Forschungsprojekt
Autonomes Fahrrad
Projektlaufzeit
2017–2019
Rolle und Beitrag
Alleinverantwortliche Entwicklung & Projektleitung (100 % Eigenanteil)
Eingesetzte Technologien und Kompetenzen
-
Embedded-Hardware-Entwicklung (OrCAD: Schaltplanerstellung, Leiterplattenlayout)
-
Embedded-Software-Entwicklung (ATmega, STM32 – C mit RTOS)
-
Entwicklung von Kombiinstrumenten (Qt, QML)
-
Entwicklung von Computer-Vision-Algorithmen (OpenCV, C++)
-
Entwicklung von Robotersteuerungsalgorithmen (STM32, CMSIS-DSP)
-
Mechanische Konstruktion / CAD (SolidWorks)
-
Hardwareintegration und elektrischer Aufbau
Einführung
In meinem Bachelorstudium entwickelte ich ein autonomes Fahrrad, um die inhärente Instabilität von Zweirädern zu überwinden. Das zweistufige Projekt, das von einem selbstbalancierenden Prototyp zu einem Modell in Originalgröße weiterentwickelt wurde, erhielt mehrere Auszeichnungen und breite Medienberichterstattung.
Phase 1 (2017) – Selbstbalancierendes Funktionsmodell
Hardware- und Systemdesign
Für die erste Phase des Projekts entwickelte ich einen selbstbalancierenden, skalierten Prototyp unter Verwendung eines Raspberry Pi als Hauptprozessor. Die physische Hardware wurde im CAD entworfen und mittels 3D-Druck gefertigt. Zum Betrieb des Systems konstruierte ich eine eigene Leiterplatte (PCB) – dies war mein erster eigener Leiterplattenentwurf –, welche den Motorsteuerungs-IC, die Batterieschutzschaltung und die Sensorschnittstellen vollständig integrierte.
Steuerungsalgorithmen und Autonomie
Um das Selbstbalancieren zu ermöglichen, erfasst eine Inertiale Messeinheit (IMU) kontinuierlich die Neigung des Fahrrads, während ein PD-Regler mit einer Regelfrequenz von über 50 Hz den exakten Lenkwinkel berechnet, der zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts erforderlich ist. Darüber hinaus nutzt eine nach vorne gerichtete MIPI-Kamera OpenCV zur Erkennung von Zielorten, sodass der Prototyp während des Balancierens autonom navigieren kann.
Auszeichnung: In Anerkennung seiner Innovation erhielt das System beim Creative IT Design Competition im Frühjahr 2017 am POSTECH mehrere Ehrungen, darunter den Grand Prize und den VADAS Award.
Darüber hinaus gewann das Projekt den ersten Preis beim Creative ICT Convergence Forum im COEX in Seoul.
Funktionsmodell eines selbstbalancierenden Fahrrads (Mai 2017)
%20ICT%20-%20%EB%AF%B8%EB%9E%98IT%EC%9C%B5%ED%95%A9%EC%97%B0%EA%B5%AC%EC%9B%90%EC%9E%A5.jpg)
Hauptpreis – Creative ICT Convergence Forum 2017 (Dez. 2017)
%20%EC%B0%BD%EC%84%A4%202%20-%20%EC%A3%BC%EC%9E%84%EA%B5%90%EC%88%98.jpg)
Hauptpreis – Creative IT Design Competition, Frühjahr 2017 (Juni 2017)
%20%EC%B0%BD%EC%84%A4%202%20-%20VADAS.jpg)
VADAS Award (Sonderpreis) –
Creative IT Design Competition, Frühjahr 2017 (Juni 2017)
Phase 2 (2018–2019) – Autonomes Fahrrad in Originalgröße
Einführung
Nach der erfolgreichen Machbarkeitsstudie am Modell wurde in Phase 2 ein autonomes Fahrrad in Originalgröße entwickelt. Um maximale Anpassbarkeit zu gewährleisten, wurde ein handelsübliches Fahrrad mit verschiedenen Modulen nachgerüstet, darunter ein digitales Kombiinstrument, ein Akkupack sowie Motoren für Lenkung und Antrieb.
Technische Umsetzung
Als Benutzeroberfläche dient ein digitales Kombiinstrument, das auf der NVIDIA Jetson-Plattform mittels Qt (C++) und QML entwickelt wurde. Über dieses Interface kann der Nutzer den Status in Echtzeit überwachen und zwischen den Betriebsmodi (Fernsteuerung, Manuell, Autonom) wechseln. Zudem wurde eine kartenbasierte Navigation via OpenStreetMap integriert.
