Gacha – robottibussi

Teksti Jussi Suomela, GIM Ltd.
Kuvat Istockphoto, GIM

Sensible 4 on kehittänyt haastavissa pohjoismaisissa sääolosuhteissa toimivan automaattibussin – Gachan. Bussin muotoilu on saanut inspiraationsa japanilaisten leluautomaattien pakkauskapselista – gachasta.

Gacha on SAE 4-automaatiotason ajoneuvo, mikä tarkoittaa, että se pystyy ajamaan täysin autonomisesti pääosan toiminta-ajastaan ja tarvitsee ihmisen väliintuloa vain hyvin harvoin. Bussin käyttökohteena ovat ensimmäisen ja viimeisen kilometrin palvelut osana joukkoliikennettä. Käytännössä tämä tarkoittaa yhdysliikennettä juna- ja metroasemien ympärillä. Tosin Gacha soveltuu mihin tahansa yhdysliikenteeseen alueilla missä käytännön ajonopeudet ovat 0-50km/h.
Sensible 4:n ydinosaaminen on ajoneuvojen automaattiajamisen ohjelmistossa. Bussin rakentamiseen päädyttiin, koska soveltuvaa alustaa ei ollut saatavilla ja testaaminen sekä pilotointi vaativat alustan, johon mahtuisi myös matkustajia mukaan. Tähän saakka kaikki testaaminen oli tehty Renault Twizyihin perustuvilla kevytajoneuvoilla, joihin mahtuu vain kaksi matkustajaa.
Bussin perusvaatimuksina olivat päästöttömyys, toimivuus suomalaisessa talvessa, miellyttävä matkustuskokemus ja autonomisuus. Bussin voimalinja on täysin sähköinen. Molemmilla akseleilla on tehokas kestomagneettitahtikone ja 360V/25kWh:n Li-NCM akusto on sijoitettu kahteen pakettiin ajoneuvon molempien päiden penkkien alle, jotta lattia saatiin riittävän matalaksi. Neliveto ja riittävä vääntömomentti takaavat etenemiskyvyn talviolosuhteissa ja myös vuoristoalueilla sijaitsevissa kaupungeissa. Nykyinen voimalinja on tarkoituksella jonkin verran ylimitoitettu. Se mahdollistaa yli 80km/h huippunopeuden sekä jopa 15% nousut. Sähköisen voimalinjan on suunnitellut ja valmistanut kotimainen Hybria Oy. Matkustusmukavuuden takaamiseksi lattia ja lasit ovat lämmitettyjä. Talvikeleillä päälämmön tuo biodieselillä käyvä polttoainetoiminen lämmitin, jotta rajallista akkukapasiteettia ei tuhlata lämmön tuottoon. Kesäkeleillä ilman pitää viileänä sähkötoiminen ilmastointilaite. Ohjaamoa bussissa ei ole, vaan kaikki tila on matkustamoa.

Gacha on yleisnimi japanilaisen leluautomaatin pakkauskapseleille.

Automaatio
Automaattisen ajamisen ensimmäinen vaatimus on, että ajoneuvo on täysin ”Drive-by-Wire” (DbW) ohjattavissa. Voimalinjan osalta tämä oli helppoa koska sähkömoottorien ohjaimet ovat CAN-ohjattuja. Molempien moottoreiden nopeutta ja momenttia voidaan säätää lennosta. Koska moottorit myös regeneroivat ja ovat ajoneuvon kokoon nähden varsin voimakkaat onnistuvat normaaliajon kiihdytykset ja jarrutukset pelkästään ajomoottoreilla.
Tieliikenneajoneuvossa on luonnollisesti oltava myös tehokkaat mekaaniset jarrut hätätilanteiden varalla. Gachassa ne on toteutettu kahdella erillisellä hydraulisella piirillä, jotka käyttävät kaikissa pyörissä olevia tehokkaita levyjarruja. Jarrupaine tuotetaan sähköisellä toimilaitteella, jota ohjataan CAN-väylän kautta. Turvallisuuden varmistamiseksi on molempien ajomoottoreiden vaihteissa jousikuormitettu sähköjarru, joka aktivoituu käyttöjännitteen hävitessä. Ohjaus on myös toteutettu sähköisillä toimilaitteilla. Molemmat akselit ohjaavat, jolloin bussi kääntyy pienessä tilassa ja tarvittaessa sitä voidaan ajaa kumpi tahansa pää edellä. Ainoastaan ajovalot ja oven sijainti vain toisella puolella rajoittavat kaksisuuntaista ajamista. Mainituille alemman tason järjestelmille on oma ajoneuvoluokiteltu ECU, joka vastaa ohjauksista sekä takaisinkytkentätiedon, kuten ohjauskulmien ja pyöräodometrian lukemisesta.

Robottibussin koko sisätila on matkustamoa – kuljettajaa ei ole.

