תפקיד הבלוק דיאגרמות בפיתוח מערכות בקרת רכב אוטונומיות

פיתוח מערכות בקרה בטוחות, אמינות ויעילות של כלי רכב אוטונומיים הוא אחד האתגרים ההנדסתיים המורכבים ביותר של העידן המודרני.מערכות אלה צריכות לשלב תפיסה, קבלת החלטות, תכנון, הפעלה, ופעולות בלתי בטוחות לאדריכלות קוהרסטיבית והאדונדמנטאלית ביותר.מהנדסים צריכים תצוגה ברורה ומופשטת של איך כל מערכות תת-מערכת אינטראקציה לפני ביצוע מפורט.

מה הם חוסמים דיאגרמות?

דיאגרמת בלוק היא סכימטית שבה כל בלוק מייצג מרכיב פונקציונלי או תת-מערכת, וקווים מופנה (או חצים) מעידים על זרימת המידע, אותות הבקרה, או כמויות פיזיות ביניהם.הפורמליזם הזה אינו מוגבל לתוכנה או אלקטרוניקה - הוא משמש על פני משוב מכני, תרמי, ושטח הידראולי, כמו גם על ידי ניטור כלי רכב אוטונומיים, דיאגרמות הן בדרך כלל פונקציונליות או שליטה.

דיאגרמות בלוק מגיעות במספר סטיות סטנדרטיות: לדוגמה:

(ב) עיין ב-[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]
(FLT:0) ⁇ -and- effect דיאגרמות של 1) - המשמש לניתוח תקלות בהנדסה בטיחות.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) גרף זרם זרמי (FLT:0) 1 (ב) , צורה מתמטית יותר בשימוש בתאוריה של שליטה.

מה שהופך דיאגרמות בלוק המתאימים במיוחד עבור מערכות אוטונומיות הוא היכולת שלהם לעגל רמות מרובות של מופשטות. A בלוק יחיד בתרשים העליון ברמת העליון יכול לייצג ערימה של תפיסה שלמה, בעוד דיאגרמות בלוק נמוך יותר לתוך תהליך היתוך חיישן, מראה אלגוריתמי סינון בודדים וקלמן לקבל חישובים. זה סטיות היררכיות היררכיות ישירות עם הארכיטקטורה השכבה המשותפת בערימות רכב אוטונומיות מודרניות.

בלוקים באדריכלות מערכת הרכב האוטונומית

החברה של מהנדסי רכב (SAE) מגדירה שישה רמות של אוטומציה נהיגה (SAE J3016), מרמה 0 (ללא אוטומציה) לרמה 5 (אוטונומיה מלאה) כרמת האוטומציה עולה, כך גם המורכבות של מערכת הבקרה.עבור רמות 3 ומעלה, המערכת חייבת להתמודד עם מגוון רחב של תרחישים תפעוליים, תנאים סביבתיים, ו מצבי כשלים.

(ב) ניתן לחלק את הארכיטקטורה של כלי הרכב האוטונומיים למגוון בלוקים עיקריים:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.

מכיוון שמכוניות אוטונומיות הן מערכות קריטיות לבטיחות, דיאגרמות בלוק משמשות גם למודל (FLT:0undancyFLT:1 ו-FLT:2diversityFLT 3 לדוגמה, מערכת תפיסה מאוזנת עשויה לכלול שתי סוויטות עצמאיות ושני אלגוריתמים של היתוך.אגרמת A חוסם יכולה להראות את הצבעה המשווה תפוקה ו- abitrates אשר תוצאה של גישה לאותה גישה, כלומר, שימוש ב-Coreative.

מערכת Perception

בלוק התפיסה הופך את נתוני חיישן גולמי להבנה סמנטית של הסביבה.חיישנים כוללים מצלמות, LiDAR, מכ"ם, קול ומכשירים תרמיים. תרשים עבור תפיסה מתחיל לעתים קרובות עם ממשקי חיישן, ולאחר מכן ממשיך לעיבוד אותות ברמה נמוכה (למשל, denoising, cabration), מיצוי תכונה, ולבסוף זיהוי ו סיווג מערכות תפיסה מודרנית כוללים גם חיישן - כיפות מידע אמין, כגון חסימת דיוקים מרובים, ולהפחית את רמות הדיוק של תכונות.

