En matematisk modell som signalerar att en bil är på väg att gå sönder. Detta är Chalmers bidrag till en framtida metod som ska göra det möjligt att säkert testköra fordon, även utan förare ombord.
Den som valt testförare till yrke behöver inte bara ha en hög toleranströskel för långa och obekväma arbetspass bakom ratten. Minst lika viktig är förmågan fånga upp tidiga tecken på att någon väsentlig del i fordonet håller på att bli defekt.
Men hur kan det här säkerhetskritiska yrkeskunnandet föras vidare in i en framtid när allt fler fordon blir självkörande? Kan man blanda självkörande och förarstyrda fordon på en och samma provbana? Hur påverkas säkerheten när det inte längre finns någon ombord som kan bromsa eller styra åt sidan för att förhindra en olycka? Det är några av frågeställningarna bakom ETAVEP (Enablers for testing autonomous vehicles at existing testing grounds), ett forskningsprojekt delfinansierat av Vinnova programmet, Fordonsstrategisk Forskning och Innovation, som tittar närmare på de utmaningar inom fordonstestningen som uppstår i takt med att bilarna blir alltmer autonoma.
Forskare från Chalmers har tillsammans med lastbilstillverkaren AB Volvo och personbilstillverkaren Volvo Cars fokuserat på just den del av projektet som handlar om att fordon måste kunna övervakas även när en människas öron, känselorgan och erfarenhet inte finns på plats.
Uppgiften har alltså varit att få till ett automatiserat system som i realtid kan ge indikation på att någon mekanisk komponent som är viktig för säkerheten är på väg att fallera.
Tomas McKelvey, professor i signalbehandling på institutionen för elektroteknik på Chalmers, som har lett forskningen inom delprojektet, förklarar:
– Problemet ligger i hur man på bästa sätt övervakar ett fordon när man inte på förhand vet vad det är som ska gå sönder.
Han betonar att man inte kan förlita sig på de system som behöver finnas ombord när de självkörande fordonen väl kommer ut i den vanliga trafiken – detta eftersom provkörningar kan ske även i tidigare faser av fordonsutvecklingen, innan de autonoma funktionerna är tillförlitliga.
Man skulle kunna säga att det angreppssätt som valdes påminner en del om hur den mänskliga varseblivningen fungerar – vi är ju i regel rätt duktiga på att uppmärksamma sinnesintryck som avviker från det förväntade.
Några tiotal accelerometrar, utplacerade på strategiskt viktiga platser i fordonet, har fått fungera som systemets känselspröt. De registrerar hur de vibrationer som uppstår i motorn och i kontakten med vägbanan fortplantar sig vidare ut i kaross och komponenter.
– Vår hypotes har varit att vibrationernas karaktär kommer att ändras när ett fel uppstår ombord och att förändringarna ska kunna registreras med hjälp av de här instrumenten.
För att inte ett förändrat vägunderlag ska utlösa ett "falsklarm", används några av sensorerna, placerade nära fordonens hjul, för att registrera insignal. Resten av instrumenten ska sedan kunna plocka upp sådana förändringar som beror på fel ombord.
Men för att veta hur en trasig bil vibrerar måste ju ett automatiskt system först lära sig hur en felfri bil beter sig. Så insamlingen av dessa data blev forskarnas första uppgift när väl instrumenteringen av de båda provfordonen – en tung lastbil och en personbil – var genomförd.
– Vi åstadkommer detta genom att skapa en så kallad överföringsfunktion, en matematisk beskrivning av hur olika delar av bilen rör sig tillsammans.
Han tillägger att denna typ av analys skapar "en hisklig massa data" – det handlar om cirka 1 500 så kallade komplexa tal (tal som har en realdel och en imaginärdel) per sekund.
– Av dessa data bygger vi en stokastisk modell som beskriver normalfallet, där varje värde tillåts ha en viss variation.
