isicad: Вклад ANSYS в надёжность самоуправляемых автомобилей

Оригинал: Self-Driving Cars Safer by Analysis. Перевод Ольги Лукашенко.

По данным Всемирной организации здравоохранения в автокатастрофах во всем мире ежегодно гибнет 1,25 миллиона человек. Посчитайте сами: каждые две минуты кто-то погибает из-за автомашин. Но для некоторых среди нас — инженеров, старающихся спроектировать автопилотируемые машины — эта частота не столько впечатляюща: причина в том, что суммарный километраж пробега между последовательными ДТП достаточно значителен.

Согласно недавнему исследованию Randin «Вождение к безопасности», предполагаемое расстояние зарегистрированного пробега, достаточное для того, чтобы убедить общественность и законодателей в том, что автомобили достаточно безопасны, составляет 14,17 миллиардов км. Для этого потребуется 400 лет работы сотен автомобилей при езде со скоростью 40 км/ч круглосуточно без перерыва каждый божий день.

Google – лидеру дорожно-автодромных испытаний самоуправляемых автомобилей – удалось накатать только 3,22 миллиона км исключительно в режиме автономного управления: 6 лет, в течение которых испытываемые автомобили попапи в 14 аварий. Не наша вина, утверждает Google. Ладно, Google, это замечательно. Но при таких темпах потребуется свыше 2000 лет, чтобы выйти на отметку 14,17 миллиардов км.

Как избавиться от безнадёжных 2000 лет

Очевидно, что столько времени у нас нет. Сандип Совани (Sandeep Sovani), директор по разработкам для автомобилестроения в фирме ANSYS (на фото), утверждает, что большую часть всех этих миллиардов километров можно смоделировать. ANSYS самоуправляемые авто

Совани, защитивший докторскую диссертацию в области проектирования механических систем в университете Purdue, считает себя работающим на стыке автомобилестроения и моделирования. Он изучал электротранспортные средства и анализировал взаимоотношения человека и машины с позиций философии и футурологии.

В последние несколько лет Совани занялся разработкой самоуправляемых автомобилей. «Это замкнутая система управления, но весьма сложная», – говорит Совани. «На самом деле, это возможно самая сложная система управления в мире».

Если вы полагаете, что самолеты и космические корабли сложнее, вы ошибаетесь. В открытом космосе относительно немного угроз. Даже ситуации, кошмарные для летчиков-истребителей, требуют, скорее, быстрой реакции, а не всестороннего анализа угрозы. Заклинившие шасси – это ничто по сравнению с парковкой торгового центра в пятницу, когда начинаются традиционные рождественские распродажи.

Хотя в самоуправляемом автомобиле всего только около 12 датчиков: радар, камеры, лидар (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) и пр.), комбинации комплексных входных сигналов и ситуаций, в которых машина может оказаться, просто ошеломляют.

Системы для моделирования разных сред автомобиля должны формировать виртуальные деревья, поребрики и даже людей. Нужно моделировать условия, иногда безжалостные, для тестирования пределов возможностей профессиональных пилотов-автогонщиков. Например, когда под колесами гоночного автомобиля оказывается наледь?

Средства ANSYS

Хорошо известная разработками в области моделирования механических систем для автомобилестроения, фирма ANSYS первоначально предлагала решения для деформаций, напряжения и износа кузова и запчастей легковых автомобилей. После приобретения в 2006 году Fluent за 398 миллионов долларов, ANSYS начала анализировать, как автомобили перемещаются в воздушном потоке. Однако моделирование движения машин в потоке транспорта требует профессионального мастерства в другой области: электромагнетизме.

Индикация близости к другим объектам при движущемся автомобиле осуществляется путем отражения от них электромагнитных волн. Это то, как работает зрительный аппарат и мозг человека с магнитными волнами в видимой части спектра. И то, что радары, лидары и компьютеры осуществляют в остальной части спектра.

Электромагнетизм путем поглощения

В 2008 году ANSYS приобретает Ansoft за 832 миллиона долларов. Компании практически являются соседями – обе расположены в Питтсбурге или его окрестностях. И благодаря основной продукции Ansoft (Maxwell и Simplorer) ANSYS мгновенно превратилась в поставщика решений в сфере моделирования электроники и электромагнетизма.

В то время эти две компании не знали, насколько важным окажется данное приобретение для позиционирования ANSYS в плане развития самоуправляемых транспортных средств. Путем дополнительных приобретений ANSYS получила инструментарий для проектирования и анализа автопилотируемых автомобилей. Так, в 2012 году Esterel Technologies купили ради программного обеспечения SCADE. Теперь ANSYS SCADE разрабатывает управляющие программы на базе решений системного проектирования, основанного на модели (MBSE). SCADE Suite, SCADE Display, SCADE Test и SCADE LifeCycle также будут способствовать дальнейшему проектированию и оптимизации встраиваемых систем, превративших современный автомобиль в компьютерную систему на колесах.

А приобретение Delcross Technology в 2015 г. состоялось для получения технологии, трансформированной затем в ANSYS HFSS SBR+ (возбуждение и отражение лучей), с помощью которой разрабатываются решения для трехмерных антенн и электромагнитного излучения от радиолокационных станций.

