Трамвай без GNSS

Кейс

Беспилотный трамвай теряет спутниковую навигацию: среди плотной застройки GNSS, приёмник координат со спутников, врёт или молчит. Инерциального блока (IMU, акселерометры и гироскопы) нет. Нужна резервная одометрия — оценка скорости и положения по собственным датчикам вагона. Их три: ручка контроллера водителя и скорости передней и задней тележек. GNSS разрешён только в первые секунды, для начальной выставки.

Колёса — ненадёжный свидетель. На разгоне они проскальзывают, при торможении идут юзом, со временем изнашиваются. Связь контроллера с тягой нелинейная. И считать надо в реальном времени: задержка до 100 мс, от 10 обновлений в секунду, два ядра и полгигабайта памяти.

Что сдали

Пакеты ROS 2 Humble собираются обычным colcon build без интернета. Нода слушает телеметрию и в реальном времени публикует скорость в /result/velocity и положение в /result/position, а в диагностику — флаги проскальзывания. К коду приложены описание модели, таблицы точности и инструкция для жюри «проверка за 5 минут».

Как устроено

• Предобработка: скорости тележек переводятся из км/ч в м/с, выбросы и сообщения с откатившимся временем отбрасываются.
• Модель привода: таблицы ускорения по позиции контроллера и скорости подобраны на обучающих записях, с учётом сопротивления движению, сцепления и мощности.
• Фильтр Калмана держит скорость и поправку к модели. Модель даёт прогноз, колёса его уточняют — с тем весом, которого они сейчас заслуживают.
• Детектор проскальзывания сравнивает тележки между собой и с моделью. Если обе разгоняются быстрее, чем позволяет привод, или тормозят сильнее, фильтр перестаёт слушать колёса и едет по модели.
• Положение: первые 5 секунд GNSS ставят трамвай на ветку карты маршрута, дальше он движется вдоль неё на пройденный путь.
• На стоянках путь подтягивается к ближайшей известной остановке, заодно уточняется масштаб колеса.

Цифры

• 122 записи в формате ROS 2 bag — запись всех сообщений вагона, которую можно проиграть заново. 25 пар среди них оказались побайтными копиями. 26 записей из отдельных дней отложили на проверку.
• 0,032 м/с — медианная RMSE (среднеквадратичная ошибка) скорости против GNSS на отложенных записях. Худший случай — самый длинный прогон на 31,6 минуты: 0,16 м/с.
• 2,19 м — медианная ошибка положения вдоль пути. Прямой по курсу без карты было 3 264 м.
• 0,028 м/с и 1,86 м — ошибки скорости и положения на примере организаторов, посчитанные их же проверочным кодом.
• 2,4 мс — задержка выхода в 99 % случаев при лимите 100 мс. Нода выдаёт около 39 обновлений в секунду и берёт 65 МБ памяти.
• 12 стресс-сценариев с пропусками и шумом датчиков — ноль падений.

Что было трудно

По описанию скорость тележек в м/с, на деле в км/ч. Метки времени ходят назад, а задняя тележка одного трамвая молчит до 73 секунд. Карту путей упомянули в критериях, но не выдали. Без IMU нет курса, и на первом повороте прямая улетает на сотни метров. Карту маршрута собрали сами из GNSS обучающих записей.

Последний сюрприз пришёл в день сдачи. Организаторы уточнили, что судья сравнивает положение в абсолютной сетке координат, а не от точки старта. Со старым форматом ошибка была бы около 130 километров на каждой записи, и баллы за положение обнулились бы при любой точности. Успели переделать. Ограничения записали честно: между вариантами выбирали и по отложенным записям, так что чистым тестом их не назовёшь. А согласованный юз обеих тележек без IMU пока не отличить от обычного хода.