web Autonomne.cz

odkaz na homepage

Michal Petrů

Na Technické univerzitě v Liberci byl v uplynulých čtyřech letech řešen projekt nazvaný Modulární platforma pro autonomní podvozky specializovaných elektrovozidel pro dopravu nákladu a zařízení, reg. č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/0007293. O tomto projektu a autonomních vozidlech obecně jsme si proto popovídali s členy jeho řešitelského týmu, jehož vedoucím je pan doc. Michal Petrů.

Michal Petrů
Michal Petrů (foto: archiv Michal Petrů)

Dobrý den, mockrát vám všem děkuji, že jste si našli pro tento rozhovor čas. Můžete, prosím na úvod představit svůj projekt?
Michal Petrů: V roce 2018 jsme dostali velký projekt, který byl financován MŠMT a EU v rámci Evropských strukturálních a investičních fondů – Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání, pro vývoj modulární platformy pro autonomní vozidla. Za dobu přibližně 70 let historie Technické univerzity v Liberci se zde pracovalo na mnoha úkolech týkajících se standardní silniční dopravy, v rámci tohoto projektu jsme se rozhodli na tyto činnosti navázat a specializovat se na autonomní systémy, které by mohly sloužit k přepravě nákladu.
Představa byla, že by takový prostředek převážel náklad z bodu A do bodu B anebo by doprovázel člověka, například stal se „pomocníkem doručovatele – pošťáka“, jemuž by vezl například balíky, dopisy nebo jiná psaní. Taková platforma by pochopitelně mohla být využita i pro řady různých účelů, kupříkladu bezpečnostní, protože by taková platforma mohla jet i do terénu, kde by mohla kontrolovat, analyzovat či hasit nebo tam lidem něco přivézt, ať už vodu nebo nejrůznější náčiní. V podstatě se jedná o univerzální platformu využitelnou v situacích, kdy je potřeba něco převézt či dovézt.
Takže toto byl základní záměr. Vytvoření užitkové autonomie. Nechtěli jsme dělat přímo autonomii pro silniční vozidla v běžném provozu, ale pro ta, jež budou jezdit v uzavřeném nebo otevřeném terénu. To znamená třeba na stavbách, v lesích, v halách a dalších podobných prostředích. Naším cílem tedy byl vývoj modulární platformy pro autonomní podvozky specializovaných elektrických vozidel pro převoz nákladu a zařízení.
Složili jsme konkurenceschopný řešitelský tým v rámci celkem čtyř výzkumných záměrů. Tyto výzkumné záměry se týkají přímo toho, co jsme si dali za cíl vyvinout. Prvním výzkumným záměrem či pilířem je vývoj lehkých materiálů pro rámové konstrukce a další konstrukční díly, což mohou být materiály z kompozitu, odlehčené materiály, hliníkové slitiny a další podobné lehké konstrukce. Druhým pilířem je řízení postavené na hybnosti jednotlivých kol s využitím elektropohonů. Třetí pilíř představuje bateriový management, což znamená, že se snažíme vyvíjet nová bateriová uložení, nové principy uložení bateriových článků, zejména kvádrového nebo cylindrického tvaru, aby vyvíjená platforma měla odpovídající akumulátorovou kapacitu, a tedy byla schopná dosáhnout požadovaného dojezdu. A konečně čtvrtým pilířem je autonomní řízení. Kolem něj se vytvořil tým, který se zabývá senzorikou, sběrem dat, vytvářením algoritmů pro pohyb a tak dále. Čtyři výzkumné záměry nám umožnily vytvořit komplexní ucelenou skupinu lidí, jež dokáže od A do Z postavit modulární platformu, kterou jsme si na začátku vytyčili jako cíl.
Abychom byli schopní autonomii vyvíjet, potřebovali jsme mít v týmu na naší Technické univerzitě v Liberci takové lidi, kteří v tomto oboru disponují patřičným vzděláním a zkušenostmi. Během posledních několika let jsme k nám proto přivedli z průmyslu hned řadu lidí, kteří se těmito tématy zabývali ve firmách. S tím samozřejmě souvisí, že se jim musely vytvořit odpovídající podmínky, aby k nám vůbec přišli. Příkladem lze uvést například pana doktora Cýruse nebo pana inženýra Kočího, kteří přišli z automobilového průmyslu na Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace. Technická univerzita v Liberci byla vždy velice silným a konkurenceschopným pracovištěm pro vývoj pokročilých materiálů, kde se za posledních sedmdesát let vyvinuly řady materiálů, ať už kompozitních, nanostrukturních, nanovlákenných či jiných. Chyběla však provázanost na to, jak nové lehké konstrukce nějak posunout i do nových oblastí, například. v rámci vývoje konstrukcí bateriových boxů pro elektromobily. Proto tým okolo pana doktora Jandury, který přinesl vhled do vývoje baterií, pomohl ucelit pohled na to, proč to celé Technická univerzita v Liberci začala dělat. Dále lze uvést, že se na Fakultě mechatroniky a Fakultě strojní zabývají vývojem robotů, robotických systémů a jednoúčelových zařízení, které dále rozvíjí pro autonomní nebo poloautonomní chování. V současné době chceme na Technické univerzitě v Liberci také rozvíjet systémy umělé inteligence, a k tomu jsme potřebovali nejen naše zkušenosti, ale také zpětnou vazbu od lidí z průmyslu. V současné chvíli, jak je náš tým poskládaný, si osobně myslím, že jsme řadu problémů souvisejících s vývojem elektromobility a autonomních systémů zacelili.

