Команда студентов Бауманки Bauman Racing Team занимается изготовлением и сборкой деталей автомобиля, параллельно разрабатывая и тестируя алгоритм для обучения его системы управления внутри симулятора. Это виртуальная среда, которая имитирует реальные условия гонок и беспилотную систему. После того как автомобиль будет готов, алгоритм протестируют уже на нем.
Каким будет электроболид-беспилотник?
Команда разрабатывает болид BRT8D для участия в международных студенческих инженерных соревнованиях FormulaStudent класса FSD (Formula Student Driverless). Это беспилотный автомобиль с электрической силовой установкой.
По условиям соревнований автомобиль необходимо построить за один год и соблюсти конкретные ТТХ (тактико-технические характеристики). Вот характеристики будущего BRT8D:
- Масса — около 280 кг, длина — 2,7 м, ширина — 1,3 м, высота — 1,1 м, клиренс — 3 см;
- Задний привод, максимальная мощность двигателя — 95 л.с., литий-ионная батарея емкостью 11 кВт·ч;
- Независимая двухрычажная подвеска, рулевое управление с электроусилителем, пневмогидравлическая двухконтурная тормозная система.
Готовая машина должна полностью отвечать задачам в рамках конкретных гонок. В отличие от беспилотников, которые ездят по обычным дорогам, она ориентируется по специальным цветовым конусам, расставленным по трассе. Они помогают автомобилю определять свое положение на дороге и совершать маневры.
На электроболиде будут установлены промышленный компьютер Nuvo, лазерный 3D-лидар Velodyne, стерео- и монокамера, специальные датчики и приемники навигационной спутниковой системы. Он будет работать при помощи силовой установки, состоящей из бесколлекторного электродвигателя EMRAX228, инвертора (усилителя мощности двигателя) Bamocar D3 и аккумуляторной батареи.
Помимо лидаров на автомобиле будут установлены акселерометры — специальные датчики, которые умеют определять скорость и ускорение объектов. Такие есть в современных смартфонах. Они помогают беспилотнику определять, в какой точке трассы он находится и в каком направлении нужно двигаться.
Исполнительные приводы в тормозной и рулевой системах позволят беспилотнику двигаться, поворачивать и тормозить, имитируя движения рук и ног реального водителя.
Промышленный компьютер внутри автомобиля работает на ОС Linux, под которую написаны алгоритмы для управления. Главная особенность компьютера — повышенная надежность: он лучше защищен от повреждений, вибраций автомобиля, перегрева, пыли и влаги. Внутри процессор Intel Core 9-го поколения и видеокарта, которые мощнее, чем в обычном компьютере и потребляют меньше энергии. Это нужно, чтобы аккумулятор автомобиля не разряжался в процессе, так как компьютер выполняет сложные вычисления в режиме онлайн.
Автомобиль разрабатывается с нуля и будет готов к августу 2021 года. Все детали изготавливаются на заказ в лаборатории или на производстве — это тоже условие конкурса. Что-то предоставляют спонсоры, какие-то детали — например, лидары, датчики, ремни безопасности — покупают готовые.
«Главная сложность заключается в том, что многие вещи приходится делать впервые, без возможности опереться на какой-либо пример — потому что его либо еще нет, либо он находится в закрытом доступе. Мы замкнуты внутри команды и это плохо, потому что всегда должен быть взгляд со стороны опытного человека, который сможет вовремя подсказать, основываясь на своем опыте», — говорит Павел Карасев, капитан команды Formula Student МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Подходит ли он для обычных дорог?
У BRT8D четвертый уровень беспилотности. Это значит, что он может ездить автономно, но только в идеальных условиях, для которых был разработан — на специальной трассе с цветными конусами, без дополнительных препятствий. За рулем нет водителя, но есть оператор, который может в экстренных ситуациях остановить автомобиль удаленно.
Выпускать такой беспилотник на обычную дорогу или гоночную трассу для пилотируемых машин опасно: он не умеет распознавать пешеходов или другие внезапные препятствия так же хорошо, как беспилотники «Яндекса» или Google.
Зачем болиду нейросеть?
