Tým složený ze studentů a akademických pracovníků katedry vozidel a motorů FS TUL a Oddělení vozidel CXI TUL zkonstruoval autonomní vozidlo pro přepravu nákladů v obtížných podmínkách, které zaujalo i hodnotitele Evropské komise. Při návrhu využíval moderní přístupy v konstruování, jako je například topologická optimalizace.
Technická univerzita v Liberci (TUL) vstoupila už v roce 2022 do elektromobilní platformy pro Českou republiku a od ledna 2024 se stává i členem řídicího výboru. Problematice elektromobility se tak bude věnovat společně se silnými lídry, jako jsou mimo jiné například Škoda Auto, ČEZ, Pražská energetika nebo ČVUT Praha. Cestu jí otevřely studijní programy zaměřené nejen na tradiční, ale i nové směry technického vzdělávání a také úspěšně ukončený mezioborový projekt Modulární platforma pro autonomní podvozky specializovaných elektrovozidel pro dopravu nákladu a zařízení (ANTeTUL), který podpořila Evropská unie a MŠMT ČR prostřednictvím Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání.
Jedním z výsledků projektu je funkční model/demonstrátor autonomního vozidla pro přepravu nákladů v obtížných podmínkách. Projekt vybrala Evropská komise mezi finalisty prestižní soutěže „Regiostars 2023“, jež oceňuje nejlepší projekty podpořené z evropských fondů.
Samořiditelná plošina se prosadila mezi 228 konkurenty z celé Evropy
Evropská komise už 15 let vyhlašuje soutěž Regiostars, a propaguje tak projekty financované z evropských fondů (v rámci programu podpory přeshraniční spolupráce Interreg Europe). Vyhodnocení posledního ročníku se konalo 16. listopadu 2023 v Ostravě a z 228 uchazečů bylo v šesti kategoriích vybráno 30 finalistů, mezi nimi i čtyři české projekty. (Jedno ze šesti ocenění získala česká nezisková organizace ProFem, která usiluje o zlepšení situace v oblasti domácího a sexuálního násilí.)
Liberecký projekt ANTeTUL, představující samořiditelnou modulární platformu ANTeTUL pro práci na různých pracovištích i v terénu, zařadila Evropská komise v kategorii A Connected Europe, kde se s ním o cenu Regiostars ucházely ještě další čtyři mezinárodní projekty: Danube Cycle Plans (Interreg Danube), Diglogs (Interreg Italy-Croatia), Dynaxibility4CE (Interreg Central Europe) a Interreg Central Baltic. Mezioborový tým pracoval na projektu pod vedením doc. Michala Petrů, vedoucího Katedry částí a mechanismů strojů Fakulty strojní (FS TUL) a Oddělení pro výzkum Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI TUL), od 1. září 2018 a ke 30. lednu 2022 byl projekt oficiálně ukončen.
„Začátkem května 2023 jsme byli vyzváni ze strany MŠMT, abychom podali přihlášku do národního kola soutěže. V něm hodnotitelé v České republice vybrali čtyři projekty, které reprezentovaly Českou republiku v předkole, ze kterého pak Evropská komise vybrala finalisty. To, že jsme byli zařazeni do finále prestižní soutěže Regiostars 2023 a v naší kategorii pak mezi pět nejlepších evropských projektů, svědčí o tom, že naše ANTeTUL je významným výzkumným úspěchem. Projekt jsme obhajovali v Bruselu v rámci Evropského víkendu. Nezískali jsme sice první cenu, ale, jak řekla eurokomisařka Elisa Ferreirová, z těch pěti vybraných lze za vítěze označit prakticky všechny,“ říká doc. Petrů.
Autonomní platforma určená pro přepravu nákladů
V projektu ANTeTUL se mezioborový tým nezaměřil na autonomní vozidlo pro silniční provoz, ale na elektromobilitu, která bude pomáhat lidem a zvyšovat jejich bezpečnost na různých pracovištích a v terénu.
