

Utilizzare un server di calcolo centralizzato semplifica l'elaborazione dei dati e riduce i ritardi. Questo approccio consente una comunicazione più efficace tra i vari componenti software, essenziale per compiti di guida automatizzata in tempo reale.

Il server è dotato di processori e schede grafiche ad alte prestazioni per gestire calcoli impegnativi. Inoltre, utilizziamo più unità a stato solido per la registrazione dei dati per garantire ampio spazio di archiviazione e accesso rapido ai dati.

#Configurazione della Rete

Il nostro veicolo include un design di rete completo per gestire i grandi volumi di dati generati dai sensori. Il server principale si collega a uno switch centrale, consentendo una trasmissione dei dati efficiente.

Per sincronizzare con precisione i dati tra tutti i sensori, utilizziamo un sistema di temporizzazione preciso basato su segnali GPS. Questo assicura che i dati raccolti siano coerenti e possano essere analizzati in modo efficace.

#Sistema Drive-by-Wire

Per facilitare la guida automatizzata, abbiamo installato un sistema drive-by-wire. Questo sistema controlla lo sterzo e altre funzioni del veicolo. È progettato con la sicurezza in mente, permettendo un override manuale in qualsiasi momento, se necessario.

#Sistema di Gestione dell'Energia

Il CoCar NextGen presenta un sistema di alimentazione sofisticato. Si alimenta principalmente da una batteria situata nel bagagliaio, fornendo energia a vari componenti. Il sistema è progettato per supportare sia operazioni mobili che stazionarie, assicurando che il veicolo possa operare per lunghi periodi senza interruzioni.

#Gemello Digitale e Dati di Esempio

Per mostrare le capacità della nostra piattaforma, abbiamo creato un gemello digitale del CoCar NextGen. Questo modello virtuale aiuta a convalidare le posizioni dei sensori e le prestazioni del veicolo. Inoltre, forniamo dati di esempio provenienti da vari sensori per consentire ad altri di valutare l'efficacia del sistema.

#Conclusione

Abbiamo presentato il nostro veicolo di ricerca modulare per la guida automatizzata, progettato per supportare un'ampia gamma di scenari e compiti di ricerca. Con un ampio set di sensori e una piattaforma di calcolo avanzata, il CoCar NextGen contribuirà significativamente alla valutazione del software per la guida altamente automatizzata in situazioni reali. Man mano che procediamo, miriamo a fornire un dataset etichettato che migliorerà ulteriormente le capacità di ricerca in questo campo.