Studenten der Clemson University debütieren im autonomen Fahren

Feb 08, 2024

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Jedes Jahr verursachen Naturkatastrophen erhebliche Schäden und Störungen an der Verkehrsinfrastruktur des Landes, zerstören Lieferwege zu betroffenen Bevölkerungsgruppen und erschweren die Beurteilung der Lage.

Nach Angaben der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) verursachten Naturkatastrophen allein im Jahr 2022 in den Vereinigten Staaten Schäden in Höhe von schätzungsweise 165,1 Milliarden US-Dollar.

Um die Lieferung von Hilfsgütern zu beschleunigen und Echtzeitdaten für Einsatzkräfte zu sammeln, haben Studenten der Clemson University am International Center for Automotive Research (CU-ICAR) in Greenville, South Carolina, ein geländegängiges Aufklärungs- und Hilfsfahrzeug entwickelt, das überall navigieren kann sein eigenes.

Ausgestattet mit Lidars, Kameras und hochpräzisem GPS (GNSS) kann das autonome Fahrzeug unbekanntes Gelände erkennen und darauf navigieren. Das Fahrzeug kann eine Geschwindigkeit von 45 Meilen pro Stunde erreichen, 18 Zoll hohe Hindernisse überwinden, Oberflächen mit einem Gefälle von 60 % manövrieren und sich in zwei Sekunden um 360 Grad drehen.

Sein anpassungsfähiger Serien-Hybrid-Antriebsstrang ermöglicht kraftvolle Manövrierfähigkeit und verbesserte Kraftstoffeffizienz sowie leises Fahren im rein elektrischen Modus. Wenn das Fahrzeug am Zielort ankommt, kann es Notvorräte liefern und bei Stromausfällen als mobiler Generator fungieren, ohne Menschen zu gefährden.

Das Fahrzeug ist ein Ergebnis von Clemsons Flaggschiff-Programm für schnelle Fahrzeugprototypen, Deep Orange, das im Rahmen des zweijährigen Masterstudiengangs der Universität mit Schwerpunkt auf Systemintegration in der Automobiltechnik angesiedelt ist. Um ein solch ehrgeiziges Projekt zu ermöglichen, arbeiteten zwei Kohorten von Deep Orange-Studenten drei Jahre lang zusammen, um dieses autonome Hochgeschwindigkeits-Geländehilfsfahrzeug von Grund auf zu entwickeln.

Die Studierenden arbeiteten mit Lehrkräften und Mitarbeitern des Clemson International Center for Automotive Research (CU-ICAR) sowie mit dem Hauptsponsor des Projekts, dem DEVCOM Ground Vehicle Systems Center (GVSC) der US-Armee, zusammen.

Clemson gab seine strategische Partnerschaft mit GVSC im Jahr 2020 bekannt, als die Universität ihr vom US-Verteidigungsministerium unterstütztes Zentrum für Virtual Prototyping of Autonomy-enabled Ground Systems (VIPR-GS) gründete. Ziel der Partnerschaft war es, Forschungsdurchbrüche in den Bereichen Autonomie von Geländefahrzeugen, Elektrifizierung des Antriebsstrangs und digitale Engineering-Tools voranzutreiben, um die Mission von GVSC effektiver zu unterstützen.

Zuverlässige und robuste fahrerlose Offroad-Technologie ist für die Entwicklung der nächsten Generation militärischer Mobilitätsfahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Noch wichtiger ist die Entwicklung qualifizierter und erfahrener Ingenieure, die auch in Zukunft Innovationen in unserer Branche vorantreiben können. Dieses Projekt befasst sich mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs und digitalen Engineering-Prozessen, die wichtige Entwicklungsbereiche für GVSC sind. Neben der Autonomie sind diese Entwicklungsbereiche die treibenden Kräfte hinter der Forschungspartnerschaft von GVSC mit Clemson.

Nach Abschluss des Studententeams stellt das Deep Orange 14-Fahrzeug für Clemson ein einzigartiges und komplexes Forschungsprojekt auf dem neuesten Stand der Technik dar und katapultiert die Universität an die Spitze der autonomen Hochgeschwindigkeits-Offroad-Forschung. Es ist nicht nur ein Validierungs- und Verifizierungstool für die komplexe dynamische Modellierung von Kettenfahrzeugen mit Kompaktlader in anspruchsvollen Topografien, sondern auch eine hochentwickelte Einsatzplattform für modernste Steuerungsalgorithmen und Energiemanagementstrategien für Serienhybridfahrzeuge.

„Die Entwicklung eines Fahrzeugs von Grund auf mitzuerleben und seine erfolgreiche Leistung bei gleichzeitiger Erfüllung aller Spezifikationen zu beobachten, ist unglaublich lohnend“, sagte Kaivalya Khorgade, die als Cheffahrzeugingenieurin von Deep Orange 14 fungierte. „Mit seinem Kettendesign und dem fortschrittlichen Serienhybrid-Antriebsstrang kann das Fahrzeug verschiedene Hindernisse überwinden, während seine autonomen Funktionen, darunter eine Reihe von Kamera- und Lidar-Sensoren, unschätzbare Datenerfassungs- und Stadtaufklärungsfunktionen bieten.“

Der Zugang zu einem derart hochentwickelten Forschungstool mit seiner vielschichtigen Systemintegration ist eine seltene Gelegenheit in der akademischen Welt und ein klarer Forschungsvorteil für Clemson.