כל חסימה מייצגת אלגוריתם או רכיב נפרד: רשת עצבית מהפכתית לגילוי תמונות, רשת של ספקטרום נקודה ללידדר, מסנן קלמן למעקב, ומנהל היתוך שמיישר מסגרות ובולטים זמן. הדיאגרמת בלוק עושה את זה קל לראות איפה תלות בנתונים קיימת ואשר חוסם לרוץ במקביל לעומת הסתברות.

החלטות ותכנון

בלוק קבלת ההחלטות צורב את הפלט של התפיסה (מודל העולם) ומייצר תוכנית לאופן שבו הרכב צריך להתנהג.רוב המערכות משתמשות בהיררכיה תכנון שכבתית:

(FLT:0) תכנון מהיר (Route PlanningFLT:1) קובע דרך ברמה גבוהה ממקור ליעד, לעתים קרובות באמצעות מפת דרכים מראש (למשל, OpenStreetMap או HD מפות).
(FLT:0)התנהגות תכנון FLT:1 - מחליט את תמרון הנהיגה: שינוי נתיב, מיזוג, תשואה, עצירה או מעקב אחר.בלוק זה משתמש מכונות סופיות או מערכות מבוססות חוק.
(FLT:0) תכנון Motion FLT:1 - יוצר מסלול אפשרי ללא התנגשות (פרופיל + מהירות) על פני אופק קצר (למשל, 5-10 שניות).

דיאגרמות בלוק באזור זה לעתים קרובות מתארות את לולאות משוב בין תכנון ובקרה.לדוגמה, מסלול של מתכנן התנועה מועבר לבלוק הבקרה, אשר עוקב אותו באמצעות בקר בעל מודל (MPC) או PID + Feedforward בקר.בלוק הבקרה יכול לאחר מכן להאכיל חזרה מעקב שגיאות לבלוק התכנון עבור תוכנית מחדש.

מערכת ההפעלה

בלוק הפעולה מתרגם אותות בקרה (זווית ההסתה, לחץ פדראלי, בלם) לפעולות פיזיות.ברכב קונבנציונלי, זה כרוך יחידות בקרה אלקטרונית (ECUs) כי ממשק עם מחוקקים הידראוליים או חשמליים. Drive-by-wire, אשר חיוניים לפעולה אוטונומית, הם עצמם תת-מערכות מורכבות עם מבוי-מחדש בנוי (למשל, שניים או שלושה ערוצים עצמאיים להיגוי-ל-היגוי-היגוי).

תרשים בלוק עבור אקטוציה עשוי להראות את הנתיב הבקשה מערימת ההחלטה / השליטה לממשק הרכב, ולאחר מכן פיצול לתוך ערוצים מקבילים, כל אחד עם מיקרובקר, נהג מנוע, ומבצע.האגרמה כוללת גם משוב מקודדים וחיישנים כוח כדי לוודא כי הפעולה צוינה הושג.בטיחות קריטי יישומים לעתים קרובות דורשים ניטור כי גילוי פערים בין תפוקה הרצויה לבין בפועל המדינה בטוחה (למשל, לעצור את הפעולה).

בטיחות תפקודית וסובלנות

(הרכבים האוטונומיים חייבים לציית לסטנדרטים של בטיחות פונקציונלית כגון FLT:0 ISO 26262FLT:1 (עבור מערכות חשמל / אלקטרוניות) ו-ExtFLT:2ISO 21448sFLT 3 (בטיחות של מנגנוני הפונקציות ה-Intended Functional) ו-blockiOS (FLT:4Fónance) היא יעילה לתקני מנגנונים בודדים (RAPV) ו-Fault) של ניתוח בטיחותיים (REC5) ו-Fault) מנגנונים חד-Fault) מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים לנטרל מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים לנטרל מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים , 7.