„Stanovili jsme si čtyři výzkumné záměry: vývoj lehkých materiálů pro rámové konstrukce a další konstrukční díly, řízení postavené na hybnosti jednotlivých kol s využitím elektropohonů, bateriový management a autonomní řízení,“ přibližuje projekt doc. Petrů s tím, že tým postupně vyvinul tři inovativní generace autonomní elektrické užitkové platformy. Nesou označení Generace 0, které předcházela Generace 0‘ (derivace nuly) o velikosti dětského autíčka, na kterém se autonomie testovala, a ověřená data pak byla použita při vývoji podstatně větší platformy Generace 1 o rozměrech 3 850 × 1 925 × 1 005 mm. Tato užitková autonomní elektrická platforma je určena pro přepravu nákladu ve velkých halách, skladištích, ale například i v dolech a na polích či v lesích v nerovném terénu a na nezpevněné půdě. Váží kolem jedné tuny a uveze minimálně stejně těžký náklad. Je naprogramována na rychlost kolem 40 km za hodinu, ale v těžkém terénu se musí samozřejmě pohybovat pomaleji.
Lehká konstrukce, unikátní převodovka
Celá konstrukce vozidla byla od počátku navrhována s cílem dosažení nízké hmotnosti. Tým složený ze studentů a akademických pracovníků katedry vozidel a motorů FS TUL a Oddělení vozidel CXI TUL využíval při návrhu moderní přístupy v konstruování, jako je například topologická optimalizace.
„Při konstrukci ramen nápravy a těhlice nám topologická optimalizace pomohla dosáhnout významné úspory hmotnosti dílů a zároveň zachovat pevnostní vlastnosti dílů,“ konstatuje vedoucí katedry Ing. Robert Voženílek, Ph.D.
V konstrukci rámu jsou využity svařence z hliníkových slitin a svařence z vysokopevnostních chrom-molybdenových trubek. Část rámu je tvořena i kompozitovými prvky, jedná se o hybridní kompozit (kombinace různých vláken, například uhlíkových, skleněných nebo textilních). Hybridní kompozit rámu byl doplněn nanočásticemi popílku, které v malém procentuálním poměru výrazně zvyšují elastické vlastnosti použitého materiálu. Požadavkům odlehčené konstrukce vyhovuje také malá jednostupňová převodovka bez diferenciálu s netypickými spoji v podobě lepených kol na hřídel.
„Vyvinuli ji naši studenti. V konstrukci využili ozubená kola, která se používají v převodovkách běžných osobních automobilů, významnou měrou ale přispěli ke snížení celkového objemu převodovky zhruba o čtvrtinu ve srovnání s obdobnými komerčně dostupnými převodovkami. Tato převodovka je kompaktní a je doslova šitá na míru autonomní platformě,“ konstatuje dr. Voženílek.
Bateriový management, nový způsob uložení článků
Významný podíl hmotnosti platformy činí baterie, podle Ing. Pavla Jandury, Ph.D., z FM TUL zhruba třetinu. Je ale otázkou, jak se budou baterie do budoucna vyvíjet, jaké boxy se pro ně budou dělat a do čeho je bude potřeba ukládat. Vědecký tým neměl podle Pavla Jandury v plánu vyvíjet nový elektrochemický design baterie. Zaměřili se na to, jak nejlépe využít známé technologie skladování elektrické energie a jejich adaptace pro konkrétní praktické využití užitkových platforem, a to s ohledem na dosažení požadované kapacity a výkonu pro danou aplikaci.
„Jedním z cílů tohoto vývoje bylo najít způsob, jak bateriové články udržet při optimální teplotě. Chceme, aby baterie byla mechanicky odolná a přitom lehká a aby obsahovala účinný teplotní management. V rámci řešení projektu lze dosáhnout až 40% úspor hmotnosti u vybraných komponent bateriového boxu. Podařilo se nám vyvinout nový způsob uložení bateriových článků prismatického formátu pomocí metod 3D tisku a kompozitních materiálů využívajících ultratenké a vysoce výkonné quadriaxiální textilie. Během řešení projektu byla ověřena možnost využití elektrických vlastností uhlíkových textilií ve funkci topného elementu. Díky tomu se podařilo zlepšit určité parametry baterie tak, aby platforma byla schopna dosáhnout požadovaného dojezdu,“ říká dr. Jandura. Připouští však, že problém nasazení kompozitních materiálů tkví ve zvládnutí technologie masové výroby požadovaných tvarů.
