Formula Student: El Desafío de la Conducción Autónoma

Los vehículos de conducción autónoma y alimentados por energía eléctrica son conceptos de moda actualmente en el campo de la innovación del mundo del automóvil. En la competición Formula Student, los estudiantes las intentan llevar a la práctica. Desde 2011, alrededor de 60 estudiantes de la Universidad Politécnica de Hamburgo (TU Hamburg) que participan en esta competición, están construyendo y mejorando un coche de carreras eléctrico al que han llamado «e -gnition Hamburg». Los estudiantes desarrollan los conceptos que finalmente aplican al vehículo para que sea liviano, rápido y ágil, con el objetivo de alcanzar el primer puesto de la competición.

Formula Student es una competición internacional de ingeniería que fue organizada por primera vez por la Sociedad de Ingenieros Automotrices en 1979. Su objetivo es desarrollar y proporcionar una plataforma para que los estudiantes de ingeniería mecánica experimenten, construyan y aprendan. Ofrece una forma única de evaluar el conocimiento teórico de los estudiantes en un contexto práctico. Los estudiantes adquieren y desarrollan habilidades como diseño, gestión de proyectos  y trabajo en equipo.

Los puntos se ganan en una serie de eventos «estáticos» fuera de la pista y eventos «dinámicos» en la pista. El equipo con más puntos al final de la competición gana. La creciente popularidad de la competición se demuestra por el rápido aumento del número de participantes y el establecimiento de nuevos eventos. Desde la competición inaugural en 1979, las competiciones de Formula Student se han convertido en una evento internacional con participantes de más de 20 países diferentes y más de 600 universidades.

Carreras Autónomas: El Ordenador toma el Volante

El último diseño del «e-gnition Hamburg« utilizó 36 placas de diferentes micro-controladores desarrolladas integramente por los estudiantes y que funcionan de forma coordinada para que todo se ejecute correctamente. Todas las funciones necesarias tienen que integrarse perfectamente en el sistema general para crear un vehículo con la máxima fiabilidad. Por otro lado, los especialistas en chasis y aerodinámica se centran en diseñar una estructura ligera que ofrezca el mejor rendimiento en la conducción. Todo este trabajo se pone a prueba en la competencia internacional que se celebra en verano en el circuito de Hockenheimring.

Desde la temporada 2016-2017, los humanos ya no son los únicos al volante. En la categoría de conducción autónoma, los coches de carreras tienen que encontrar su camino a través de la pista de forma completamente autónoma. La tecnología de sensores como lidars y cámaras, les ayuda a percibir su entorno. A partir de los datos obtenidos, un ordenador integrado crea un mapa del entorno, reconoce la ruta marcada con conos de carretera y planifica la mejor trayectoria y los microcontroladores aseguran que el vehículo mantenga la velocidad y dirección previstas.

De esta manera, la computadora asume de forma precisa las tareas que antes recaían en los conductores humanos. Y al igual que los humanos, debe estar “en forma” para lograr un buen rendimiento de conducción. Parte de esta tarea recae en los alumnos, algunos trabajando intensamente en los algoritmos e implementaciones y otros en el hardware con la meta de alcanzar la máxima potencia.

El primer vehículo autónomo se construyó a partir de un vehículo del año anterior al que se le adaptaron los componentes adicionales de conducción autónoma. La CPU, una placa de PC estándar, estaba integrada en la parte trasera del automóvil como un jetpack. Durante los siguientes años, el PC se colocó en un compartimento de la parte trasera. Sin embargo, las nuevas funcionalidades suponían un mayor peso y afectaban a la aerodinámica, de forma que las competiciones se empezaron a disputar en coches diferentes, con y sin piloto.

El Formula Student EGN (e-gnition Hamburg)

Finalmente, el «EGN20», el modelo actual, es el primer modelo combinado Electric/Driverless. Esto significa que, por primera vez, un automóvil puede competir con y sin conductor gracias a un diseño modular. Si el conductor salta, el automóvil continúa conduciendo por su cuenta, después de algunos movimientos de adaptación. El objetivo final es la integración completa para que el hombre y la máquina puedan transferirse el control sin problemas.

EGN22: Un Salto de Nivel

Mientras se diseñaba el siguiente modelo, se decidió integrar completamente un PC en el vehículo. Hasta ese momento, las funcionalidades en tiempo real relacionadas con el hardware se ubicaban en un microcontrolador de la CPU de abordo, y los cálculos más sofisticados del modo autónomo en el PC. El siguiente paso fue fusionar las dos unidades en una sola unidad física.

Pero desarrollar un PC completamente no es realista, incluso para un equipo de Formula Student. La solución a este problema se encontró en los módulos COM Express® de Kontron. En el prototipo desarrollado, la placa de soporte diseñada internamente proporcionaba todas las conexiones y funcionalidades en tiempo real, mientras que el módulo básico COM Express®, junto con una pequeña unidad gráfica, proporcionaba la potencia informática para la conducción autónoma.

El sistema modular hace posible utilizar las conexiones requeridas para los periféricos del vehículo. De esta forma, el “cerebro” se integra de forma compacta y potente. Como pionero de los módulos COM-Express®, Kontron es el socio más adecuado. El módulo COMe-bCL6 con un Core™ i7-9850HE de Intel® brinda la potencia informática que se necesita y reduce la sobrecarga externa con la memoria flash soldada.

La tecnología de sensores externos se conecta a través de USB y Ethernet. Una conexión Ethernet directa entre el módulo COMe y el microcontrolador permite un intercambio de datos rápido y flexible entre las dos unidades, mientras que la conexión del módulo COMe al bus CAN en el vehículo permite una fácil comunicación con todas las demás placas.

Al principio lo que era solo una idea se transformó en un prototipo inicial con mucha investigación y discusión, que fue revisado inicialmente por ex miembros del equipo. Con esta idea, se consultó a Kontron que rápidamente ofreció su apoyo. En varias reuniones posteriores, se finalizó la selección de la placa adecuada y se permitió someter los diagramas de circuito a una revisión profesional.

En los próximos meses, la placa estará completamente desarrollada y fabricada. Y una vez realizada, se unirán ambas partes y se instalará en la última generación del coche de carreras eléctrico de Hamburgo.

Placa del último modelo del Formula Student EGN22

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