Author:
Filip Geuens is ceo van Xenomatix uit Leuven.
Reading time: 6 minutes
Het Leuvense Xenomatix werkt aan een lasergebaseerd systeem dat het wegdek tot vijftien meter voor een wagen in kaart brengt. Op basis van de 3d-metingen kan de ophanging van de auto zich proactief instellen op aankomende obstakels en oneffenheden en zo het rijcomfort en de veiligheid verhogen. Xenomatix-ceo Filip Geuens legt uit hoe het systeem werkt.
Stel, uw volgende wagen vergt niet langer uw permanente aandacht achter het stuur. Hij rijdt (deels) zelf van A naar B. Zult u die vrijgekomen tijd en aandacht echt besteden aan werken, lezen of koffiedrinken achter het stuur? Wie zich vandaag laat rondrijden door een chauffeur komt al nauwelijks tot deze activiteiten, voornamelijk omdat de wagen te veel schuddende bewegingen maakt (op onze vaak slecht onderhouden wegen). Voor zeventig procent van de mensen volstaat het rijcomfort van de huidige auto’s niet om langdurig te lezen of op een elektronisch scherm te werken zoals in een (hogesnelheids)trein of vliegtuig.
De auto-industrie werkt reeds vele jaren aan actieve ophangingen die moeten leiden tot een verhoogd rijcomfort. Bekrachtigde veerpoten maken het bijvoorbeeld mogelijk om een wiel in te trekken om de impact van een put in de weg te vermijden. Actieve ophangingen kunnen ook het rollen van de wagen in een bocht opvangen, evenals de impact van een verkeersdrempel. Door de passagiersruimte steeds horizontaal te houden en alle abrupte schokken op te vangen, zullen ze een sleutelrol spelen in de verwachte ‘tijdswinst’ die de zelfrijdende auto ons moet brengen. Een essentieel hulpmiddel om deze hoge verwachtingen in te lossen, is een ‘wegmeetsysteem’: de ogen van de wagen die elk hoogteverschil op voorhand nauwkeurig zien.
Ophangingen zijn typisch reactief: ze proberen zo goed mogelijk te reageren op de impulsen van de weg. Dankzij een meetsysteem dat enkele (tientallen) meters voor de wagen obstakels en oneffenheden kan detecteren, wordt het mogelijk de ophanging proactief te maken. Dit draagt niet enkel bij tot comfort, maar ook tot veiligheid: het wegmeetsysteem kan bijvoorbeeld bepalen of een obstakel op de weg onder het voertuig past. Zo niet, dan kan de (zelfrijdende) wagen het best een uitwijkmanoeuvre uitvoeren. Past het wel, dan volstaat een kleine stuurbeweging zodat het obstakel tussen de wielen ligt en geen impact oplevert.
Weinig structuur
De gemiddelde moderne auto, zeker als het een high-end model is, beschikt reeds over een aantal camera’s, bijvoorbeeld voor de herkenning van verkeersborden. Er zijn al verschillende pogingen ondernomen om deze ook te gebruiken voor de bepaling van het wegprofiel. Dat blijkt in de praktijk onvoldoende goed te werken, om een aantal redenen.
Opdat een actieve ophanging de impact van een verkeersdrempel comfortabel kan opvangen, is het van groot belang om de hoogte en positie van deze drempel precies op te meten. 2d-camerabeelden bieden onvoldoende informatie om positie, vorm en hoogte met voldoende nauwkeurigheid te bepalen. Het is wel mogelijk om de aanwezigheid van een verkeersdrempel te herkennen in de beelden, maar de precieze geometrie is er niet uit af te leiden. Dit geldt evenzeer voor putten en oneffenheden in het wegdek.
Klanten die extra betalen voor een actieve ophanging rekenen ook op extra comfort en veiligheid. Vooral ’s nachts, wanneer het menselijk oog al wat meer moeite heeft om een obstakel te herkennen, verwachten ze dat de technologie deze rol overneemt. Helaas hebben 2d-camera’s nog meer moeite om obstakels te herkennen in het donker. Dit vanwege het gebrek aan belichting. Door zijn zeer hoge dynamisch bereik kan het menselijk oog zich aanpassen aan zeer uiteenlopende belichtingsomstandigheden. Het overtreft hiermee ruimschoots de camera’s die momenteel in wagens zijn te vinden.
Verder hangt de wegligging van de wagen af van hoe goed de wielen contact houden met de weg. Hoe preciezer we de hoogtevariaties in het wegdek waarnemen, hoe preciezer dat contact kan zijn. Uit 2d-camerabeelden is het zeer moeilijk om een precies 3d model van de weg af te leiden, temeer daar in wegen weinig structuur zit die nuttig is voor dieptebepaling.