Obecně dnes kalkulace stále nevychází příznivě ve srovnání se zavedenými konvenčními metodami designu a výroby s využitím lehkých kovových materiálů. „Nicméně je třeba poukázat na skutečnost, že toto platí pro případ pozemních elektrických vozidel, kde výsledná hmotnost bateriového boxu či celého vozidla není kritická pro jeho praktickou aplikaci. Pokud se přesuneme do oblasti létajících prostředků, typicky kategorie eVTOL, tak zde naopak hmotnost hraje roli zcela klíčovou, kde extrémně lehké a přitom pevné kompozitní materiály jsou dosud jediným technickým řešením pro praktickou realizaci takovýchto dopravních prostředků,“ podotýká a zároveň připomíná, že dojezd je proměnná veličina závislá nejen na energii uložené v baterii, ale také na tom, jak je auto zatížené, v jakém jede terénu a jaké panuje počasí a povětrnostní podmínky.
„U pozemních vozidel obecně je závislost dojezdu významně ovlivněna podmínkami. Provoz platformy po zpevněném a rovném povrchu bude z hlediska spotřeby energie významně odlišný než v lese či v dolech a kopcovitém terénu těžkém na přejezd, kde ujetá vzdálenost může výrazně klesnout. Bateriový box je koncipován tak, aby v principu bylo auto schopno ujet zhruba 100 km,“ upřesňuje dr. Jandura s tím, že celý systém je možné upravit pro konkrétní prostředí. Na rovném terénu je účelné vozidlo odlehčit snížením počtu baterií bez omezení jeho funkčnosti a výkonu.
Několikaúrovňové řízení
Jedná se o vozidlo vybavené řadou „smyslů“ čili senzorických systémů. Díky nim a díky několikastupňovému řídicímu systému je toto vozidlo vybaveno jistou mírou autonomie, tedy schopností se samo „rozhodovat“ a samo sebe řídit.
Řídicí systém má několik hierarchických rovin, kdy, laicky řečeno, vyšší rovina dává nižším vrstvám řízení povely a určité prvky autonomního chování.
Například konstrukce podvozku je řešena tak, že vozidlo je děleno symetricky na čtvrtiny — každé ze čtyř kol má samostatný servopohon pro směrové řízení i vlastní systém odpružení. To poskytuje vozidlu výborné manévrovací schopnosti i na malém prostoru.
„Každé kolo dostává z vyšší vrstvy povel, aby se natočilo do správné polohy a zatočilo požadovaným směrem. Tyto povely generuje řídicí systém na základě vyhodnocení kombinovaných dat z různých senzorů, kterými vozidlo vnímá své okolí. Zároveň vyšší vrstva určuje požadovanou rychlost. Všechno směřuje k tomu, aby byl splněn konkrétní globální cíl. A jeho splnění závisí na tom, jakým způsobem je zadaný, a na konkrétních povelech, které tato vyšší vrstva dává,“ vysvětluje doc. Jaroslav Hlava z FM TUL s tím, že během vývoje vozidla se experimentovalo s velkým počtem různých senzorických systémů, mj. například s řadou různě natočených kamer: klasických videokamer i hloubkových kamer, s jejichž pomocí je možné získat údaj o poloze vozítka i v situaci, kdy není k dispozici signál GPS. Tedy ve vnitřních prostorách nebo v úzkých průjezdech mezi vysokými budovami, které jsou typické pro průmyslové areály.
Tyto experimenty byly prováděny zejména na Generaci 0, která byla cíleně vyvinuta pro snadné předběžné ověřování různých strategií řízení přenositelných posléze na konečnou platformu Generace 1. Na základě informace o poloze je možné vozidlo řídit ve zpětnovazební smyčce tak, aby sledovalo požadovaný průběh dráhy a projelo operátorem zadanými souřadnicemi v rámci prostoru, kde se pohybuje.
„Alternativou k tomuto přístupu je sledovací mód řízení, kde vozidlo sleduje člověka, popřípadě jiné vozidlo či jiný pohybující se objekt. K tomuto účelu byla použita ultraširokopásmová (UWB) technologie, umožňující získat informaci o poloze sledovaného objektu či člověka pomocí mikrovlnného signálu s velmi nízkým výkonem, což je výhodné z hlediska elektromagnetické kompatibility. Obě varianty řízení lze spojit s využitím lidarových snímačů, které skenují prostor před či za vozidlem a poskytují informace o statických či dynamických překážkách. Jelikož řídicí systém má k dispozici matematický model vozidla, může odhadnout, zda překážku lze objet, nebo zda jedinou možnou reakcí je už jen bezpečné zastavení,“ říká doc. Hlava.