Generace 0

Nultá generace autonomní platformy (foto: TUL)

Generace 0 nová

Nultá generace autonomní platformy doplněná o karoserii (foto: TUL)

 

Můžete podrobněji popsat systém autonomního řízení, který jste vyvinuli?
Jindřich Cýrus: Autonomní platforma je provozována ve dvou režimech. Prvním z nich je jízda z bodu A do bodu B, kde je daný prostor dopředu známý s tím, že platforma vyhodnocuje překážky, aby se dokázala vypořádat se vším, co se na cestě objeví. Druhý režim nazýváme „Follow-me“, v tomto případě vozidlo sleduje operátora. I tento režim je inteligentní, takže když se objeví překážka, systém ji vyhodnotí a zváží, co udělá, jestli ji objede nebo zastaví, aby nedošlo ke kolizi.
Co se týče senzoriky a dalšího technického vybavení platformy z hlediska autonomie, používáme kamery, LiDARy a významným zařízením jsou i brýle Microsoft HoloLens, což jsou brýle pro rozšířenou nebo smíšenou realitu. Je v nich celá řada senzorů, včetně hloubkových kamer, gyroskopu a IMU pro snímání zrychlení. A všechny tyto informace využíváme pro orientaci v prostoru, protože tím dost možná nejzásadnějším problémem, který se ohledně autonomie řeší, je nutnost vědět, kde přesně se vozidlo nachází, aby následně mohlo řešit plánování a směřování další trajektorie. V současné době nemáme zapojený GPS systém, protože se počítá s tím, že vozítko bude jezdit v uzavřených prostorech, kde nebude dostupný potřebný signál, takže by to tím pádem bylo nefunkční.
Kromě senzorů souvisejících s autonomií je vozidlo osazeno i řadou senzorů, které souvisí s provozem, takže monitorují pohonnou jednotku, sledují otáčky a tak dále. Všechno toto se sbírá a odesílá do cloudového úložiště, kde se s daty dále pracuje a odkud můžeme také dávat vozítku příkazy.

