Máte rádi auta a vůbec všechny automobilové technologie, které tu hromadu odlehčených slitin ženou vpřed? A jen pro pořádek, teď opravdu nemám na myslí tu relativně nudnou krabici, ve které každé všední ráno krokem popojíždíte po ucpané výpadovce kdesi před Prahou, případně kličkujete mezi uzavírkami po D1.
Mám na mysli automobil v jeho nejsurovější podstatě, kdy máte přehled o posledním šroubu, o posledním nýtu a pár desítek centimetrů za hlavou vám brblá spalovací motor nebo hučí výpočetní elektronika a ventilátory měničů vysokoproudého 400V elektromotoru.
Elektromotoru, který jste společně s ostatními šílenci naladěnými na stejnou vlnu dlouhé měsíce hledali u sponzorů, abyste jej během jara namontovali pod kapotu pečlivě vytvarovaného karbonového monopostu.
Když dostaneš zápočet za formuli
Ano, správně, jak už titulek napovídá, řeč je o formulích – o studentských formulích, které se každý školní rok rodí v dílnách a laboratořích na pražském ČVUT, brněnském VUT a dalších polytechnikách od Aše po Jablunkov.
České studentské formule v roce 2018 (Zdroj: eForce ČVUT)
Nestaví je přitom zkušení konstruktéři s dvacetiletou praxí v automotive, ale často zelenáči z prváku, kteří se během dvou semestrů stanou experty na automobilový a závodní management a především rychloprodukci sportovních monopostů. Není tedy divu, že si mnohé z nich ještě za studia rozeberou špičkové inženýrské laboratoře věhlasných automobilek – třeba Porsche.
Formula Student, tedy každý rok monopost
Pokud studenti během roku postaví novou formuli – respektive dostatečně velkou měrou přestaví loňský model, mohou se zapojit do mezinárodního klání Formula Student a zejména během letních měsíců si to rozdat nejen s ostatními českými týmy, ale také se soupeři z Evropy, USA a dalších končin.
Počátky studentského klání v USA a pod hlavičkou SAE International. Na fotografii vítězný monopost Texaské univerzity z roku 1986 (Foto: UTA, CC BY 4.0 )
A českým inženýrům se opravdu daří, na vysokých příčkách se totiž tradičně umísťují jak Pražáci, tak třeba jejich rivalové z brněnské techniky.
Elektroformule eForce
Zatímco na počátku byly páteří monoposty se spalovacím motorem, v posledních deseti letech se začíná prosazovat také atraktivní kategorie elektrických vozů. S nimi má dnes u nás nejvíce zkušeností tým eForce z Fakulty elektrotechnické ČVUT, který je doposud jediným studentským týmem s elektrickými formulemi, nicméně co nevidět se přidá také brněnský tým TU Brno Racing ze zdejšího Vysokého učení technického, který usilovně vyvíjí vlastní elektrovůz eD1.
Tým eForce během jednoho ze soutěžních klání (Foto: Adam Kadeřávek)
Letošní pandemie koronaviru sice letité soutěžní klání, jehož historie sahá až do počátku 80. let minulého století, poněkud zpomalila, a tak inženýři a piloti poměřovali svoje konstrukční znalosti jen na dálku v improvizovaných online kláních, to však pražský tým eForce neodradilo od vývoje nové generace elektroformule FSE.09 a hlavně dalšího monopostu, díky kterému se budou moci na ČVUT zapojit do nové soutěžní kategorie.
Bezpilotní formule ČVUT
V pátek pozvali studenti a vedení fakulty novináře a sponzory, mezi kterými nechybí ani mladoboleslavská Škodovka, do laboratoře vysokého napětí na půdě FEL ČVUT, kde s velkou slávou představili dlouhé měsíce vyvíjenou formuli, která se tentokrát obejde nejen bez benzínu, ale dokonce i bez pilota. Pražáci ukázali svůj první elektromonopost DV.01 s plným autonomním řízením!
Obě letošní novinky: Klasický elektrický monopost FSE.09 (vlevo) a přestavba staršího modelu na autonomní formuli DV.01 (vpravo) během pátečního slavnostního představení.
Mimochodem, už se stihla zapojit do soutěžního klání, ve kterém si vůbec nevedla špatně, ačkoliv se i v tomto případě kvůli pandemii jednalo o ryze digitální boj. Namísto soupeření o to, kdo má lepší elektromotor, trakci, zrychlení a tak podobně to byl souboj softwarových modelů.
Stručně řečeno, vše se odehrávalo na serverech pořadatele, kde soutěžní týmy spustili svoje autopiloty, do kterých proudila data z fiktivních lidarů, kamer a dalších čidel, načež se autopilot musel co nejrychleji, co nejefektivněji a hlavně správně rozhodnout, kdy zrychlit a kdy zabočit.