I nästa skede lät forskarna de båda provbilarna rulla på samma underlag som tidigare, men nu med diverse avsiktliga fel introducerade i fordonen.
Data från accelerometrarna analyserades på nytt – denna gång med förhoppningen att monitoreringssystemet skulle kunna uppfatta förändringar i vibrationer som en indikation på felen.
Fungerade det?
– Ja, systemet kunde ganska enkelt detektera felen – även sådana fel som enligt testförarna är väldigt svåra att upptäcka.
– Bara ett av de avsiktliga felen gick systemet bet på – en mutter på en stötdämparinfästning som hade lossats några varv på den tunga lastbilen. Men det var å andra sidan ett fel som inte heller testförarna kunde känna.
Det automatiska monitoreringssystemet som Chalmersforskarna tagit fram reagerar alltså på att något är fel – men exakt var felet finns kan systemet inte ge besked om.
– Detta skulle man nog kunna arbeta vidare med, men det har vi inte haft tid till i den här studien. Ur säkerhetssynpunkt är det viktigaste att få reda på att ett fel inträffat, så att fordonet kan tas av testbanan.
De praktiska försöken med monitoreringssystemet ägde rum i höstas på Volvos provningsbana i Hällered utanför Borås, där ju även den av Chalmers och RISE drivna provanläggningen AstaZero ligger.
Förutom monitorering av fordonsstatus, som Chalmersforskarna arbetat med i det här delprojektet, så ingår i ETAVEP även metoder och system för trafikövervakning och fordonskontroll, bland annat med hjälp av radar, ljusradar (lidar) och kameraövervakning. Systemen knyts samman med kommunikation byggd på 5G-teknik.
Enligt Tomas McKelvey är den metodik som arbetats fram inom det samlade ETAVEP-projektet först ut bland provningsanläggningar runt om i världen, när det gäller att låta autonoma och förarstyrda fordon samexistera.
– Förhoppningen är att metoderna som tas fram ska bli ett slags internationell standard för provbanor.
Han tillägger att företrädare för andra provningsanläggningar visat stort intresse för projektet. Orsaken är att det finns både ekonomiska och miljömässiga vinster med att kunna utnyttja befintliga anläggningar, snarare än att behöva offra mark och resurser på att bygga nya provningsbanor enbart för autonoma fordon.
– Dessutom är provförarens arbetsliv som det ser ut idag väldigt fysiskt påfrestande. Så även ur den aspekten finns ett hållbarhetsperspektiv, avslutar Tomas McKelvey.
Text: Björn Forsman och Sandra Tavakoli
Fakta om forskningen:
- Det tvååriga forskningsprojektet ETAVEP (Enablers for testing autonomous vehicles at existing proving grounds) ingår i Vinnova-programmet Fordonsstrategisk Forskning och Innovation (FFI).
- Förutom AB Volvo och Volvo Cars samt Chalmers utgörs projektdeltagarna av forskningsinstitutet RISE, provningsanläggningen AstaZero samt forskningsföretaget SafeRadar.
- Slutrapport från projektet skrivs klart under våren.
- De som arbetat med delprojektet kring automatisk monitorering har, utöver Tomas McKelvey, varit projektledaren Patrik Nordberg från Volvo Cars samt Daniel McKelvey, student inom Engineering mathematics and computational science på Chalmers, som haft projektet som sitt examensarbete.
Fakta/Accelerometer:
- Ett instrument som mäter acceleration i förhållande till fritt fall, ofta i tre dimensioner, och som bland annat finns i varje modern mobiltelefon. En accelerometer i vila registrerar jordens gravitation.
Instrumentet kan också, som i det här fallet, användas för att exakt registrera mycket små rörelser och vibrationer.
För mer information, kontakta:
Tomas McKelvey, professor i forskargruppen signalbehandling på institutionen för elektroteknik, Chalmers
tomas.mckelvey@chalmers.se