Inteligentní konvoje – spolupráce nad autonomií

Při mediálně vděčné prezentaci problematiky autonomních vozidel zůstává často stranou jedna zásadní vlastnost autonomních automobilů – schopnost komunikace a spolupráce s jinými vozidly či pevnou infrastrukturou. Přitom tato idea je jen o málo mladší než automobilismus sám – objevila se v literatuře nejpozději v roce 1940 v dnes online volně dostupné Geddesově knize Magic Motorways. Od té doby vznikl nespočet akademických i průmyslových výzkumných projektů, z nichž mnohé dokonce úspěšně demonstrovaly funkčnost při experimentech, a přesto jsme dosud nebyli svědky masového nasazení spolupracujících vozidel.
Vypadá to však, že v poslední dekádě se situace mění. Dvěma hlavními důvody pro optimismus jsou rozvoj bezdrátových komunikačních technologií a obrovský nárůst palubní výpočetní síly. Národní i mezinárodní standardizační organizace si již rezervují frekvence okolo 5,9 GHz právě pro účely bezdrátové komunikace mezi automobily (a mezi automobily a infrastrukturou). V USA pod označením IEEE WAVE a v EU pod názvem ETSI ITS-G5 tyto standardy realizují vyšší vrstvy pro standard IEEE 802.11p, rozšiřující známou WiFi komunikaci právě pro komunikaci mezi automobily či mezi automobilem a pevnou infrastrukturou. Podle tiskových prohlášení některých automobilek budou takové komunikační systémy patřit do základní výbavy automobilů již během pár let.
Jednou z oblastí, kde je komunikace mezi vozidly naprosto zásadní, Inteligentní konvoj autonomních autodráhových autíček vyvíjený ve skupině AA4CC na FEL ČVUT.
rozestupy i jen pár metrů na sebe navzájem automaticky reagují (minimálně vyhodnocují změřenou vzdálenost k předchozímu automobilu – adaptivní tempomat) či spolu dokonce i komunikují (například lídr celého konvoje informuje ostatní o svém záměru zvýšit rychlost, nebo předchozí vůz posílá svému následovníkovi informaci, že se samo chystá brzdit – kooperativní adaptivní tempomat). Problém byl zkoumán velkou řadou akademických i průmyslových výzkumníků v řadě projektů. Z nejviditelnějších projektů poslední doby to byl EU projekt SARTRE, SCANIA Platooning a od osmdesátých let ve Spojených státech běžící program PATH.
Do výzkumu fundamentálních zákonitostí při řízení konvojů vozidel jsme se zapojili i na katedře řídicí techniky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. V nedávno obhájené dizertaci Iva Hermana jsme zkoumali, jak se zhoršuje dosažitelná kvalita řízení s rostoucím počtem vozidel v konvoji. Matematicky jsme dokázali, že není možné garantovat stabilitu konvoje při použití pouze adaptivního tempomatu – u delších konvojů je možné sledovat nebezpečné oscilace připomínající rozpínání a stlačování akordeonu.
V dizertační práci Dana Martince jsme studovali, jak lze oscilace konvojů vozidel vysvětlit jako složení proti sobě jdoucích postupných vln. Tento modelovací přístup nás pak navedl i na originální princip efektivního utlumení oscilací pohlcením postupné vlny vozidly.
V habilitační práci Zdeňka Huráka pak popisujeme, jak v takových analýzách využít analogie mezi konvojem složeným z komunikujících vozidel a systémem složeným z fyzikálně interagujících podsystémů, jako jsou pružné mechanické konstrukce, žebříčkové elektronické filtry nebo hydraulické kaskády. Tato schopnost rozpoznat v různých úlohách jejich společnou strukturu otevírá možnosti pro využití teoretických výsledků z oborů, které spolu na první pohled nesouvisejí.
Ve zmíněných pracích a na webu skupiny aa4cc.dce.fel.cvut.cz lze najít i odkazy na články publikované v prestižních mezinárodních časopisech jako IEEE Transactions on Automatic Control či IFAC Automatica.
Aby náš inženýrský výzkum nezůstával jen u teoretických analýz, vyvinuli jsme i experimentální platformu pro ověřování a demonstraci některých fundamentálních výsledků pro inteligentní konvoje. Je založena na běžné autodráze, přičemž jsme jednotlivá autíčka osadili výkonným palubním počítačem (původně Raspberry Pi, nově BeagleBone Blue), bohatým senzorickým systémem (měření vzdálenosti k předchozímu i následujícímu autíčku, odometrie, zrychlení, úhlová rychlost) i komunikačním rozhraním (WiFi). Experimenty prováděné s touto levnou platformou kopírují vlastní teoretická zjištění i experimenty prováděné jinými výzkumníky s reálnými automobily.