Для управления автомобилем используются две сверточные нейросети в рамках глубокого обучения — то есть те, которые отвечают за распознавание образов. Первая — YOLOv5 — ищет конусы на трассе и определяет их цвет, а вторая — KeyPoint — расставляет специальные точки, которые помогают определить размеры каждого конуса и рассчитать расстояние до него. Так система понимает, с какой скоростью движется беспилотник и какое у него ускорение.
Обе нейросети обучают в облаке при помощи специального датасета FSOCO. Он содержит более 20 тыс. фото и видео, размеченных специальным образом. Это необходимо, чтобы беспилотник мог участвовать в разных этапах гонки: в разных странах, с разными погодными условиями и разными трассами.
Для чего понадобилось облако?
Для быстрого обучения нейросети пришлось оперативно увеличить вычислительные мощности. Чтобы сэкономить на покупке и обслуживании собственного оборудования, команда решила использовать облачные технологии Yandex.Cloud. С помощью этой платформы команде удалось развернуть виртуальную машину с необходимыми GPU (видеокартами) всего за полчаса.
«Если говорить о будущем, то, на мой взгляд, благодаря облачным платформам тяжеловесные компьютеры в беспилотных автомобилях уйдут в прошлое, а в салоне наконец-то перестанет быть жарко от нагревающихся видеокарт», — делится мнением Павел Карасев.
Как проходят соревнования?
Formula Student — это международные студенческие инженерные соревнования. Их цель — формирование инженерного мышления у студентов и воспитание специалистов, готовых к решению боевых творческих задач автоиндустрии.
Гонки проходят в два этапа: статический и динамический. Во время первого оценивают проектирование автомобиля, его стоимость и бизнес-план, инспектируют технические характеристики.
Среди динамических испытаний самое зрелищное — Track Drive. Гоночные автомобили двигаются по очереди и преодолевают 10 кругов общей протяженностью 5 км с максимальной скоростью без помощи пилотов и дистанционного управления. Побеждает тот, кто наберет больше всех баллов по всем дисциплинам.
Наряду с конструкторскими и технологическими задачами участникам команды приходится решать финансовые и кадровые вопросы: собрать команду, организовать работу, привлечь спонсоров, пройти жесткий отбор для участия в разных этапах.
Соревнования популярны среди европейских университетов, поскольку позволяют применить полученные знания на практике. Например, почти каждый немецкий университет, готовящий специалистов для автомобильной промышленности, имеет свою команду для участия в таких гонках.
Наряду со студенческими соревнованиями Formula Student в мире есть и другие, например, беспилотные автогонки Roborace. А само движение беспилотных автомобилей и первые серьезные разработки в этой сфере начались с соревнований DARPA Grand Challenge и DARPA Urban Challenge, которые прошли в 2005 и 2007 годах.
Что дальше?
Условия Formula Student Driverless подразумевают, что один и тот же беспилотник может участвовать в гонках в течение года с момента участия в первых гонках. Команда Bauman Racing Team рассчитывает принять участие как минимум в соревнованиях в Венгрии в августе 2021-го, а также в России в сентябре, возможно — в других европейских этапах в этом и в следующем году.
Попасть на международные соревнования очень непросто: действует жесткий отбор, а число участников ограничено. Каждая поездка на европейские гонки обходится команде из 30 человек примерно в ₽1 млн — не считая года подготовки. Деньги на участие дают спонсоры.
После первого же пройденного этапа на базе полученных знаний и опыта, команда приступает к разработке нового беспилотника.
Зачем нужны беспилотные гонки?
Гонки беспилотных болидов, с одной стороны, более безопасны, так как в них никто не погибает и не травмируется, с другой — лишены той зрелищности и адреналина, которые присутствуют в обычных.
Если говорить про болиды Formula Student, то их целью является подготовка новых кадров для автоиндустрии на примере реального проекта беспилотника. Построив такой автомобиль, каждый студент проходит весь путь от идеи до тестирования и реализации.
По итогам соревнований члены таких команд часто получают выгодные контракты от крупнейших автоконцернов, которые разрабатывают беспилотные автомобили. Представители Audi, Volkswagen, Mercedes специально посещают европейские этапы гонок, чтобы отбирать талантливые кадры.