Thinking outside the [box]: jak funguje autonomní formule?

Na podzim roku 2020 představili studenti z týmu eForce FEE Prague Formula z ČVUT vůbec první českou autonomní formuli. Aktuálně jsou tak jediným českým týmem, který se účastní soutěže Formula Student v kategorii Driverless, jedné z nejprestižnějších soutěží autonomních vozů, která vznikla v roce 2017.

Téma autonomních a elektrických vozidel je v médiích skloňováno stále častěji. Světové automobilky upouští od vývoje “klasických” dieselových a benzínových motorů a elektromobily se pomalu stávají mainstreamem. Ve výbavě aut se objevují technologie jako automatické brždění, hlídání jízdních pruhů, nebo různé samořídící systémy, které s využitím robotizace a umělé inteligence zvyšují bezpečnost provozu a snižují rizika vzniku dopravních nehod. Tyto asistenční systémy se se svou úrovní často blíží autonomnímu řízení a jejich dalšímu vývoji a implementaci mnohdy brání jen nedořešená legislativa a skepticismus.

Studenti mají při vývoji svých závodních autonomních formulí velkou výhodu. Soutěž Formula Student má velmi jasná pravidla, týkající se nejen konstrukčního návrhu, ale i bezpečnosti. Legislativní potíže na závodní trati řešit nemusí. Nadšení vysokoškoláci tak do oblasti autonomních vozů přináší mnoho inovací a jejich stroje vzbuzují u veřejnosti velký obdiv. Velký zájem médií doprovázelo i představení prvního monopostu DV.01 z dílny eForce.

Monopost DV.01 vychází z úspěšné elektrické formule FSE.07, která má za sebou absolutní vítězství na domácích závodech FS Czech v Mostě. Implementace autonomního řízení do původně pilotované formule vyžadovala velké množství moderní elektroniky a náročný vývoj softwaru. Špičkové technologie, kterými samořiditelná formule disponuje, jsou velmi nákladné. Členové eForce s nimi mohou pracovat jen díky podpoře univerzity a firem, které studenty významně podporují. Významným partnerem je i společnost VM Engineering s mottem Thinking outside the [box], která se zabývá mimo jiné i strojovým viděním v podobě např. implementace kamerových systémů a senzorů pro průmyslová řešení.

Kamery a chytré senzory využívá i naše formule. Je řízená výpočetně náročnými algoritmy, které vyhodnocují data z kamer a navigačních systémů. Samotný navigační systém je tvořen třemi prvky. Pohyb a pozice vozidla je snímán pomocí inerciálního navigačního systému, což je zařízení využívající GPS, akcelerometr a sestavu gyroskopů. Prostor kolem formule snímá několik stereo kamer, což jsou kamery, které kromě barevného obrazu poskytují i hloubkový kanál. Třetím do party je senzor LiDAR, který pomocí odrazu laserových paprsků dokáže poměrně přesně určit vzdálenost okolních objektů. Algoritmy potom data z navigačních systémů zpracovávají a pomocí umělé inteligence a neuronových sítí vyhodnocují. Výsledné informace jsou následně posílány do volantu, který formuli řídí sám. O rychlé zpracování neuronových sítí se stará palubní počítač Nvidia Jetson Xavier. Má na starosti výpočet nejen samotné trajektorie, ale také ideálního výkonu motorů nebo natočení předních kol. Toto vše vypočítává tzv. Stanleyho algoritmus, který např. optimalizuje průjezd zatáčkou tak, aby se formule nedostala do smyku a zachovala si co nejvyšší rychlost.

Autonomní formule na závodních okruzích ještě zdaleka nedosahují stejných rychlostí, jako jejich člověkem pilotovaní sourozenci. Přesto jsou dosažené výsledky velkým příslibem do následujících let. Je otázkou, za jak dlouho se podaří algoritmy a výpočetní výkon optimalizovat natolik, aby se mohly na trati prohánět stejnou rychlostí. Myšlenka soutěže Formula Student ale zůstává stále stejná – zapojit studenty do praxe a umožnit jim vyzkoušet si práci s moderními technologiemi při řešení komplexních inženýrských problémů.