Engineering
Autonomer Kleinbus
Fahren Sie nachts nach einem Regen in einem fahrerlosen Elektro-Kleinbus über einen Universitätscampus. Er lenkt nach Pure Pursuit - er zielt auf einen Punkt voraus auf der Bahn mit der Krümmung 2 sin(alpha)/L_d, auf einem Kreis genau 1/R -, verlangsamt für jede Kurve auf sqrt(a_lat/kappa), hält an zwei Haltestellen innerhalb der Komfortgrenzen von Verzögerung und Ruck genau auf der Marke und beobachtet die Straße mit einem Fächer von Lidarstrahlen. Eine Fußgängerin wartet am Zebrastreifen: der Kleinbus sieht sie und lässt ihr den Vortritt. Schalten Sie die Vortrittsregel ab, und sie tritt 14 m voraus auf die Fahrbahn - die Notbremsung braucht die Strecke der Formel v tau + v^2/2a + v a/2j; geben Sie der Wahrnehmung 1,2 s Latenz, und er erreicht sie; parken Sie einen Lieferwagen vor dem Zebrastreifen, und sie bleibt verdeckt, bis sie auf der Fahrspur ist. Versuchen Sie trockenen Asphalt und nasses Laub, und verfolgen Sie jedes Joule von der Batterie in Motoren, Luft, Reifen und Bremsen und über die Rekuperation zurück.
Was passiert
Ein Kleinbus von 3000 kg (2400 kg und 8 Fahrgäste) fährt eine Campusrunde von 116,8 m, 76 + 13π m, mit Kurven von 5 und 8 m. Kinematisches Einspurmodell um die Hinterachse, Radstand 3 m: θ’ = v·tan δ/L. Pure Pursuit zielt auf den Bahnpunkt L_d = 2 m + 0.6 s·v voraus und befiehlt κ = 2 sin α/l_d, auf einem Kreis genau 1/R; der Lenkservo dreht höchstens mit 0,7 rad/s bis 35°. Der Planer hält die Reisegeschwindigkeit, die Kurvengrenze √(a_lat/κ) mit a_lat = 1.2 m/s² (nie über μg/2) ab der Stelle, an der der Vorausschaupunkt in eine Kurve eintritt, und 2 m/s am Zebrastreifen, solange jemand daneben wartet; für die Kurven, die nächste Haltestelle und ein Hindernis bremst er, sobald eine komfortable Verlangsamung - Ruck 1,5 m/s³ bis auf 0,96 m/s², dann konstant - die ganze verbleibende Strecke braucht, und folgt dann v²/2d auf die Grenze, innerhalb von 1,2 m/s² und der Ruckgrenze. Ein 2D-Lidar am Stoßfänger sendet bei 10 Hz 121 Strahlen über 120°, Reichweite 30 m, Rauschen 2 cm aus einem festen Startwert, gegen Wände, Pfosten, Bäume, den Lieferwagen und die Fußgängerin; Treffer innerhalb 1,5 m von der Bahn voraus sind Hindernisse. Der Planer sieht jeden Scan nach der Latenz (0,3 s); ist die Zeit bis zur Kollision kürzer, als ein komfortabler Halt braucht, bremst er gesteuert mit Ruck 20 m/s³ auf min(6, 0.9μg) m/s² und hält in v·τ + v²/2a + v·a/2j − a³/24j² ab dem Scan (μ = 0.85, 0.55, 0.3). Die Bewegung ist stückweise exakt: konstanter Ruck über höchstens 10 ms bei festgehaltener Lenkung ist ein Kreisbogen der gefahrenen Länge; der Halt, das Ende der Bremsrampe und die Latenzzeitpunkte werden innerhalb des Schritts gefunden. Arbeit an den Rädern mit Vierpunkt-Gauß: Batterie = Antrieb/0.9 + 2 kW Nebenverbraucher − 0.7 × rekuperiertes Bremsen (höchstens 40 kW), der Rest des Bremsens erwärmt die Reibungsbremsen; die Bilanz schließt bis auf Rundung.
Zum Ausprobieren
Sehen Sie eine Runde: die Kurvengeschwindigkeiten, die Halte auf der Marke an den Haltestellen und den Kleinbus, der am Zebrastreifen Vortritt lässt; schalten Sie die Vortrittsregel ab und vergleichen Sie den Halt mit der Strecke der Formel; erhöhen Sie die Latenz, bis der Kleinbus die Fußgängerin erreicht; wählen Sie den Lieferwagen; versuchen Sie nasses Laub; verkürzen Sie die Vorausschauzeit und beobachten Sie die Lenkung.
Das Modell und seine Grenzen
Ein kinematisches Einspurmodell: kein Reifenschlupf und keine Querdynamik, die Reibung begrenzt nur die Notbremsung und die Kurvengrenze; ein Lehrplaner, kein zertifizierter Autopilot und kein neuronales Netz. Das Lidar tastet eine Ebene gegen Kreise und Strecken ab, ohne Regenechos, Clusterbildung oder Verfolgung; die Fußgängerin folgt einem Skript und wird nie über die Zebrastreifenregel hinaus vorhergesagt; ein Kontakt wird gemeldet, nicht simuliert. Motor- oder Rekuperationszweig wird je Stück von 10 ms nach der Nettoarbeit am Rad gewählt; die Batterie ist ein Energiespeicher mit konstanten Wirkungsgraden. Eine Campusrunde in voller Größe, kein anderer Verkehr.
Gleichungen des Moduls
Gleichungen θ’ = v·tan δ/L, κ_cmd = 2·sin α/l_d, L_d = L0 + k·v, on a circle α = L_d/2R, so κ = 1/R v_curve = √(a_lat/κ), brake when d ≤ D(v, a, v_c); then a = −(v² − v_c²)/2d, |a| ≤ a_c, |da/dt| ≤ j TTC = d/v; emergency if d − 1 m < D_comfort; s_stop = v·τ + v²/2a_e + v·a_e/2j_e − a_e³/24j_e², a_e = min(6, 0.9·μ·g) E_batt = W_trac/η_m + E_aux − η_r·W_regen, W_trac − W_brake = ΔE_k + F_r·s + ∫c·v³ dt
