Kandidatuppsats i Elektroteknik
Institutionen för systemteknik, Linköpings universitet, 2019
Dynamiskt trafikljussystem
För aktiv säkerhet- och automatiserad
fordonstestning
Kandidatuppsats i Elektroteknik
Dynamiskt trafikljussystem: För aktiv säkerhet- och automatiserad fordonstestning
Valentin Johansson LiTH-ISY-EX-ET--19/0488--SE
Handledare: J Jacob Wikner
isy, Linköpings universitet
Erik Frick
AstaZero
Examinator: Ted Johansson
isy, Linköpings universitet
Institutionen för systemteknik Linköping University
581 83 Linköping
Sammanfattning
Arbetet gick ut på att utveckla ett trafikljussystem med hjälp av en enkortsdator som är anpassningsbart för olika testscenarion av autonoma fordon hos AstaZero. Det finns idag ett behov att använda trafikljus i testningen av autonoma fordon, vilket de befintliga trafikljussystem inte är anpassade för. Därmed finns behovet att utveckla ett trafikljussystem som är simpelt nog, men har tillräckligt med funktionalitet för test av autonoma fordon. Trafikljussystemet ska kunna anpas-sas till olika tester av fordon, vara portabelt, robust, energieffektivt och enkelt att sätta upp och användas genom AstaZeros kontrollserver. Arbetet inleddes med förstudier samt framtagning av system- och funktionsdesign som mall för trafik-ljussystemet. När systemet var implementerat utfördes experiment på energiför-brukningen och robustheten. Det färdiga trafikljussystemet visade sig uppfylla de krav som ställdes i början av arbetet och har stor potential för framtida utveck-ling. Det fastslogs även att det behövs utföra fler tester på trafikljussystemet för att verifiera robustheten och effektivisera energiförbrukningen.
Abstract
This thesis involved developing a traffic light system using a single-board com-puter that is adaptable for different test scenarios of autonomous vehicles at AstaZero. Today there exists a need for using traffic lights in the testing of autonomous vehicles, which the currently existing traffic light systems are not adapted for. This raises the need for developing a traffic light system that is sim-ple enough, but has enough functionality for tests of autonomous vehicles. The traffic light system has to be adaptable to various tests of vehicles, be portable, robust, energy efficient and easy to set up and use through AstaZero’s control server. The work began with studying science articles and creating a system-and function design as a template for the traffic light system. When the system was implemented experiments were conducted on energy consumtion and robust-ness. The finished traffic light system proved to meet the requirements set at the beginning of the thesis and has shown great potential for future development. It was also stated that it is necessary to carry out further testing on the traffic light system in order to verify the robustness and make the energy consumtion more efficient.
Tack
Jag vill uttrycka en stor tacksamhet till min handledare på AstaZero, Erik Frick, som har varit till stor hjälp under arbetets gång med goda idéer och råd.
Vill även tacka min handledare på LiU, Jacob Wikner, som har hjälpt till med att bolla idéer kring rapporten.
Tack till Viktor Johansson som har gjort detta arbete möjligt hos AstaZero.
Göteborg, Maj 2019 Valentin Johansson
Innehåll
Notation xi 1 Inledning 1 1.1 Motivering . . . 1 1.2 Syfte . . . 2 1.3 Frågeställningar . . . 2 1.4 Avgränsningar . . . 2 2 Teori 5 2.1 Tekniker för smarta trafikljus . . . 52.2 IoT i trafikljussystem . . . 6 2.3 Tillförlitliga trafikljus . . . 7 2.4 Energieffektiva trafikljussystem . . . 9 3 Metod 11 3.1 Förstudie . . . 11 3.2 Implementation . . . 12 3.3 Utvärdering . . . 16 3.4 Sammanfattning av förstudie . . . 16 4 Resultat 17 4.1 Förstudie . . . 17 4.2 Implementation . . . 22 4.3 Utvärdering . . . 26
5 Diskussion och slutsatser 31 5.1 Resultat . . . 31
5.2 Metod . . . 32
5.2.1 Källkritik . . . 32
5.3 Arbetet i ett vidare sammanhang . . . 33
5.4 Slutsatser . . . 33
Litteraturförteckning 35
x Innehåll
Bilaga 1 – Komponentslista och kretsschema 39
Notation
Förkortningar
Notation Betydelse
Candela Enhet för att mäta ljusstyrka.
IoT Ett samlingsbegrepp för internetanslutningen mellan
fysiska enheter och vardagliga föremål. Olika typer av hårdvara (t.ex. sensorer) som kan kommunicera och interagera med varandra via internet.
V2I Är en kommunikations modell som tillåter bilar att
kommunicera med infrastruktur som exempelvis tra-fikljus, trafikbelysning eller vägmarkeringar.
GNSS Är ett system för att navigera med hjälp av satellit.
802.11p Är en standard som används vid bil-bil
kommunika-tion.