Michal Petrů: Na začátku projektu jsme vytvořili zkušební modulární platformu takzvanou „0´- nultou generaci s čárkou“, což bylo malé autíčko, na kterém jsme se učili řízení, sběr dat, senzoriku, tedy v podstatě celou autonomii. Následně jsme získané poznatky transformovali do první modulární platformy „Generace 0 - nulté generace“, což byla prototypová konstrukce jednoduchého vozidla doplněná o rozšířenou realitu, kterou sbíráme prostřednictvím virtuálních brýlí HoloLens. Díky nim jsme v podstatě schopní identifikovat prostředí a definovat jeho podmínky a problémy, s nimiž se platforma může během cesty potkat. Když se platforma pohybuje z bodu A do bodu B, má nadefinovanou určitou trajektorii, která se mění podle toho, jak se v průběhu cesty objevují překážky, které mohou být jak statické, tak dynamické. Od módu jízdy z bodu A do bodu B jsme se postupně posunuli do módu druhého, který umožňuje právě i režim „Follow-me“. Platforma v tomto režimu následuje toho, kdo má patřičnou aplikaci v mobilu nebo má u sebe určitý modul. Jak tedy takový člověk s aplikací nebo modulem jde, tak jej vozítko následuje a kopíruje jeho pohyby.
My vidíme, kudy vozidlo jede a jaké překážky potkává. Samo ví, odkud kam se má dostat, takže podle aktuálních překážek patřičně zareaguje, například zastaví, couvne anebo překážku objede. Na základě získaných poznatků jsme platformu rozšířili a začali si s ní hrát nejen v interiéru, ale i v exteriéru. Příkladem lze uvést testování Generace 0 u Evropského parlamentu, kam jsme byli pozváni Stálým zastoupením ČR při EU v Bruselu.
Do toho se v rámci jednotlivých aktivit zabýváme tím, jakým způsobem pracovat s bateriemi a jak mohou být uspořádány. Věnujeme se i tomu, jakým způsobem by se tyto platformy mohly nabíjet. Myslíme si, že minimálně v halách budou nabíječky robotické, časem se robotické dobíjecí stanice třeba rozšíří i mezi standardní silniční dopravu. Vyvíjíme též lehké rámy a velké kompozitní struktury, což využíváme v současnosti u konstrukce druhé modulární platformy „Generace 1“, což je už robustní velká modulární platforma, která uveze minimálně 1 tunu nákladu a bude jezdit třeba v dolech, na polích, v terénu a převážet suroviny. Můžeme se bavit třeba s nadsázkou o lithiu v Krušných horách, až se zavřou doly na uhlí a otevřou se tam doly na lithium. Díky všem těmto částem projektu jsme si vybudovali konkurenceschopnost, která umožnila, že dnes máme na tento projekt navázané další projekty. Zrovna nedávno kolegové získali dokonce velký projekt Národního centra kompetence pro lehké 3D tiskové materiály, řešíme projekt Horizon zaměřený na vývoj umělé inteligence, nebo vývoj kompozitního materiálu pro schránku pro baterie elektromobilu. Takže tým, který se na Technické univerzitě v Liberci v rámci autonomní užitkové elektromobility vytvořil, má významnou erudovanost.

Jaroslav Hlava: Z pohledu návrhu řízení vozidla aplikujeme obecné metody a algoritmy. Není to až tak návrhově specifické, většinou využíváme velice pružnou metodiku, která se označuje jménem prediktivní řízení založené na modelu, kde na základě matematického modelu vozidla regulátor ví poměrně přesně, jak vozidlo bude reagovat. Stejně jako řidič, který má svoje vozidlo v ruce, ví, že když šlápne na plyn nebo zatočí, vozidlo zareaguje tak a tak, regulátor má k dispozici matematický model a ví, jak vozidlo zareaguje. A tak je možné řízení navrhovat. Navazujeme na velice dlouhou linii výzkumu, který byl původně určen pro zcela jiné účely. Kupříkladu ony matematické modely, které jsou v oblasti vozidlové techniky celkem propracované, vznikaly někdy před 50 či 70 lety původně pro zcela jiné účely, navíc v době, kdy o autonomních vozidlech ještě nikdo neslyšel. A my můžeme na práci těchto lidí navázat a využít ji v aplikacích v době, kdy se dělají věci tehdy nepředstavitelné a netušené. Díváme se do budoucnosti, ale i do minulosti, a učíme se z ní a chtěli bychom tvořit novou budoucnost.

Řešitelský tým

Řešitelský tým projektu před autonomní platformou nulté generace (foto: TUL)