«Коридор» автоматики в Аллеганских горах

Виртуальное моделирование радара самоуправляемого автомобиля в системе обнаружения пешеходов на основе HFSS (Фото предоставлено ANSYS)

Для радарных датчиков обнаружения положения соседних машин ANSYS предлагает ANSYS HFSS, название которого расшифровывается как моделирование высокочастотных электронных полей. HFSS, наряду с HBR+, обеспечивает трехмерное прогнозирование силы и формы электромагнитных непосредственно при прохождении и отражении от находящихся рядом объектов для обеспечения адекватного покрытия пространства установленными на автомобиле датчиками и отсутствия «мертвых зон».

ANSYS Electronics Desktop является комплексной платформой для анализа электромагнитного излучения. С помощью обычного интерфейса пользователя для первичной и заключительной обработки задействуется комплект инструментов ANSYS из электронных решателей, например, ANSYS HFSS, Maxwell, Q3D Extractor и Simplorer.

Системная модель автопилотируемого автомобиля ANSYS Simplorer (фото предоставлено ANSYS)

Программное обеспечение ANSYS Simplorer позволяет применять модельно-ориентированное проектирование в разных отраслях, в том числе, промышленном оборудовании, авиакосмической промышленности, электронике — и в автомобилестроении. По мнению Совани, Simplorer может служить платформой для моделирования транспортных средств. При моделировании самоуправляемого автомобиля инженер будет работать в Simplorer, выполняя MBSE, а затем с помощью SCADE сможет написать код для установленных на машине управляющих программ.

Почему ANSYS?

Существует целый ряд мощных программ моделирования автопилотируемых автомобилей, включая PreScan от TASS International и CarSim от Mechanical Simulation. Это быстро развивающаяся область, признается Сандип Совани. Чем же может быть полезна ANSYS?

Совани предполагает, что ANSYS, благодаря своим сильным сторонам в моделировании — анализу конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамике, в частности — занимает хорошие позиции для развития аналитики другого рода. Осуществив сделки поглощения, ANSYS теперь обладает полным набором инструментов электромагнитного анализа. По мере того, как автомобиль все больше нашпигован электроникой, возрастает важность моделирования электронных устройств.

Пока другие компании предлагают программное обеспечение для моделирования самоуправляемых автомобилей на базе простых аналитических или эмпирических моделей, ANSYS опирается на свое преимущество в области глубокого компьютерного анализа структурных элементов: датчиков, установленных в автопилотируемых автомобилях.

«Мы можем точно моделировать и предсказывать параметры датчиков», утверждает Совани. «С этой целью мы применяем FEA».

Приступая к работе над самоуправляемыми авто

Гонки (во всех смыслах этого слова) самоуправляемых автомобилей – явление не новое. В США правительственная организация – Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам в 2004 году поставило задачу, решение которой требовало многомиллионных вложений: автопилотируемые машины должны были пересечь пустыню Мохаве. Хваленые исследовательские группы из Калифорнийского технологического института, университета Карнеги-Меллон и других учреждений буквально разбивались в лепешку и перегорали, но ни один автомобиль не преодолел и первых 13 км из 177-ми километрового маршрута, что журнал «Popular Science» назвал катастрофой. Однако в 2006 году тюнингованный в Стенфордском университете Фольксваген Touareg (названный Стэнли) пересек финишную черту после весьма коварных 213 км пути через пустыню, за что был присужден суперприз в 2 миллиона долларов.

С того момента начался ажиотаж. Сотрудников Стенфордской группы наняла Google. Пример «гиганта поисковиков, превратившегося в изготовителя автомобилей» подтолкнул производителей компьютеров (Apple) и даже чипов (NVIDIA) ввязаться в гонку. Стало вдруг очевидным, что машины, с которыми мы росли, связаны не столько с традиционной технологией поршневого сжатия, сколько с компьютерами и программным обеспечением. Почему бы тогда не дать возможность заниматься этим компьютерных компаниям и разработчикам программных средств? Что в последнее время удалось достичь в Детройте? Все действия предпринимались в Силиконовой долине и в технологических зонах и кампусах Бостона, и отрасль все больше поворачивается к пяточку земли в западной Пенсильвании в северной части Аллеганских гор.

Планы на будущее

В партнерстве с университетом Карнеги - Меллон ANSYS планирует в 2018 г. начать работу в новом трехэтажном здании, площадью почти 3000 м², где будут находиться производственные помещения, лаборатории и аудитории (фото предоставлено ANSYS)

Взаимодействие ANSYS с исследовательскими институтами – еще одно указание на то, что ANSYS внимательно следит за потенциальными возможностями будущего. ANSYS повезло с географией: компания базируется в местечке Канонсбург, штат Пенсильвания, поблизости от Питтсбурга, где находится университет Карнеги-Меллон. В этом учебном заведении активно ведутся исследования самоуправляемых автомобилей и поддерживаются тесные связи с ANSYS. ANSYS финансирует строительство трехэтажного исследовательского центра площадью почти 3000 м², на первом этаже которого разместятся производственные помещения. Анонсированная цель – дать возможность инженерам ANSYS обучать студентов моделированию. В университетах работы в этой области ведутся, как правило, уже аспирантами и сотрудниками. Открытие центра запланировано на 2018 год.

Интерес ANSYS к моделированию электромагнитных компонентов показывает готовность и способность компании быть в курсе кардинальных перемен в автомобилестроении, которые продолжатся в следующие два десятка лет, по мере того как автопилотируемые автомобили постепенно станут появляться и выходить на передний план на наших дорогах.

ANSYS является спонсором публикации, для подготовки которой был предоставлен доступ к продукции компании и возможности общения с сотрудникам. При этом ANSYS не участвовала в работе над содержанием статьи. Все мнения, представленные в статье, являются авторскими, за исключением цитат.