A jak připouští doc. Petrů, informace nemusí být zpracovány pouze systémy na palubě vozidla. Mohou být předány dále do nadřazeného cloudu, který tak dostane informaci o komplikované situaci a pokusí se ji vyřešit. Nabízí se také výzva řešit schopnost platformy komunikovat s jinými systémy a v podstatě vytvořit robotické autonomní týmy, kde se budou jednotlivé systémy v aktivitách střídat.
Vyvinuli vlastní software
K ovládání platformy byl v Liberci vyvinut vlastní software, který má, jak je zřejmé již z předchozího textu, několik rovin.
Nedílnou součástí je cloudová nadstavba zajišťující vyhodnocení vybraných signálů v reálném čase a predikci požadovaných zásahů do řízení s využitím principů strojového učení. V cloudu se také soustředí kompletní zaznamenávání telemetrických dat a webové uživatelské rozhraní pro sledování a vzdálenou správu autonomního vozidla.
Druhou rovinou je řízení přímo na palubě vozidla, zajišťující bezpečný pohyb vozidla na trase. Vývoj řízení na této úrovni probíhal s využitím prostředí Matlab/Simulink. „V něm je možné velmi pružně zasahovat do struktury řídicího systému, přičemž implementace do řídicího systému přímo na palubě vozidla využívá možností automatického generování kódu přímo z tohoto prostředí bez nutnosti zdlouhavého a nepružného ručního programování,“ upřesňuje doc. Hlava.
Schematické znázornění funkčnosti řídicího systému Follow-me
Dva režimy
V rámci vývoje řídicího systému byly vyvíjeny a testovány dva základní režimy provozu: sledování zadané dráhy z bodu A do bodu B a režim Follow-me („Následuj mne“) čili sledování člověka, popřípadě pohybujícího se objektu.
„Cílem dosažení autonomnosti při sledování dráhy je pak dosažení chování, kdy na trase nemusí nikdo být. Platforma zcela samostatně plní své úkoly, třeba převoz nákladu. Registruje a vyhodnocuje přitom případné nečekané překážky na trase a podle toho může svoji dráhu upravit,“ vysvětluje doc. Petrů.
Pokud se vozidlo přepne do režimu Follow-me, sleduje operátora či objekt, který je identifikován pomocí ultraširokopásmového majáku. I tento mód je inteligentní a odpovídajícím způsobem tedy reaguje na překážky. Podle doc. Petrů to je zajímavá varianta nejen pro průmysl, ale i pro zdravotní a asistenční, případně donáškové služby. „Myslím, že tento režim by mohl být velmi zajímavý i pro obranný průmysl a pro armádu,“ naznačuje doc. Petrů.
Spolupráce s místními firmami i zahraničními partnery
Projekt ANTeTUL byl zaměřen na předaplikační výzkum, nebyl tedy primárně určen pro nasazení do průmyslu. Přesto přináší značný dopad nejen pro liberecký region, kde ve firmách probíhaly testy ve specifických průmyslových prostředích, objektech, halách, skladištích, venkovních prostorech, polích a na zpevněných i nezpevněných půdách. Význam má také pro celou Českou republiku a Evropskou unii. Jedním z indikátorů projektu byla totiž povinnost vytvářet národní i mezinárodní memoranda o spolupráci — těch tým podepsal celkem 19.
„Navázali jsme postupně spolupráci s 25 státy nejen v Evropě, ale i v Asii, Americe a Austrálii. V létě jsme na pozvání prezentovali náš výzkum ve výzkumných organizacích a na univerzitách v Anglii např. UKRI (Innovate UK), UTAC, Birmingham CASE Automotive Research and Education Centre, Smart Mobility Living Lab London a dalších. V prosinci jsem se zúčastnil v Indii velmi intenzivního jednání o spolupráci v dalším výzkumu v oblasti elektromobility. Není pochyb o tom, že autonomní vozidla mění svět logistiky. Náš modulární autonomní elektromobil pomůže podpořit nevratnou transformaci logistiky tím, že přispěje k inovativnímu řešení založenému na využití moderních vědeckých poznatků. Pomůže zvýšit produktivitu dopravy, úroveň bezpečnosti a v neposlední řadě povede ke snížení dopadů na životní prostředí,“ tvrdí Michal Petrů a připomíná, že tým v souvislosti s řešením projektu zaregistroval pět mezinárodních patentů a napsal 136 vědeckých publikací.