Proč padla volba právě na autonomní vozidlo pro logistické uplatnění?
Michal Petrů: Od roku 2014 jsme postupně dostávali informace, že chybí segment, kdy by v halách a dalších výrobních prostorech nejezdila „nechytrá vozítka“, ale naopak takzvaně „chytrá“, tedy taková, jež budou schopná objet překážku na trase a nezastaví se před ní. Ve velkých firmách zejména v automobilovém průmyslu můžeme vidět, že v halách jezdí vozítka po určených drahách a rozváží třeba šrouby a další součástky. Jenže když se náhodou něco dostane takovému vozítku do cesty, tak to buď před tím zastaví a nepojede dál, nebo do překážky přímo narazí.
Nás se proto ptali, jestli bychom dokázali vytvořit systémy, které by takovou překážku objely a pokračovaly dál. Takže vlastně ten náš záměr byl pomoct vyřešit reálnou potřebu, a vytvořit si oblast, která bude specifičtější pro Liberec, protože se budeme soustředit na užitkovost. A užitkovost může být aplikovatelná prakticky všude, i třeba v nemocnici pro pacienty nebo v obraně, kde se může převážet výzbroj nebo nějaký materiál. Takže když se například Praha či Brno orientují na silniční autonomii, my jsme chtěli dělat autonomní užitkové konstrukce a systémy, které budou navazovat na tradici vzdělávání a vědecko-výzkumné činnosti na univerzitě se 70letou historií. A jak jsem říkal, Liberec se vždy specializoval na pokročilé materiály a bude to i do budoucna, neboť fakulty i výzkumný ústav v tom dále chtějí i ve spolupráci s průmyslovou sférou pokračovat.

Máte tedy již nějaké potenciální zákazníky pro svůj produkt?
Michal Petrů: Potenciální zákazníky máme. Z renomovaných společností už za námi byla třeba Česká pošta, která o tyto systémy má do budoucna zájem, protože zásilek je stále víc a víc. A nakonec to nemusí být jen Česká pošta, ale i třeba firmy jako Alza, Amazon a další podobné společnosti. Pak tu byla třeba firma KOBIT z Jičína, která vyrábí zařízení pro čištění ulic a silnic, a právě taková autonomní vozidla by pro ně byla vhodná. Případně můžeme uvažovat o prostředcích, které sekají trávu podél dálnic. Ty jsou dnes zpravidla dálkově ovládané, ale dost by pomohlo, kdyby tyto stroje byly autonomní nebo alespoň poloautonomní. Po dokončení úkolu či po vybití baterie by taková sekačka jen poslala informaci, podobně jako malé roboty pro čištění bytů, že si pro ni má provozovatel přijet.

Jaký vidíte největší přínos autonomie nebo největší přidanou hodnotu těchto systémů?
Jan Kočí: Logicky jde o generační skok od systémů, které vyžadují člověka, k systémům, které budou schopné fungovat zcela autonomně. Z diskusí s potenciálními zákazníky vyplynulo, že se velmi hledí na to, aby se optimalizovaly logistické procesy, a toto je jedna z cest, jak nahradit lidskou práci strojem. A jak ukázala koronavirová doba, mnohem snáz se vypínají stroje a autonomní systémy, než když kvůli zastavené výrobě přijdou o práci lidé. Takže autonomie je něco, co dává smysl, a jde také o způsob, jak digitalizovat celý výrobní proces, a být schopný ho využít k další optimalizaci. Například v logistickém procesu, který dnes známe, je člověk, který obsluhuje třeba vysokozdvižný vozík, u něhož také můžu dělat optimalizaci, ale dělám ji o řád složitěji než v případě autonomního stroje. Takže toto jsou důležité důvody, proč jsme se vydali cestou autonomní užitkové platformy.

Překvapilo vás něco během práce na autonomním řízení?
Jan Kočí: Uvedu jednu situaci, o které rád mluvím. Samozřejmě vypadá moc hezky, když nakonec autíčko samo jezdí, ale jedna ze zajímavých výzev byla, že když takové vozítko natrefilo na překážku v úzké chodbě, kde se nemohlo otočit, muselo se naučit i couvat. A algoritmy, které řídí vozítko dopředu anebo zajišťují vyhýbání překážkám, jsou relativně jednodušší oproti těm, které souvisí s couváním. To bylo potřeba vyřešit a řízení se s tím muselo popasovat. A je to jedna z věcí, kterou teď umíme. Jde o jeden z případů, kdy úloha vypadá jednoduše, alespoň pro člověka, ale pro zcela autonomní systém jde o poměrně náročnou a komplikovanou záležitost.