לדוגמה, ארכיטקטורת שני מחשב טיפוסית (פרטי ומשני) ניתן לדגם שני בלוקים מקבילים שמעבדים באופן עצמאי נתוני חיישן לייצר פקודות שליטה. Aמפקח חוסם את הבריאות ובוחר את הפלט.הרשומה הופכת את אסטרטגיית החסימה המפורשת ומאפשרת למהנדסים לחשב את אמינות המערכת הכוללת ואת ההסתברות של אירועים מסוכנים.

עיצוב מבוסס מודל באמצעות בלוק דיאגרמות

פיתוח רכב אוטונומי מודרני מסתמך רבות על עיצוב מבוסס מודל (MBD) ב MBD, דיאגרמת בלוק אינה רק ציור - זה ספציפי להגדרה. כלים כגון FLT:0MATLAB / SimulinkuaFLT:1, SCADE ו dSPACELink מאפשר למהנדסים לדמות את ההתנהגות של המערכת השלמה בשלבים המוקדמים ביותר ניתן ליישם באמצעות קוד פתוח / מערכת הפעלה אוטומטית באמצעות Creading.

סימנולינק, למשל, ספינות עם ספריות מיוחדות ליישומים של רכב, כולל דינמיקה של כלי רכב, מודלים של חיישן ומודלים של הפעלה.מהנדסים יכולים לאחד את התפיסה, התכנון והשליטה בסביבה סימולציה אחת ומבחן נגד עולם וירטואלי (למשל, באמצעות מנוע Unreal Engine או CarSim). תרשים של המערכת השלמה מייצג את הלוגיקה האלגוריתמית והמודל הצמח (הרכבים), מה שמאפשר לאמת את הביצועים, לפני ביצוע חומרה סגורה, הוא סגור, לפני ביצוע חומרה.

יתרון חשוב של דיאגרמות בלוק מבוסס מודל הוא מעקב.כל בלוק יכול להיות קשור לדרישות, מקרים מבחן, ודיווחי בדיקה.עקביות זו נדרשת על ידי הסמכה בטיחות (ISO 262, ASIL-D) אודיטורים יכולים לבדוק את היררכיה הבלוקאגרמה כדי לאשר שכל דרישה בטיחותית מיושמת ובדיקה.אינטגרציה של דיאגרמות עם כלי ניהול (למשל, IBM DOORSion) יוצרת יצירת פונקציה של עבודה חלקה.

יתרונות לפיתוח רכב אוטונומי

שימוש בתרשיםים בלוק מספק יתרונות קונקרטיים, ניתנים למדידה לאורך מחזור חיי הפיתוח:

(FLT:0) כפליות של אדריכלות: 1:1 - צוותים יכולים לדמיין כיצד מערכת הבקרה מתבטלת, אשר בלוקים הם סטטיים לעומת מצבה, ומהם תלותיים קיימים.
(FLT:0) אימות מוקדם של סימולפט 1 (לפני כל חומרה בנויה, דיאגרמות בלוק ניתן לדמות כדי לחשוף תזמון לאות, אי עקביות נתונים, או שגיאות לוגיות.
(FLT:0Cross-team תקשורת צוות תקשורת: 1RE) - מהנדסי תפיסה, מהנדסי תכנון ומהנדסי בקרה יש דיאגרמות ספציפיות לתחום שלהם, אבל דיאגרמת בלוק ברמה העליונה משמשת שפה משותפת.זה מבהיר ממשקים ומפחית הפתעות אינטגרציה.
(FLT:0Support for Safety Analysis: FLT:1ua) , FTA, וניתוח סיכונים והערכה סיכונים (HARA) ניתן לבצע כל דיאגרמות בלוקים.
(FLT:0) ניתן לרכוש פלטפורמות שונות של פלטפורמות שונות של 1 (FLT:) – אותו דיאגרמת בלוק ניתן להתאים לפלטפורמות רכב שונות על ידי החלפת בלוקים ספציפיים (למשל, מודלים שונים של הפעלה או תצורה של חיישן).
(FLT:0) דור קוד אוטומטי ומבחן FLT:1) - חוסמים דיאגרמות כי הם executable יכול ליצור קוד מוכן ורתמות מבחן ECU, צמצום ההזדמנות לטעות אנושית בתרגום.

