University Racing Eindhoven en de zelfrijdende raceauto
Eerst heel voorzichtig, stapvoets rondjes rijden tussen een stel pylonen, om vervolgens tot wel 130 kilometer per uur over een circuit te scheuren. Dat is het doel van de URE 14, een elektrische zelfrijdende raceauto van een Eindhovens studententeam. Autonoom rijden is immers de toekomst.
Het University Racing Eindhoven (URE) is een studententeam van de TU Eindhoven (TU/e). Het deelt een werkplaats met het Solar Team en een drone-team. In de hoeken daarvan staan de URE 1 tot en met 11. Andere tijden, want onder leiding van ‘captain’ Dion Engels bouwt het team aan de eerste zelfrijdende raceauto uit deze stal, de URE 14. Met 62 deelnemers is dit het grootste van alle studententeams van de TUe. Sommigen van hen zijn fulltime betrokken bij het project, de meesten doen er zijdelings aan mee.
“Ik heb zelf net een master Technische Natuurkunde afgerond, maar er zitten ook studenten van opleidingen zoals Werktuigbouwkunde en Industrieel Design bij”, vertelt Engels aan PCM. Ook werkt het University Racing Team samen met hbo-studenten van Fontys-opleidingen.
Het URE-team doet mee aan de Formula Student-competitie. Dat is een competitie tussen tientallen universiteitsteams uit heel Europa. De teams nemen het tegen elkaar op in verschillende categorieën. De nieuwste categorie, naast elektrisch rijden en het rijden op een normale verbrandingsmotor, is autonoom rijden. Voor alle categorieën werkt de competitie hetzelfde: er is geen massale start van tientallen auto’s tegelijkertijd, maar een tijdrit over een circuit waarbij de auto’s zo snel mogelijk langs een aantal pylonen moeten rijden. In de nieuwe categorie doen die auto’s dat dus helemaal zelf.
Zo werkt-ie
De URE 14 dankt zijn autonomie aan drie cruciale onderdelen. De auto maakt gebruik van twee lidars (laser-radars) aan de voorkant. Deze zorgen voor de eerste stap. “De lidar-camera’s kijken een meter of twintig, dertig vooruit”, legt Engels uit. “Ze registreren obstakels, maar kunnen niet zien wát dat zijn. Ze scannen dus alles, niet alleen de pylonen die ze moeten ontwijken maar ook de berm, of de bomen langs de weg.” De lidars houden alleen in de gaten wat er vóór de auto gebeurt, en niet erachter of ernaast. Desondanks hebben ze een kijkhoek van tweehonderd graden, dus ze verzamelen nog steeds veel data. Volgens Engels bestaat die data voornamelijk uit simpele puntjes.
Daarom, en dat is stap twee, zitten er achterop de auto ook nog twee gewone camera’s. Die interpreteren de simpele data die de lidars binnenhalen. Engels: “De camera bekijkt wát de lidars precies zien. Is dat een pylon, of is dat een zijmuur?” Ook registreren de camera’s de kleuren van de pylonen. De linkse hebben één kleur, de rechtse een andere. Op die manier kan de auto zijn eigen weg vinden.
Al het rekenwerk wordt gedaan door de computer die achterop de auto is gemonteerd – stap drie. Die is afkomstig van Nvidia. Dat heeft met de Drive PX2 een speciale, superkrachtige computer gemaakt die speciaal bedoeld is voor zelfrijdende auto’s. De PX2 kan een enorme berg informatie verwerken tijdens het racen. Dat is ook wel nodig, zegt Engels: “Hij moet alles wat hij ziet opslaan en kijken of dat nuttige of nutteloze informatie is. Van alle data die hij opneemt is misschien tien procent écht nuttig. Dat zijn de pylonen, terwijl de rest van het beeld, zoals de lucht of de berm, niet nodig zijn.”
©PXimport
Bijstellen
Je kunt niet zomaar iedere camera gebruiken. De camera’s die aan de computer zijn bevestigd horen bij de computer en zijn afkomstig van Nvidia zelf. Engels zegt dat het team een balans moet vinden tussen de mogelijkheden en de beperkingen van de camera en de computer. “Je wilt natuurlijk dat de camera zo ver mogelijk vooruit kan kijken. Dan kom je uit op zoveel mogelijk megapixels. En je moet denken aan je ‘refresh rate’. Je wilt niet dat je iedere vijf meter een opname maakt, want dat wordt een probleem als je honderd kilometer per uur rijdt. Aan de andere kant moet je ook opletten dat je de computer niet overlaadt met informatie door te veel data te sturen. Dan kan hij niet snel genoeg berekenen waar hij moet zijn.”
Zo ver is het in het begin van de wedstrijd nog niet. De eerste ronde is een heel rustige, voorzichtige verkenningsronde. De auto rijdt met zo’n tien kilometer per uur over het circuit om voorzichtig de route in kaart te brengen. Als hij die kent kan hij steeds sneller gaan rijden. Engels: “We gebruiken daarvoor een kunstmatige intelligentie die we zelf in de auto hebben geprogrammeerd. Het is net geen machine learning, maar de auto leert wel terwijl hij rijdt. Iedere ronde bekijkt hij of hij die ene bocht niet nóg ietsje sneller kan nemen.”
Opvallend aan de auto is dat die op mechanische wijze wordt aangestuurd. Aan het stuur zit een mechanisme dat de wielassen kan aansturen en wat de auto sneller of langzamer kan laten gaan. Engels: “Je zou de aansturing ook direct op de wielen kunnen aansluiten, maar dat is onveiliger. Stel dat er dan een softwarefout optreedt, dan kunnen de wielen ineens niet meer bewegen. Met tien kilometer per uur is dat niet zo’n probleem, maar als ‘ie harder gaat wel. Daarom mag directe besturing ook niet volgens de wedstrijdreglementen.”
Aerodynamisch
Om de wedstrijd te winnen hebben de studenten méér nodig dan alleen slimme autonomie: de auto moet van zichzelf ook snel zijn. Gelukkig is dat iets waar URE al meer dan tien jaar aan werkt. Het team heeft al veertien verschillende auto’s gehad waarmee het alles heeft geleerd over solide constructies, aerodynamica en het gebruik van de beste materialen. “Die kennis nemen we ook in deze auto mee”, zegt Engels. “We willen straks de vorm van onze oude auto’s op deze nieuwe zetten. Op dit moment bedenken we nog hoe we dat het beste kunnen doen. Als je bijvoorbeeld de vleugels erop zet, beperk je de ‘field of view’ van de lidar-camera’s. Daarom denken we ook aan het versimpelen en het weglaten van sommige onderdelen.”
Uiteindelijk is het doel natuurlijk om de auto zo snel mogelijk te laten rijden. Engels: “Autonomie kan straks veel beter rijden dan een coureur, want de computer maakt geen fouten. Als je straks volledige autonomie hebt is je auto de ‘bottleneck’, en dan moet je zorgen dat je daar alles uit haalt wat erin zit. Daar hebben we gelukkig al jaren ervaring in!”