Uplatnění v praxi
Vědecký tým v rámci projektu spolupracoval s řadou firem a některé z nich už zájem o autonomní platformu avizovaly. Vzhledem k tomu, že byla vyvinuta a postavena v rámci výzvy operačního programu, není ji sice možné vyrábět, ale do výroby by bylo možné zavést přetvořenou formu užitkového podvozku, který by se uplatnil například při čištění komunikací.
„Zájem projevily firmy vyrábějící stroje a zařízení pro čištění komunikací, chodeb, skladů. Můžeme uvažovat také o prostředcích, které sekají trávu podél silnic. Umím si představit, že by autonomní nebo poloautonomní platformy byly efektivně využívány i v takových společnostech, jako je například Alza nebo Amazon. Pozitivní signály máme rovněž od některých zemědělských firem. Velmi dobré uplatnění by náš systém našel při záchranářských pracích. O režim Follow-me projevila zájem Česká pošta a další dodavatelské firmy,“ říká doc. Petrů.
Připouští, že vývoj je drahý, ale samotná konstrukce už tak drahá být nemusí. Asistenta by podle něj bylo možné postavit za desítky tisíc korun. V současnosti by podle něj takové vozítko přišlo na 200 až 250 tisíc korun, s levnějšími senzory a motorem je ale možné snížit cenu až o 100 tisíc korun.
„Ve státech, kde se důležité komponenty jako například senzory, baterie či pohony vyrábějí, mohou být tyto komponenty podstatně levnější. My ale v Česku ani v Evropě v současné době řadu komponent pro autonomní elektromobilitu nevyrábíme, takže si za ně musíme připlatit,“ podotýká.
Zapojení studentů, význam pro výuku
Rozsáhlá publikační činnost a vědecko-výzkumné poznatky získané v rámci projektu přispějí podle doc. Petrů k rozvoji technického vzdělávání a pokročilému studiu o autonomní elektromobilitě. V té souvislosti připomíná velký podíl studentů, zejména doktorandů technických oborů, na celkovém úspěchu projektu. Studenti svým přístupem celý tým velmi posílili a přinesli konkrétní, velmi důležité výsledky:
Například student strojní fakulty sám výrazně přispěl k vyvinutí jednostupňové převodovky a studenti strojní a textilní fakulty spolupracovali na konstrukci rámu nebo na přípravě kompozitů. Studenti fakulty mechatroniky vyřešili zásadní prvky hydrauliky a významně se zapojili do vývoje řídicích systémů, zejména na implementaci algoritmů na programovatelný automat. Efektivně se zapojili i do vývoje bateriového managementu. To výrazně přispívá ke zkvalitnění odborné výuky a k přímému propojení vzdělávání, vědy a výzkumu.
„Zapojením do vědecké práce získají mladí lidé cenné informace, dostanou se k nejnovějším vědeckým poznatkům, a mohou tak posílit univerzitní vědecké týmy. Na druhou stranu se potýkáme s problémem, že o takové odborníky mají firmy enormní zájem, snadno je přeplatí a přetáhnou k sobě. Vzhledem k možnostem odměňování na univerzitách a současnému grantovému vakuu pak univerzity přicházejí o schopné a perspektivní vědecké pracovníky. Díky projektu ANTeTUL jsem hodně cestoval a prezentoval výsledky projektu v řadě zemí, přičemž jsem se přesvědčil, že úroveň technického vzdělávání na univerzitách v České republice je velmi dobrá a ve světě respektovaná. České technické univerzity mají ve světě renomé a jsou celosvětově brány, že vytvářejí nejen špičkové absolventy v jednotlivých typech studia, ale také významné inovace a patenty, proto by si studium technických oborů zasloužilo větší podporu a samozřejmě významný počet studentů a absolventů,“ konstatuje doc. Petrů.