Automaattinen ajaminen
Automaattinen ajaminen perustuu Sensible 4:n modulaariseen ohjelmistoon ”S4-SDV-System” (Sensible 4 Shared Driverless Vehicle System) ja kattavaan valikoimaan ympäristöä havainnoivia antureita. Anturointi koostuu neljästä 3D-laserskannerista eli lidarista, kahdeksasta 77GHz ajoneuvotutkasta, viidestä kamerasta, RTK-GPS:tä sekä IMUsta (inertiamittausyksikkö). Lisäksi kaikilta neljältä pyörältä saadaan pulssianturidataa kuljetusta matkasta.
Yleisellä tasolla ajaminen koostuu paikannuksesta, reitin seurannasta, ympäristön kohteiden havainnoinnista ja niihin liittyvästä päätöksenteosta sekä operaattorin etätuesta ja laivueen ohjauksesta.
Pohjoisen oloissa kaistaviivojen tai kaistan optinen seuranta ei varsinkaan talviaikaan toimi, joten kaistalla pysyminen perustuu tarkkaan paikannukseen. Paikannuksen pääantureina toimivat 3D-lidarit, joilla tehdään kolmiulotteinen todennäköisyysjakaumamalli ympäristöstä, minkä jälkeen samoilla antureilla mitataan ajoneuvon paikka suhteessa ympäristöön. Lidar-navigoinnin tukena toimivat pyöräodometria ja IMU, joilla saadaan estimaatti ajoneuvon liikkeestä lidar-mittausten välillä sekä RTK-GNSS, joka antaa tarkan globaalin paikan. Globaali paikkareferenssi on tarpeen erityisesti kartoituksessa, missä osakartat on saatava samaan koordinaatistoon. Samoin tarkkaa globaalia paikkaa voidaan fuusioida lidar-pohjaiseen paikkaan.
Ajamista varten on toiminta-alue kartoitettava. Kartoitus tapahtuu itse ajoneuvolla, jolla ajetaan toiminta-alue läpi kartoitusmoodissa. Ajoneuvo muodostaa ympäristöstä 3D-mallin, jota käytetään jatkossa ajoneuvojen paikantamiseen. Kun kartta on valmis, voidaan siihen määritellä ajoneuvon haluttu reitti sekä mahdolliset erikoisalueet, kuten risteykset, suojatiet ym. Tämän jälkeen automaattinen ajaminen on mahdollista.
Liikenteessä turvallisuus on aina ykkösasia ja siitä vastaa esteiden havainnointi- ja seurantajärjestelmä. Esteiden havainnointi perustuu lidar-, tutka- ja kamerainformaatioon, joita fuusioimalla tunnistetaan reitillä olevat staattiset esteet sekä pyritään arvioimaan dynaamisten esteiden liike, eli ovatko ne mahdollisesti törmäyskurssilla. Näiden tietojen pohjalta säädetään ajoneuvon nopeutta tai pysähdytään kokonaan.

Oheisessa kuvassa näkyy risteystilanne ja järjestelmän kartta sekä anturi-informaatio tilanteesta. Violetti/purppura on etukäteen tehty 3D-kartta, ajoneuvon ympärillä näkyvät punaiset, keltaiset ja vihreät ”renkaat” ovat reaaliaikaista lidar-dataa. Ajoneuvon edessä oleva sininen suorakaide on karttaan merkitty suojatie. Vasemmalla näkyvät siniset pallot ovat tunnistettu liikkuva kohde.

Tällä hetkellä ajoneuvo voi väistää estettä – eli suunnitella itsenäisesti uuden reitin esteen ympäri – jos sen voi tehdä menemättä vastaantulijoiden kaistalle. Mikäli tämä ei ole mahdollista, ajoneuvo pysähtyy ja ottaa yhteyttä valvomoon. Valvoja antaa sitten tilanteen salliessa ajoneuvolle luvan ohittaa vastaan tulevien kaistaa pitkin.
Gacha on suunniteltu osaksi julkista liikennettä, jolloin olennainen osa järjestelmää ovat asiakasrajapinta sekä valvomo. Asiakasrajapinta on käytännössä mobiilisovellus, josta näkee bussien reitit ja sijainnin sekä voi liikennöintitavan mukaan tilata tai pysäyttää bussin. Etävalvomo taas valvoo bussien toimintaa sekä auttaa poikkeustilanteissa. Matkustajien ei voida olettaa eikä haluta puuttuvan ajoneuvon operointiin, avustava valvomo on välttämätön. Valvomon lisäksi tarvitaan vielä normaali ylläpito latauksineen, siivouksineen ja huoltoineen.
Vuoden 2019 aikana Sensible 4 ajaa Gacha-pilotteja Otaniemessä, Keran alueella Espoossa, Hämeenlinnassa sekä Kivistössä Vantaalla. Automaatioväylän lukijat ovat tervetulleita kyytiin.

Gacha-konseptivideo: https://www.youtube.com/watch?v=W0oxz9KpiIY
Gacha premiere: https://www.youtube.com/watch?v=umx8vhZD_do