디애나폴리스모터스피드웨이를질주하는무레이싱카
디자율주행챌린지우승의비결은디지털트윈과시뮬레이션
2021년10월의어느화창한토요일,9대의레이싱카가시속240킬로미터(시마속150일)에육박하는속도로인디애나폴리스모터스피드웨이를질주했습니다。9대의자동차에운전자는단한명도없습니다。
이자동차들은세계최초의고속자율주행자동차레이스ciac (디자율주행챌린지)에참가했던것입니다。전세계21개대학교에서참가한9개팀이이경주에서맞붙었습니다。참가팀들은모두동일한하드웨어인Dallara AV-21레이싱카로설계를시작했습니다。
이탈리아의레이싱카제조사Dallara가제작한차량의매끈한차체는일반인디레이싱카의그것과다를것이없었습니다。차량의조향，파워트레，제동시스템도똑같습니다。하지만공통점은여기까지입니다。IAC의자동차들은센서(레이다，카메라，라이다)및강력한英特尔®및英伟达®칩에서실행되는프로그래밍가능제어를사용하여자율주행차량으로개장되었습니다。
하드웨어개조는허용되지않았기때문에각자동차의성능은4公里(2.5英里)의타원형트랙을엄청난속도로안전하게달리도록조작하는제어알고리즘에전적으로달려있었습니다。결국100만달러의상금은두랩평균최고속도218公里/小时(136英里/小时)를기록한독일慕尼黑技术大学의TUM自主赛车运动팀에게로돌아갔습니다。
인디자율주행챌린지에서상금100만달러를차지한TUM自治赛车팀。(이미지출처:Indy Autonomous Challenge)
이팀의자율주행레이싱은자율주행자동차를개발하는학생팀들의경연대회로보레이스에네명의박사과정학생들이참가하면서2017년에시작되었습니다。中空的自治赛车는로보레이스가경쟁형식을테스트하는데도움을준두팀중한팀이었습니다。2020년초에IAC에등록할때는TUM팀이박사과정학생명15과학부생명40으로규모가커졌습니다。
로보레이스와iac를위해tum은matlab®및仿万博1manbetx真软件®와함께긴밀하게작동하도록설계된실시간테스트용최첨단시스템을개발하는Speedgoat®와팀을이루었습니다。Speedgoat의실시간하드웨어와仿真软万博1manbetx件로차량의제어시스템을설계하고시뮬레이션하였기에TUM팀은제어소프트웨어를자동차에배포하기전에완벽하게미세조정할수있었습니다。
박사과정학생이自治赛车의자TUM팀리더인亚历山大Wischnewski는다음과같이말합니다。"고충실도차량동역학모델로만든단일차량예선전부터최대8대의자율주행레이싱카가달리는다중차량시나리오에이르는가장까다로운시나리오에서우리소프트웨어를훈련시킬수있었습니다。자동코드생성기술을사용해서소프트웨어를자율주행레이싱카에배포했고간편하게타사소프트웨어라이브러리와통합할수있었습니다。”
한치의오차도없는
모터스포츠는역사적으로최첨단자동차기술의경연장이었습니다。Iac도예외는아닙니다。레이스주최측에서는레이싱이벤트를위해개발된기술을통해빠른속력으로달리는자율주행차량의안전성향상을꾀하고있습니다。
Wischnewski의말에따르면자율주행은크게네부분으로나눠집니다。첫번째는자동차의카메라와센서를이용하여물체를감지하고주변환경을인식하는부분입니다。“다른차들이트랙에서어디에있는지와트랙경계선을감지하는것입니다。”그다음은예측입니다。근의차가무엇을할지예측하는것입니다。다음으로자동차는식과예측데이터를사용하여자신의행동을계획합니다。네번째부분은모션제어입니다。행동계획을구체적marketing제동，스로틀，조향명령으로바꾸는것입니다。
한치의오차도허용되지않습니다。제대로검하는것이가장어려운과제죠。수천시간의주행을시뮬레이션해야하기때문에소프트웨어를변경하면변경된내용을자동차에추가하기전에아주철저하게테스트할수있습니다。”
박사과정학생이자TUM自主赛车运动팀리더Alexander Wischnewski
이네가지구성요소를도로에서주행하는무인자동차와레이스트랙에서주행하는무인자동차에대해설계하는일은상당히다른일입니다。예를들어,인디자율주행자동차는보행자나신호등을걱정할필요가없지만안전하게급선회해야하고240 km / h로주행하면서다른레이싱카들을피해야합니다。이런전성을보장하려면셀수없이많은시간을공들여시뮬레이션해야합니다。
Wischnewski는다음과같이말합니다。한치의오차도허용되지않습니다。단하나의고장조차도자동차에있어곧재앙을의미하기때문에있어선됩니다。제대로검하는것이가장어려운과제죠。수천시간의주행을시뮬레이션해야하기때문에소프트웨어를변경하면변경된내용을자동차에추가하기전에아주철저하게테스트할수있습니다。”
경쟁은자동차들이트랙연습을위해인디애나폴리스스피드웨이에도착하기몇달전부터시작되었습니다。팀들은차한대로빠르게트랙을도는수준부터점점상대를늘려최대8대의차량이경쟁하는최종시뮬레이션레이스까지난도를높여가면서시뮬레이션레이스에서자신들의자율주행레이싱소프트웨어를벤치마킹해야했습니다。
자율주행소프트웨어는라이다,카메라,레이다등다양한센서에서나온데이터를활용합니다。(이미지출처:Wischnewski등)