Generace 1

Probíhající stavba platformy první generace (foto: TUL)

Generace 1

Probíhající stavba platformy první generace (foto: TUL)

 

Jak byste charakterizovali spolupráci akademického sektoru s průmyslem?
Michal Petrů: Průmysl je specifický v tom, že má nějaký soukromý byznys, který potřebuje táhnout. Někdo vytváří díly, někdo elektroniku, další přidává motor, někdo kompletuje auta. Je to dnes postavené tak, že už není jedna firma, která by dělala všechno. Takže firmy jsou napojené na spousty subdodavatelů, a tudíž i akademický sektor musí být napojený na tyto subdodavatele, s nimiž řeší jen nějakou dílčí část. Aby se řešil celý systém, tak to v současné době nastavené není. Jestli se to v budoucnosti změní, to se teprve uvidí. Takže univerzity se propojují se subdodavateli a s nimi pracují na dílčích částech.
Vezměme si dříve zmíněný příklad s překážkou na definované dráze robotů v halách. Nejedná se o problém řešení celého vozidla, ale problém řešení systému převozu materiálu z místa A do místa B. K tomu univerzity směřují a spolupracují s různými firmami a jim chtějí pomoct právě s těmito konkrétními problémy. I u velkých firem je několik oddělení a součástí, které mají „svůj úkol – problém“, ale vůbec neřeší, jak takové auto bude nakonec jezdit. Oni řeší například jenom to, jak tam dát kapotu nebo volant, takže to jsou dílčí úkoly, na kterých se univerzity s nimi mohou podílet. Jiné skupiny můžou pracovat třeba jen na testování baterií. Tím chci říct, že univerzity jsou s firmami propojené, ale vždy jen na nějakém konkrétním problému, který tu firmu trápí, protože daná firma potřebuje problém vyřešit, aby mohla konkrétní produkt prodat.
V minulosti, když jsem před více než 20 lety začínal na univerzitě, si pamatuji, že bývaly výzkumné záměry, které ještě dělaly předvývoj toho, co by se do průmyslu v budoucnu mohlo nějakým způsobem aplikovat. Teď už i velké projekty, jako jsou třeba národní centra kompetence, hodně reflektují pobídku firem, v čem mají problémy, takže si troufnu říct, že spolupráce zde existuje, ale vždy se točí kolem nějakého konkrétního problému, který vede k tomu, aby konkurenceschopnost zůstala zachována nebo se ideálně zvyšovala.

Pokud byste měli dát radu člověku, například studentovi, který má zájem o kariéru spojenou s autonomními vozidly, na co by se měl zaměřit?
Michal Petrů: Vývoj autonomních vozidel je v prvé řadě o multidisciplinaritě a propojení řady odvětví. Bez toho to prostě nejde udělat. V současné době jsou lidé, kteří se zabývají softwarovým inženýrstvím, nedostatkovým zbožím. Ale bez znalostí materiálů a celkově konstrukčních inovací nic neudělají. Systémy, které se dnes dávají do aut, a dává se jich tam víc a víc, mají pořád určité chyby. Třeba když začne pršet či sněžit, najednou některý senzor přestane fungovat. A řešení takového problému není záležitostí výlučně softwarového inženýra, ale musí s jeho vyřešením pomoct i konstrukční inženýr nebo materiálový inženýr, který například přidá do senzoru určité materiály, které budou umožňovat vlivem teploty nějaké roztažení, anebo se budou zahřívat, a tím pádem tam námraza ani nebude vznikat. Vývoj autonomie a senzoriky nezávisí jenom na tom, jak tyto věci umíme programovat, ale souvisí i s dalšími částmi, které do tohoto systému dáváme, a podle toho se to celé chová. Můžete mít sebelepší algoritmus pro natáčení kol, ale když to po mechanické stránce nebude konstrukce plně podporovat, tak to jako celek nebude fungovat. Takže propojenost musí být u mezioborových profesí, je vždy potřeba disponovat multioborovým týmem. My jsme jej určili do čtyř pilířů: konstrukce, mechanické řízení, baterie či obecně energie, a samotná autonomie. Takto by podle nás měl tým zabývající se autonomními prostředky vypadat. A odtud se odvíjí volba oborů.