Für die Echtzeit-Balancierung wurde eine eigene Steuerplatine auf STM32-Basis entwickelt. Diese erfasst den aktuellen Neigungswinkel (Rollwinkel) und regelt den Lenkwinkel entsprechend nach. Die Soll-Richtung (Kurs) wird mittels Computer Vision (OpenCV) auf dem Jetson berechnet und an den STM32-Controller übermittelt.
Das System hat erfolgreich demonstriert, dass das Fahrrad autonom zu einem Ziel navigieren und sich dabei selbstständig ausbalancieren kann – sowohl mit als auch ohne Fahrer.
Auszeichnung: In Anerkennung seiner Innovation erhielt das System bei den Creative IT Design Competitions im Frühjahr 2018 und Frühjahr 2019 an der POSTECH mehrere Ehrungen.
Darüber hinaus gewann das Projekt den Hauptpreis (Ministerpreis) und den Excellence Award des ICT Creative Consilience Programme auf den Creative ICT Convergence Forums 2018 und 2019.
Lenk- und Sensoreinheit (März 2019)
Autonomes Fahrrad in Originalgröße (vor Einbau der Sensoreinheit) (Mai 2018)
Digitales Kombiinstrument und dessen Benutzeroberfläche mit Qt und QML (Apr. 2019)
Auszug aus der „UART-Protokoll-Spezifikation (V1.1)“ für das autonome Fahrrad (Apr. 2018)
Vereinfachtes Systemdiagramm (Juni 2019)
%20ICT%20-%20%EA%B3%BC%EA%B8%B0%EC%A0%95%ED%86%B5%EB%B6%80%EC%9E%A5%EA%B4%80.jpg)
Hauptpreis (Ministerpreis) –
ICT Creative Consilience Program (Apr. 2019)
%20ICT%20-%20%EC%A0%95%EB%B3%B4%ED%86%B5%EC%8B%A0%EA%B8%B0%EC%88%A0%EC%A7%84%ED%9D%A5%EC%84%BC%ED%84%B0%EC%9E%A5.jpg)
Excellence Award – Kategorie Creative Research, ICT Consilience Program (Mai 2018)
%20%EC%B0%BD%EC%84%A4%203%20-%20%EC%A3%BC%EC%9E%84%EA%B5%90%EC%88%98.jpg)
Hauptpreis – Creative IT Design Competition, Frühjahr 2018 (Juni 2018)
%20%EC%B0%BD%EC%84%A4%204%20-%20%EC%A3%BC%EC%9E%84%EA%B5%90%EC%88%98.jpg)
Hauptpreis – Creative IT Design Competition, Frühjahr 2019 (Mai 2019)
In den Medien präsentiert
%20-%207.png)
Bericht über das Autonome Fahrrad im koreanischen öffentlich-rechtlichen Sender KBS (Dez. 2020)
_%EC%88%98%EC%A0%95-0001.png)
Bericht über das Autonome Fahrrad beim öffentlich-rechtlichen Sender MBC (Mai 2018)
%2000-00-23.png)
Bericht über das autonome Fahrrad bei der koreanischen Nachrichtenagentur Yonhap (Apr. 2019)
_%EC%88%98%EC%A0%95-0002.png)
Bericht über das Autonome Fahrrad im koreanischen öffentlich-rechtlichen Sender KBS (Mai 2018)
_%EC%88%98%EC%A0%95-0003.png)
Bericht über das Autonome Fahrrad im koreanischen öffentlich-rechtlichen Sender KBS (Apr. 2018)
![[포항MBC] 해시태그인터뷰 자율주행자전거 포스텍 송영운 00-06-53.png](https://static.wixstatic.com/media/b520b9_66f04b8deeda40cfade2aa5588a1d05e~mv2.png/v1/fill/w_980,h_551,al_c,q_90,usm_0.66_1.00_0.01,enc_avif,quality_auto/%5B%ED%8F%AC%ED%95%ADMBC%5D%20%ED%95%B4%EC%8B%9C%ED%83%9C%EA%B7%B8%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%B7%B0%20%EC%9E%90%EC%9C%A8%EC%A3%BC%ED%96%89%EC%9E%90%EC%A0%84%EA%B1%B0%20%ED%8F%AC%EC%8A%A4%ED%85%8D%20%EC%86%A1%EC%98%81%EC%9A%B4%2000-06-53.png)
Interview beim öffentlich-rechtlichen Sender MBC: Autonomes Fahrrad & Forschung (Juli 2018)