„Als Student herausgefordert zu werden, etwas von dieser Komplexität, etwas auf dem neuesten Stand der Technik, zu entwickeln, ist eine unglaubliche Lernerfahrung – ganz zu schweigen davon, zu sehen, wie ihre Arbeit durch die Entdeckungen unserer Forscher weiterlebt“, sagte BWM-Lehrstuhl für Systemintegration bei Clemson Chris Paredis, der das Deep Orange-Programm in beiden Kohorten beaufsichtigte.

Dabei geht es nicht nur darum, alles zum Laufen zu bringen, sondern auch darum, Datenprotokollierung und Eingabemöglichkeiten zu schaffen, um Forschungsarbeiten in den Bereichen Autonomie, Fahrzeugdynamik, Antriebsstrangleistung, Wärmemanagement und mehr zu unterstützen.

Das Clemson-Team stellte seinen Entwurf erstmals in Novi, Michigan, auf dem 15. Annual Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS) vor.

Das Fahrzeug befasst sich mit zwei Missionsszenarien, anhand derer die Studierenden die technischen Spezifikationen und kritischen Funktionen des Fahrzeugs ermittelten.

1.Katastrophenhilfe bei kaltem Wetter

Ein unerwarteter Schneesturm blockiert Autobahnen und führt dazu, dass die Zivilbevölkerung Nahrung, Wasser und Strom für die Stromversorgung benötigt. Das autonome Fahrzeug muss dringend benötigte Ressourcen bereitstellen, bis die Arbeiter die örtliche Infrastruktur reparieren und unbekanntes Gelände abseits der Straße durchqueren können, um rechtzeitig in die Stadt zu gelangen.

2.Stadtaufklärungsmission

Eine Naturkatastrophe wie ein Hurrikan oder eine Überschwemmung verändert die Topographie so dramatisch, dass selbst Luftbildkameras nicht erkennen können, ob das Gebiet befahrbar ist. Das autonome Fahrzeug muss durch das Gebiet fahren, um Schäden einzuschätzen, eine digitale Karte zu erstellen und festzustellen, ob dahinterliegende Bodenfahrzeuge passieren können oder stecken bleiben.

Autonome Off-Road-Pfadplanung

Mithilfe von LiDARs, Kameras und GPS navigiert das Deep Orange-Fahrzeug autonom durch unstrukturierte, sich dynamisch verändernde Umgebungen. Die Autonomiealgorithmen können Missionen durch unbekanntes Gelände planen, Informationen sammeln und Karten basierend auf den Bordsensoren aktualisieren.

Manövrierfähigkeit im Gelände

Mit seinen 24 Zoll breiten Ketten kann das Deep Orange-Fahrzeug nahezu jedes Gelände befahren. Es kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 72 km/h fahren, 18 Zoll hohe Hindernisse überwinden und in weniger als zwei Sekunden eine vollständige 360-Grad-Drehung durchführen.

Landschaftsaufklärung

Nach einer Naturkatastrophe wie einem Hurrikan oder einem Erdbeben kann sich das Deep Orange-Fahrzeug auf den Weg machen, um Informationen über die veränderte Landschaft zu sammeln und die Durchquerbarkeit des Geländes zu bestimmen, um die spätere logistische Unterstützung zu unterstützen. Außenkameras mit Schwenk-, Neige- und Zoomfunktion können manipuliert und aus der Ferne betrachtet werden, während sich das Fahrzeug autonom bewegt. Die gesammelten Daten werden in einer Karte zusammengefasst und zur Analyse drahtlos über das 5G-Netzwerk gesendet.

Serienhybridantrieb

Die Ketten des Fahrzeugs werden von Permanentmagnet-Synchronmotoren angetrieben, die eine Spitzenleistung von 340 kW (456 PS) pro Kette erzeugen können. Ein 53-kWh-Akku ermöglicht acht Stunden geräuschlosen Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit. Darüber hinaus kann ein 3,0-Liter-V6-Borddieselgenerator die Batterie in 30 Minuten vollständig aufladen, das Antriebssystem bei Manövern mit hohem Leistungsbedarf zusätzlich mit Strom versorgen oder als mobiler Generator für Überlebende fungieren, wenn er sein Ziel erreicht.

Dynamische Forschungsplattform

Mit einer intuitiven Benutzeroberfläche für Fernsteuerung und Autonomie ist das Deep Orange-Fahrzeug bereit für den Einsatz durch Forscher, die an fortgeschrittener Autonomie, Energiemanagement, Fahrzeugdynamik und digitalen Zwillingen arbeiten. Es umfasst umfangreiche Sensorsuiten für Fahrzeugdynamik, Antriebsstrang- und Energiemanagement sowie Wärmemanagement. Die Daten aller dieser Sensoren werden mit einem genauen Zeitstempel versehen und kuratiert, um sie für die weitere Analyse durch Forscher verfügbar zu machen.

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