TUM팀은仿真万博1manbetx软件를사용하여모션제어소프트웨어를설계했고仿真软件의코드생성기능을사용하여c++코드를생성했습니다。다음은시뮬레이터에서소프트웨어를테스트하고검하는중대한단계였습니다。이를위해TUM팀은仿真软件万博1manbetx의차량및환경모델링기능을활용해서자신의레이싱카와8대의경쟁자동차들을사실적인가상환경에서정밀하게모델링했습니다。
자신들의제어소프트웨어가실시간에서어떻게작동하는지테스트하기위해TUM팀은차량과레이스트랙환경시뮬레이터를자동차의제어컴퓨터와연결한边境(半)시뮬레이터설정환경을구축했습니다。
车辆动力学Blockset™을통해그들은자동차의물리및모션모델을구축할수있었고模型实时™툴체인을사용해이모델을Speedgo万博1manbetxat性能컴퓨터에배포했습니다。
“tum iac팀은차량동역학모델링에종합적접근법을선택했습니다。파워트레，서스펜션，타이어등작동중차량의모든측면을모델링했습니다。”快羊기술마케팅팀장Christoph Hahn의말입니다。
Speedgoat와仿万博1manbetx真软件의긴밀한통합덕분에실제와거의흡사한시뮬레이션이가능했습니다。“MathWorks에서새릴리스를출시하는날Speedgoat역시새로운블록셋을출시해서Speedgoat의모든하드웨어의지원이끊기지않도록하고있습니다。뿐만아니라快速山羊에서제공하는I/O모듈의종류는엄청나게많습니다。다양한업계의거의모든프로토콜，커넥터，플러그를지원합니다。”
실시간시뮬레이션은실제로실험하기전에소프트웨어의기능을검증하기위한핵심구성요소입니다。(이미지출처:Wischnewski등)
팀은강력한타겟하드웨어에서여러차량들의디지털트윈을실행하여다양한레이싱시나리오에서자동차들이어떻게거동하는지에대해실제와같은느낌을받을수있었습니다。이어서팀은그러한이해를바탕으로제어소프트웨어를수정하여개발환경에서레이스트랙위의실제차량으로매끄럽게전환할수있었습니다。
“우리가Speedgoat하드웨어로구축한실시간边境시뮬레이션은성공의핵심요인입니다。”Wischnewski의말입니다。실시간다중차량시뮬레이션에의지하지않은다른경쟁자와우리의차이점이기도하죠。”
시뮬레이션에서현실로
TUM이실제Dallara AV-21차량을이용해서자신들의소프트웨어를테스트할수있게된2021년월에실제테스트가시작되었습니다。TUM은오픈소스Docker®플랫폼을사용하여仿真万博1manbetx软件로생성한c++코드에연결해자신들의응용프로그램을자동차의컴퓨터에배포하였습니다。
시뮬레이션단계에서철저하게자신스스로에도전한것이이팀의승리비결이었습니다。
Wischnewski는시뮬레이션단계에서철저하게자신스스로에도전한것이TUM팀의승리비결이라고말합니다。저희는리소스의30%를시뮬레이션에자했습니다。저희는시뮬레이션환경을최대한사실적으로만드는데있어서서로에게매우힘든시간을보냈습니다。저희는단순한모델에의존하지않고시뮬레이션에서적극적으로실패를발굴했습니다。”
그러한노력은iac에서진가를발휘했습니다。IAC는세계최초로여러차량들이한꺼번에겨루는로보카레이스가되는것을목표로했지만실상은속력과안전경연행사에가까웠습니다。자동차들이경기장을한번에한대씩달렸기때문입니다。
TUM自主赛车运动대PoliMOVE(비디오출처:Indy Autonomous Challenge)
자동차들은피트레인을출발해서워밍업랩을마치고시간측정랩을2번달린다음에쿨다운랩을달렸습니다。마지막랩에서는팽창식장애물을회피하는과정이포함되어있었습니다。시간측정랩을완주한팀은네팀에불과했습니다。최고속력은阿拉巴马大学와米兰理工大学에서출전한PoliMOVE팀이워밍업라운드에서달성한252公里/小时(157英里/小时)였지만그들의자동차는두번째랩을돌면서벽에충돌했습니다。
中空的自治赛车는일관된성능을보여주며두랩에걸쳐서최고평균속력을달성했고1위를거머쥐게되었습니다。7월1일에그들은라스베이거스에서열린IAC 2차라운드에서도계속실력을발휘하였습니다。이번에는자동차두대가한번에나란히달린본선전이었습니다。
TUM과PoliMOVE는자동차들이260 km / h를넘는속력으로각축전을벌이는결승전에서다시맞붙게되었습니다。작은제어오류로인해TUM의자동차가네번째턴말미에회전하며잔디밭으로밀려나갔고2위로레이스를마쳤습니다。하지만알고리즘이자동차의회전을제어하는데도움을주었고안전하게정지할수있었습니다。
대회사흘전에TUM은완전자율주행자동차를위한안전하고확장가능한플랫폼을개발하는회사인driveblocks를창립한다고발@ @하였습니다。이회사의첫번째목표는안전하고신뢰할수있는자율주행화물배송을실현하기위한상용차가될것입니다。
회사의공동창립자이자수석기술관인Wischnewski는비록박사과정을마무리하지만이제자율주행자동차를현실로만든다는자신의열정을계속따를수있게되었습니다。자율주행레이싱을통해얻은경험으로그는이제회사의비전을현실로만들계획입니다。
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