Domingo , Agosto 20 2017
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Modelo de control lateral y longitudinal de un vehículo para aplicaciones de conducción altamente automatizadas (HAD)

“La utilización de las herramientas hardware y software de National Instruments a facilitado y reducido los ciclos de prueba y validación en entorno simulado para su posterior implantación en entorno real.” – Javier Sánchez, Tecnalia R&I

El Reto
Implementación y validación en entorno simulado del control de un vehículo para aplicaciones de conducción altamente automatizados (HAD, Highly Automated Driving) y su utilización para el diseño de estrategias a seguir para conmutación entre modos manual y altamente automátizado ó autónomo. Siendo a la vez una simulación en tiempo real utilizando una plataforma de National Instruments.

La Solución
Aplicación en VeriStand para la simulación del modelo dinamico de un vehículo eléctrico asi como del control lateral y longitudinal automatizado sobre plataforma NI PXIe-1082. La aplicación está compuesta por tres módulos principales (el módelo dinámico del vehículo eléctrico, el control autónomo del vehículo y el módulo de visualización junto al HMI).

Introducción
Este trabajo se enmarca en las actividades que desde el centro tecnológico Tecnalia R&I se vienen realizando en relación con el desarrollo de nuevos sistemas de transporte inteligente (ITS, Intelligent Transportation Systems). Los desarrollos están centrados principalmente en servicios y tecnologías que utilizan un alto nivel de automatización en el control lateral y longitudial de los vehículos. Estos servicios incluyen desde el transporte rápido de personas (PRT, Personal Rapid Transit) hasta los servicios de convoy automatizados (PLT, Platooning).

Arquitectura
Dentro de estas actividades se ha desarrollado una aplicación programada en LabVIEW RT y otros lenguajes de programación. La aplicación está compuesta de tres módulos: el módulo del modelo dinámico del vehículo, el módulo autónomo y el módulo de visualización.

Módulo del modelo dinámico del vehículos
Dentro de esta actividad se ha optado por utilizar el modelo dinámico DYNACAR para la prueba y validación del control autónomo del vehículo. Estas pruebas se desarrollan en un entorno completamente simulado. DYNACAR representa a un modelo completo de vehículo de carretera, desarrollado en LabVIEW Real-Time, el cual posibilita a ingenieros de automoción a diseñar y probar todo tipo de subsistemas relacionados con los vehiculos en un entorno completo y configurable. El modelo DYNACAR puede ser utilizado a lo largo de todo el proceso de diseño, permitiendo el prototipado rápido, implementación y testeo en tiempo real de elementos de control electrónico (ECU). Combinado con VeriStand, es posible integrar al modelo dinámico del vehículo algoritmos de control y modelos de simulación generados en otros lenguages de una manera sencilla. Algunos de los parámetros que proporciona el modelo DYNACAR al módulo de control autónomo son la posición del vehículo, el vector de velocidad, el vector de aceleración o el Yaw Rate entre otros.

Módulo de control autónomo
El módulo de control autónomo es el encargado de transformar las consignas de misión de alto nivel en comandos de controlcapaces de ser entendidas por un vehiculo terrestre , al mismo tiempo que tiene la capacidad de gestionar los posibles incidentes que puedan surgir a lo largo del trayecto (obstáculos estáticos, peatones en movimiento, etc…). El módulo de control autónomo esta formado a su vez por tres submódulos (Router, Seguidor y Adaptador). Cada uno de estos submódulos resuelve los problemas inherentes a su nivel de abstracción correspondiente.

Router
El router es el encargado de generar la misión, para ello un usuario seleccionara la ruta a seguir por el vehículo partiendo de un origen y un destino, y generando los comandos de alto nivel capaces de ser entendidas por el resto de modulos. Este módulo dispone de información de incidencias en carretera encargándose de las estrategias gestionadas por un sistema de decisiones basado en técnicas de Inteligencia Artificial (IA).

Seguidor
El seguidor se basa en las consignas recibidas desde el router. El seguidor procesa la información recibida y la transforma en cosignas entendibles por el adaptador y en algunos casos directamente por el modulo de vehiculo (DYNACAR). Al mismo tiempo, el seguidor filtra la información recibida y le proporciona al adaptador la información que tiene que procesar siendo esta una pequeña parte de lo recibido del router. El seguidor también es el encargado de crear los puntos intermedios que el vehículo debe seguir utilizando técnicas de interpolación. Además, se encarga de gestionar la estrategia a seguir frente a incidencias de corto-medio alcance que puedan surgir en la ruta prevista por el vehículo, generando variaciones para sortear obstáculos o evadir eventos de otra naturaleza que aparezcan en el trayecto.

Adaptador
La principal finalidad del adaptador es la de generar los comandos específicos de control lateral (consignas de volante) y longitudinal (consignas de aceleración, freno y marcha) del vehículo que esta siendo utilizado. Mediante el módulo adaptador se implementan las especificaiones del control del vehículo a la hora de realizar maniobras, de manera que las capas router y seguidor pueden ser utilizados sin necesidad de ser modificados para cada vehiculo en particular. Hace frente a algunas incidencias de corto alcance y se encarga de reaccionar y generar directamente las maniobras de evasión necesarias sin tener que esperar a los comandos del seguidor, minimizando así el tiempo de respuesta del vehículo frente a estas situaciones.

Módulo de visualización y HMI
El módulo de visualización es fundamental a la hora de trabajar en un entorno simulado. Se encarga de recoger la información generada por el módulo DYNACAR (posición, velocidad, aceleración, etc…) y visualizar el vehículo en un entorno tridimensional. Los modelos de escenario y vehículo se cargan a partir de ficheros y todo se ejecuta en un entorno generado por el motor gráfico UNITY. Adicionalmente, el módulo de visualización permite conectar un volante (G27 de Logitech) y su respectiva pedalera para poder controlar el vehículo. Esto permite el desarrollo de estrategias a seguir para crear una transición desde el modo manual a totalmente autónomo sin poner en riesgo a personas ni materiales. Mientras que el modelo dinámico y el módulo de visualización permiten validar el control autónomo del vehículo en un entorno simulado, el módulo de control autónomo de vehículo hace uso del módulo de comunicaciones CAN (NI PXI-8513 CAN/XS) permitiendo probar el control autónomo de un vehículo eléctrico real. La siguiente figura muestra el esquema de configuración de los elementos utilizados en este trabajo.

Conclusión
Esta aplicación se esta utilizando en el control autónomo de un vehículo eléctrico. La utilización de las herramientas hardware y software de National Instruments a facilitado y reducido los ciclos de prueba y validación en entorno simulado para su posterior implantación en entorno real. Gracias a la herramienta NI VeriStand se ha incorporado de manera sencilla el control lateral y longitudinal autónomo desarrollado en un lenguje de modelación de terceros al proyecto desarrollado en LabVIEW utilizando la plataforma PXI. Además la posibilidad de simular el control autónomo en un entorno virtual.  


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