Díky tomu, že lze schopnosti autopilota analyzovat a postupně také zlepšovat, aniž by formule vyjela na skutečný asfalt, mohou ji studenti s trochou nadsázky vyvíjet i ze svého gauče s laptopem v klíně.
Mozek od Nvidie
Elektrická autonomní formule týmu eForce, která je první svého druhu v Česku, vychází ze staršího monopostu, který byl zrovna k dispozici, ten se však pochopitelně dočkal kompletní modernizace. Co vlastně taková formule potřebuje?
Zadní motor, integrované motory předních kol a kokpit, který je uzpůsobený tak, aby mohl autonomní formuli případně řídit i člověk
K dispozici má hned několik 400V motorů. Zatímco v zadní části vozu se nachází motor pro zadní kola, přední kola mají motory přímo v sobě. Pak potřebujeme kvalitní měniče, které nám vyrobí adekvátní napětí a proudy pro pohon nejen samotných motorů a základní elektroniky, ale také 24 V pro palubní počítač, který musí co nejrychleji analyzovat data z optických senzorů. A samozřejmě potřebujeme baterie. Opravdu hodně baterií.
Základem je battery pack složený ze stovek lithiových článků 18650. Nutno podotknout, že to jsou poněkud kvalitnější kousky, než které seženete na asijských e-shopech za pár desetikorun.
Vývojový kit Nvidia Jetson AGX Xavier: osmijádrový ARM s 512jádrovou grafikou Volta o výpočetním výkonu 11 TFLOPS (FP16).
Mozkem strojového vidění je aktuálně kapesní superpočítač Jetson AGX Xavier – nejnovější generace vývojářských kitů Jetson od Nvidie. Už jste o něm slyšeli, na Živě.cz jsme si totiž několikrát vyzkoušeli levnější variantu pro začátečníky Nvidia Jetson Nano – minipočítač velikosti populárního Raspberry Pi s armovým procesorem a Linuxem podobné kategorie, nicméně také s rychlou GPU jednotkou pro CUDA akceleraci a hlavně zpracovávání neuronových sítí.
Neuronky, stereokamery a lidar
S neuronkami si pohrávají také konstruktéři autonomní elektroformule, jejíž první generace je vybavená několika stereo/3D kamerami RealSense a také laserovým rotačním dálkoměrem – lidarem. Kombinací všech těchto optických vstupů pak v obrazu hledají kužele ohraničující závodní trasu a vypočítávají ideální vektor jízdy, výkon motorů, rychlost otáček, aby vůz ideálně projel zatáčkou, aniž by se dostal do smyku, a tak podobně.
Klíčovou komponentou každého autonomního vozu je rotační, nebo pevný lidar. Nechybí ani na elektrické formuli týmu eForce. Je tu od toho, aby palubní počítač detekoval veškeré překážky ve směru jízdy a hlavně oranžové kužely ohraničující závodní dráhu.
Mimochodem, byť se z počítačových neuronových sítí stalo v posledních letech téměř až magické zaklínadlo, které vyřeší všechny problémy světa, realita je poněkud složitější. Inženýři z ČVUT je používají pro detekce kuželů v běžném obrazu z kamer, ale i s využitím zmíněného akcelerátoru od Nvidie a neuronových sítí YOLO v2/v3 zabere kompletní analýza jednoho jediného snímku až 100 milisekund (10 FPS).
Neuronová síť architektury YOLO se pokouší v obrazu z kamery detekovat kužely, mezi kterými vede soutěžní trasa
Tato rychlost sice stačí pro statickou detekci, nikoliv však pro rychlou jízdu, kdy je třeba provádět rozhodování, jak jet dál, mnohem, mnohem rychleji. Právě proto na monopostu nechybí ani zmíněné stereokamery a lidar, z jehož dat mohou inženýři taktéž detekovat kužele (dle barvy) a jejich polohu rychleji než pomocí počítačového vidění s prvky NN.
Vedle lidaru nechybí ani stereokamera ZED, která díky dvěma čočkám stejně jako lidský mozek dokáže detekovat hloubku, a dvojice snímačů RealSense od Intelu okolo lidaru.
A co jste na vysoké dělali vy?
Suma sumárum, autonomní elektroformule zatím nedosahují soutěžních rychlostí jako jejich člověkem pilotovaní sourozenci a spíše se plíží tempem několika desítek kilometrů v hodině, o to ale nakonec až tak nejde.
Pointa spočívá v tom, že se do vývoje podobného vozidla, které v sobě integruje s rostoucí složitostí vlastně až desítky nejrůznějších dílčích profesí, může zapojit v podstatě jakýkoliv student, který si během jednoho jediného školního roku díky sponzorům z řad automobilového a elektrotechnického průmyslu bude moci vyzkoušet kousky, které zdaleka přesahují obvyklé ekonomické možnosti domácích nadšenců, kutilů a makerů, kteří se musí spokojit s elektrocetkami za pár dolarů z Aliexpressu.