Jaká jsou dle Vás hlavní technologická odvětví související (nejen) s dopravou, jež budou v nadcházejících letech nabývat na důležitosti?
Pavel Jandura: Z našeho pohledu je zcela zásadní vyřešit problematiku energetických úložišť. Konkrétně tedy ukládání elektrické energie, protože s ní se ve všech systémech velice dobře pracuje. Je to problematika baterií a případně i palivových článků, bavíme se o využívání vodíku nebo i methanolu. Myslíme si, že v Evropě, případně i přímo u nás, je zásadní, abychom dospěli do stavu, že se tu články budou integrovat, že budeme sledovat jejich vlastnosti a jak je nejlépe nasadit, a že tady bude i know-how materiálu a přímo i výroby těchto článků. Že se konečně přesune tato problematika do Evropy, v ideálním případě i k nám do České republiky. Nedávno vyšlá nová zpráva, že kromě továrny Volkswagenu mají rozpracované velké plány v továrně LG, čímž chtějí zásobovat své korejské automobilky na našem území, a myslím si, že tohle je zcela zásadní výzva pro nás jako odborníky, asi i pro vládu, aby tato kapacita byla pojatá a my jsme sem dostali i tuto problematiku. Aby se i naše materiály mohly začít objevovat v elektrochemických článcích, potřebujeme tady mít podporu velkých společností na výrobu. To si myslím, že je úkol pro nejbližších 5 až 10 let, který je třeba intenzivně řešit.

Michal Petrů: Lze očekávat, že 3D tisk bude zažívat další boom. V současnosti jde už o známou a rozšířenou věc, která se neomezuje jen na průmyslové využití, ale pracují s ní už i děti na školách. Vývoj se ale nezastavil a nyní stojíme před tím, jak nakládat s materiálem, který 3D tiskárny používají. Musíme se začít bavit i o tom, že ať už aditivní technologie nebo i vývoj jiných technologických celků musí směřovat k úvahám, z jakých materiálů to bude. Aby byly odbouratelné nebo z velké části recyklovatelné, aby nemusely skončit třeba v asijských zemích, kde jsou k tomu určené skládky, protože to je i jeden z velkých problémů, kterým by se vývoj elektromobility měl zabývat. Samotné komponenty by se měly tvořit z materiálu, který do budoucna budeme moct znovu využít nebo bude biologicky rozložitelný.

Tomáš Martinec: Souhlasím, recyklovatelnost je dnes velký problém. Členové týmu lehkých konstrukcí se zabývají i tím, jak zlepšovat vlastnosti materiálů pomocí nanomateriálu, aby konstrukce mohly být odlehčené a nemuselo se spotřebovávat tolik materiálu. Další věcí jsou třeba i kompozity, kupříkladu z recyklovaných materiálů, nebo přírodní materiály, které se pak lépe odbourávají, ale už nějak jde o zpracovávání odpadu, takže dostanu sice díl, který potřebuji s danými vlastnostmi, ale není z nového materiálu. Aditivní technologie jsou také důležitou součástí, my jsme se tu zabývali třeba i využitím robotů při výrobě kompozitů. Do budoucna nás zajímají i věci jako robotický 3D tisk, protože kolegové mají velkou zkušenost s tiskem plastů, kovů, ale všechno to jsou díly omezených rozměrů. Takže když se bavíme o rozměrnějších dílech do auta, potřebovali bychom už větší pracovní oblast, ale i zároveň máme menší nároky na přesnost nebo povrchovou kvalitu. Hlavně potřebujeme, aby to bylo rychlé. Robotický 3D tisk je určitě budoucnost. Asi ne pro sériovou výrobu, ale pro nějaké prototypování a malé série je to věc, která se bude určitě dál vyvíjet.

Michal Petrů: K novým typům materiálů jen doplním, že na řadě těch kompozitních struktur jsme se dostali na vývojové s-křivce na určité maximum, když do toho začneme dávat nějaké další příměsi jako například nanočástice, tak nejenom, že z toho můžeme získat nové fyzikální vlastnosti, ale lze tím zlepšit vývojovou s-křivku daného materiálu na lepší mechanické vlastnosti. Tím můžeme například zlepšit či zcela zabránit elektromagnetickému šíření nebo hořlavosti, což je další problém baterií v elektromobilech. Takže to jsou vybrané příklady dalších směrů, kterými se chceme v dalších letech vydávat.

Mockrát vám všem děkuji za detailní zasvěcení do projektu a poučné odpovědi. Ať se vám nadále daří!