Între 3 și 7 mai 2023, a avut loc în orașul nostru a 6-a ediție a Bosch Future Mobility Challenge, o competiție tehnică internațională pentru studenți, lansată în anul 2018 de către Centrul de Inginerie Bosch din Cluj.
Fig. 1: Participanții BFMC2023
Participanții acestei competiții sunt studenți interesați de dezvoltarea unui sistem complex care are ca scop final o mașină în miniatură, capabilă să ajungă la anumite destinații și să gestioneze diverse situații de trafic, totul într-un mod autonom, în timp ce respectă regulile uzuale de trafic (păstrarea benzii, respectarea semnelor de circulație și a semafoarelor). Studenții au la dispoziție șase luni pentru dezvoltarea soluției, după care prezintă fizic soluția lor în fața unui juriu format dintr-un comitet multidisciplinar din diferite arii de activitate. Anul acesta am avut un invitat special, în premieră, reprezentantul unui producător auto: Josephine Payne, Director General Adjunct Ford Otosan, Turcia.
Studenții primesc o mașină la scara 1:10 cu anumite componente de bază, cum ar fi: mecanism de viraj, motor cu controlul vitezei implementat, placă de control al motoarelor (Nucleo), placă de control centrală (Raspberry Pi 4), acces la un sistem de localizare și elemente de comunicare de tip "Vehicle to Infrastructure" (V-to-I).
Ceea ce caracterizează concursul este dinamismul (din punctul de vedere al execuției) și libertatea de adaptare a platformei hardware utilizate.
În baza experienței și obiectivelor atinse de către fiecare proiect, echipa poate alege dintr-o serie de obstacole, pe acelea despre care consideră că trebuie ținut cont . Astfel, se câștigă puncte suplimentare pentru fiecare obstacol în parte. Obstacolele sunt împărțite în două categorii: obligatorii și opționale.
Obstacolele obligatorii se referă la modul prin care asigurăm un nivel minim al complexității soluțiilor echipelor participante, printre acestea se numără:
Start la culoarea verde a semaforului;
Oprirea la un pieton aflat pe trecerea de pietoni;
Depășirea unei mașini oprite pe carosabil;
Parcarea într-un spațiu liber de parcare;
Trecerea de o rampă;
În schimb, obstacolele opționale sunt cele care îi scot în evidență pe cei mai buni dintre participanți, acestea având, fiecare în parte, și un nivel mai mare de complexitate:
Oprirea la un pieton aflat oriunde pe traseu pe partea carosabilă;
Depășirea unei mașini aflate în mișcare (pe autostradă);
Urmărirea unei mașini în mișcare (pe strada cu sens unic);
Punct de pornire aleatoriu;
Punctul de început, din perspectiva hardware (HW) și software (SW) este identic pentru toate echipele. Mașina primită este una funcțională și capabilă să fie programată pentru a câștiga primul loc, însă fiecare echipă are libertatea de a alege modificările hardware, pe care noi le analizăm și le aprobăm în calitate de organizatori. În baza domeniului de studiu, creativității sau pur și simplu a dorinței de experimentare, fiecare echipă face anumite ajustări mașinii primite.
Chiar dacă studenții nu primesc nicio cerință sau direcție clară de cercetare și dezvoltare, este fascinant să observăm cum soluțiile lor variază atât de mult. Cu toate acestea, structural ideile pot fi regăsite și în mașinile care deja circulă pe străzi.
Fig. 2: Abordări hardware
Un focus foarte mare este orientat înspre cartografiere și localizare. În această direcție, echipele se bazează pe semnal GPS, senzori cu accelerometru, procesare de imagine, senzori lidar sau o fuziune dintre ele. Harta este furnizată în prealabil, iar unele echipe se folosesc de această hartă pentru a crea algoritmul lor, altele, însă sunt pregătite pentru orice mediu. Una dintre soluțiile funcționale în această direcție este transformarea imaginii în una de tip bird-eye view, detectarea liniilor și compararea detecțiilor cu harta furnizată în prealabil, rezultând astfel o poziție destul de bună pe hartă. O altfel de abordare în această direcție este cea de folosire a semnalului GPS (filtrate sau nu) pentru citirea poziției aproximative pe hartă. Nu în ultimul rând, unele echipe aleg să utilizeze GPS-ul ca poziție de referință, iar, în lipsa lui, să folosească datele accelerometrului. Cea mai nouă soluție pentru concursul nostru a fost alegerea de a folosi doar un senzor lidar pe două axe (din păcate, una nefuncțională).
Fig. 3: Localizare
Prima modificare hardware foarte vizibilă și preferată este, cu siguranță, legată de camere, aceasta variind de la folosirea de camere multiple, fie ele camere stereo cu o privire de tip wide-angle, fie camere rotative (o soluție foarte populară în această ediție) sau pur și simplu camere statice cu orientare și poziționare diferite, una adaptată pentru detecția obstacolelor laterale și alta pentru observarea drumului. Tipurile de camere stereo alese variază, unele putând să facă procesarea de imagine direct pe ele, efectuând astfel o modularizare hardware al proiectului.
În mod evident, senzorii de distanță joacă un rol esențial nu doar în mașinile de pe străzi, dar și în mașinuțele noastre, fiind, de fapt, senzorul ideal pentru detecția de obstacole pe harta noastră, care este una cu foarte puțin zgomot. De la senzori de tip Time Of Flight până la senzori simpli ultrasonici, de la poziția lor fie pe șasiu, fie direct sub cameră, și de la orientarea lor fie una de tip 360, sau una de tip "am trecut", sunt clar o soluție foarte la îndemână pentru acest proiect.
Pe lângă skillurile în programare pe care studenții le dobândesc pe perioada concursului, aceștia ating foarte mult probleme, detectând soluții legate de procesare paralelă, arhitecturi de sistem și diagrame de stare. În majoritatea cazurilor, Robot Operating System (ROS) este soluția care rezolvă majoritatea problemelor, în restul cazurilor însă este abordată și procesarea clasică paralelă, cu toate problemele și soluțiile aferente. Surprinzător, un număr destul de mare de echipe alege să se axeze pe procese și threaduri paralele, atingând astfel și probleme de sincronizare, comunicare, acces al resurselor și eventuale blocaje.
Fig. 4: Diagrama SW al câștigătorilor
Fig. 5: Diagrama de stare abordată
Juriul participant a fost, ca de obicei, unul cu experiență vastă. Pe lângă Josephine Payne, Director General Adjunct la Ford Otosan Turcia și Tobias Matter, Director al Centrului de Inginerie Bosch din Cluj, i-am mai avut ca invitați pe Brendan Morris, Vicepreședinte Conferințe și Activități la IEEE-ITSS (Intelligent Transportation Systems Society) și Conferențiar Universitar la Universitatea din Nevada, SUA și pe Fabian Timm, liderul departamentului de "Perception & Fusion" de la Robert Bosch GmbH.
Ca premianți ai aceste ediții, avem pe primul loc echipa S.O.D.A. din București, pe locul doi îi avem pe câștigătorii anului 2022, echipa DeiUni PD din Italia, iar pe locul trei echipa iRASional din Grecia. Toate cele trei au luat premii totale de 15 000 Euro.
Fig. 6: Câștigătorii ediției 2023
de Péter Török