דוגמאות בעולם האמיתי ואימוץ התעשייה

מפתחי רכב אוטונומיים מובילים מסתמכים על דיאגרמות בלוקים ועיצוב מבוסס מודל.0.WaymoveFLT:1 פרסם מאמרים המתארים ארכיטקטורה מודולרית עם ממשקים ברורים בין תפיסה, חיזוי ותכנון.המערכת שלהם חוסמת דיאגרמות מדגישות את Redundancy ו- Fail-Waral design.FLT:2NVIDIA DRIVEFLT 3, סימולציה מספקת ו-dia-Ride עבור כלי ריצוף נהיגה אוטונומיים.

דוגמה בולטת נוספת היא פרויקט הקוד הפתוח (מ-Baydu) של אפולו כולל דיאגרמות בלוק מפורטות של התפיסה, השליטה והתכנון של המודולים של בלוק הבקרה, למשל, מראה בקר PID קזד PID עם הזנות קדימה עבור היגוי והטלטלטלטל, אשר עוצב בדיוק כפי שאחד מהם ימשוך אותו על לוח לבן אלה משמשים כדי להבין את המפתחים ברחבי העולם.

בצד של אווירופייס ורובוטיקה, מערכת ההפעלה הרובוטית (ROS 2) ודמיון הצומת שלה מציעים תצוגה חוסמת זמן ריצה-דוגרמה, בעוד לא בדיוק אותו הדבר כמו דיאגרמות בלוקים, העיקרון זהה - לאדים הם בלוקים, נושאים הם אותות.הגרף השני ניתן לבדוק חי כדי לערעור את ההתנהגות של רכב אוטונומי.

בתקני בטיחות, ISO 26262 מחייב את השימוש ב"דכאה תפקודית" ו"עיצוב ארכיטקטוני מערכת" עם דיאגרמות. ספקים רבים OEM ו- tier-1 ספקים, כגון בוש ו- ZF, לייצר דיאגרמות בלוק כחלק מתיעוד מקרה הבטיחות שלהם.הם משלבים לעתים קרובות דיאגרמות בקרה עם דיאגרמות ארכיטקטוניות חומרה ארכיטקטוניות חומרה כדי להראות את זרימתם מחיישנים כדי לשותפים לפעול, כולל נתיבים לא מוצלחים.

מסקנה

דיאגרמות בלוק אינן רק כלי מצגת - הן עמוד השדרה של פיתוח מערכת בקרת רכב אוטונומי מודרני.ממחקר קונספט מוקדם ועד הסמכה סופית, דיאגרמות אלה מאפשרות למהנדסים לעצב, לדמות, לאמת, ולתקשר את המורכבות העצומה של מערכת נהיגה אוטונומית.על ידי שילוב דיאגרמות לתוך זרם עיצוב מבוסס מודל, צוותים יכולים לתפוס פגמים מוקדמים, ליצור קוד ייצור באופן אוטומטי, ולבנות את ההבנה העמוקה הנדרשת כדי להפוך בטוח, כמו פיתוח של מכוניות אוטונומיות, כמו גם התפתחותן של התפתחותן של התפתחות אוטונומית של התפתחותית, כמו גם של התפתחותן של התפתחותית של התפתחותית של התפתחות של התפתחות של אלגוריתמים של התפתחותית של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של פיתוח יעיל יותר של פיתוח פלדה, כמו גם של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של פיתוח יעיל יותר של פיתוח פלדה, כמו גם של פיתוח יעיל יותר של אלגוריתמים של אלגוריתמים של פיתוח יעיל יותר של מערכות פלדה, כמו גם של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של מערכות פלדה, כמו פיתוח, כמו פיתוח יעיל יותר של אלגוריתמים של אלגוריתמים של פיתוח יעיל יותר של פיתוח מודלים של פיתוח מודל המבוסס