De meeste constructeurs van actieve ophangingen zijn zich bewust van het belang van een goed wegmeetsysteem dat voldoende ver en nauwkeurig voor de wagen kan kijken. De ophangingen zijn efficiënter aan te sturen wanneer op voorhand bekend is welke invloeden zullen inwerken op de wielen. Bovendien zullen ze hierdoor minder energie vergen; het zal niet langer nodig zijn om voortdurend hoge vermogens in de ophanging te stoppen om zeer snel te reageren op een plotse impact.
In het donker
Bij Xenomatix hebben we een lasergebaseerd wegmeetsysteem ontwikkeld, Xenotrack geheten. Hiermee projecteren we gelijktijdig duizenden laserstralen voor de wagen. Voor elke straal meten we het snijpunt met de weg tot zestig keer per seconde op in drie dimensies. Zo bouwen we een puntenwolk op die met hoge resolutie en nauwkeurigheid het wegdek voor de wagen digitaliseert. Met millimeterprecisie kan het systeem elke verkeersdrempel, put in de weg, oneffenheid of obstakel bepalen. Uit de puntenwolk leiden we een controlesignaal af voor de aansturing van de actieve ophanging.
De Xenotrack-sensor zit typisch achter de voorruit, in de koplampen of achter de grille van de wagen. Hij volgt dus de bewegingen van de passagiersruimte. De metingen leveren directe informatie over het rollen en stampen (roll and pitch) van het voertuig. Deze gegevens zijn te gebruiken om de veiligheid en de wegliggingsprestaties te verhogen. Ze zijn veel preciezer dan de ruizige en indirecte data van inertiële sensoren of accelerometers, die hier typisch voor worden gebruikt.
We meten het volledige wegdek op, tot vijftien meter voor de wagen. Alle meetpunten brengen we samen in een zogeheten rollend tapijt. Op basis van snelheid en stuurhoek, die we inlezen uit de Can-bus van de auto, kunnen we het traject van de wielen bepalen op het rollende tapijt. Dit gebruiken we dan om te berekenen met welk deel van de weg ze in contact komen. Voor elk wiel afzonderlijk geven we het wegdekprofiel door aan de stuureenheid van de actieve ophanging. Bij een draaibeweging kan het voorwiel bijvoorbeeld een put in het wegdek vermijden terwijl het achterwiel toch de impact zal voelen. Dit kunnen we precies voorspellen en tijdig doorgeven zodat de ophanging zich daarop kan instellen.
Xenotrack werkt vanuit een rijdend voertuig in om het even welke omstandigheden, op droog, nat of besneeuwd wegdek, dag en nacht. Het gebruik van actieve belichting in de vorm van een dichte bundel laserstralen zorgt ervoor dat het systeem het wegdek ook in het donker nauwkeurig kan digitaliseren. De nauwkeurigheid is onafhankelijk van het omgevingslicht en bedraagt ongeveer één millimeter.
Het meetbereik is voldoende om de klus te klaren bij om het even welke rijsnelheid. Een actieve ophanging kan zich op minder dan een tiende van een seconde instellen. Dit betekent dat bij een rijsnelheid van 100 km/u een put in de weg uiterlijk drie meter voor de wagen nauwkeurig bekend moet zijn opdat de ophanging zich kan aanpassen.
Volledige omgeving
Het gepatenteerde concept is geschikt voor toekomstige integratie in massaproductiewagens. Belangrijk hierbij is dat er geen mechanische onderdelen in zitten die de laserstralen een scannende beweging geven. Dergelijke mechanismen zijn doorgaans slijtagegevoelig en onderhevig aan krachten en trillingen van het rijdende voertuig. Autofabrikanten geven de voorkeur aan een solid-state oplossing, zonder bewegende delen.
Momenteel zijn er slechts enkele (exclusieve) wagens op de markt die voorzien zijn van een actieve ophanging. Dit aantal zal toenemen, mede onder impuls van de evolutie naar zelfrijdende wagens. Zowat alle fabrikanten van ophangingssystemen werken aan actieve ophangingen met previewsystemen. De belangrijkste spelers maken al gebruik van Xenotrack om de prestaties van toekomstige actieve ophangingen te verbeteren. We hebben onze technologie ook voorgesteld aan de automobielconstructeurs die de sensor in de wagen moeten inbouwen.
We werken nu aan varianten die niet enkel de weg, maar de volledige omgeving van de wagen digitaliseren. Daarbij besteden we veel aandacht aan het halen van veeleisende specificaties op het vlak van betrouwbaarheid, kostprijs en afmetingen. Deze nieuwe ontwikkeling brengt de zelfrijdende wagen nog weer een stukje dichterbij.