1
Inledning
1.1
Motivering
Autonoma fordon utvecklas i en allt högre takt där aspekter som exempelvis ef-fektivare trafik, minskade olyckor och minskade utsläpp är ett par världsföränd-rade förmåner autonoma bilar kan medföra [16]. Då uppkopplade och autonoma fordon utvecklas i en allt större utsträckning har även behovet att kunna testa och verifiera dessa på ett säkert sätt innan de går att användas i trafiken ökat. En viktig del i processen av att testa och verifiera fordon är att skapa olika test-scenarion där önskade aspekter hos fordonet kan testas. I sådana testtest-scenarion är det önskvärt att använda trafikljus som är anpassningsbara för de trafikscenarion man vill skapa. Idag finns en rad olika smarta trafikljus, som exempelvis [12], [9] eller [7]. Ett trafikljus som är simplistiskt och portabelt nog att användas i olika testområden, samt dynamiskt nog för att vara anpassningsbart för olika testscena-rion verkar ännu inte finnas. Möjligheten att ta fram ett sådant trafikljussystem skulle underlätta och komplettera testning av uppkopplade och autonoma bilar, samt eventuellt kunna bidra med nya lösningar för framtida trafikljussystem. En intressant aspekt i detta är dessutom uppkomsten och användningen av IoT ( In-ternet of Things) baserade system i trafikljussystem, vilket har sitt ursprung i den
ökande utveckling inom datainsamling, databehandling, elektronik och kommu-nikation. IoT system är i flera fall fördelaktiga, exempelvis mindre kostnader, rimlig beräkningskraft, programmeringsflexibilitet och låg energi konsumtion är några av de fördelar som finns [5]. Det finns flera sortersopen-source elektronik
plattformar som är tillgängliga och en av de mest kända är enkortsdatorn Rasp-berry Pi, som har visat sig vara en användbar plattform inom flera forskningspro-jekt av trafikljussystem. Ett antal exempel är [19], [2], [18] och [11].
Det system som utvecklas i examensarbetet ska vara till användning vid
2 1 Inledning
testning hos Astazeros testbanor. Ett anpassningsbart trafikljussystem med en IoT lösning skulle kunna medföra minskade kostnader och bättre sätt för företa-get och kunder att kunna testa och verifiera uppkopplade och autonoma fordon.
1.2
Syfte
Rapportens mål är att kartlägga existerande trafikljussystem för att sedan kon-struera ett trafikljussystem som är anpassningsbart till önskade testscenarion för autonoma fordon. Trafikljussystemet ska vara portabelt, robust, energisnålt, an-passningsbart och enkelt att använda genom AstaZeros kontrollserver, som är ett system för att övervaka och kontrollera testutrustning vid genomförande av test-ning av ADAS- (Advanced Driver Assistance Systems) och AD-funktioner (Auto-mated Driving).
Idag har Astazero inte något eget trafikljussystem. Ett försök har gjorts att använ-da befintliga trafikljussystem, men de har visat sig vara för komplexa eller simpla att använda för de ändamål företaget har, det vill säga att enkelt kunna sätta upp och styra ett trafikljus i olika testscenarion. Att utveckla ett eget trafikljussystem som kan användas för testning skulle vara bättre ur flera synpunkter, gentemot att behöva använda stora kompletta system som oftast kan vara för komplexa och kostsamma för de testscenarion man vill utföra.
1.3
Frågeställningar
De frågeställningar rapporten kommer besvara är följande:
• Är det möjligt att konstruera ett trafikljussystem som är anpassningsbart för olika tester av fordonssäkerhet?
• Hur kan ett undersystem till trafikljussystemet realiseras så att:
– Strömförsörjningen minimeras?
– Bortfall av ström i någon av trafikljussystemets enheter hanteras? • Är ett IoT-baserat trafikljussystem mer kostnadseffektivt än att investera
och underhålla ett trafikljussystem som har trafikljus för fordon och en fär-digbyggd kontrollpanel för hela systemet?
Med hjälp av dessa frågeställningar ska man kunna svara på frågan om det är möjligt att ta fram ett trafikljussystem som uppfyller kraven från företaget.
1.4
Avgränsningar
Arbetet kommer fokusera på att konstruera ett trafikljus för enbart fordon (exklu-sive fordon inom kollektivtrafik), som kommunicerar med Astazeros kontrollser-ver. Trafikljusen kommer även vara begränsade till två stycken, där vardera tra-fikljus kan kontrollera trafiken i olika körriktningar. När det kommer till logiken
1.4 Avgränsningar 3
i trafikljusen kommer det ej finnas någon optimeringsalgoritm för trafikflöden, utan enbart manuella kommandon och ett tidstyrt kommando. Dessa avgräns-ningar sattes för att det inte ska bli för stort arbete att utföra under de tio veckor examensarbetet pågår.
2
Teori
2.1
Tekniker för smarta trafikljus
En sidonotering gällande det här ämnet är att det inte kommer appliceras ett full-ständigt smart trafikljussystem inom det här exjobbet. Detta beror främst på att trafikljussystemet som tas fram inom examensarbetet kommer styras manuellt och ha tidsstyrda lägen som ej behöver vara fullt autonoma. Det skulle även inne-bära ett allt större projekt som tar längre tid, vilket inte finns inom ramarna för det här examensarbetet. Dock finns det vissa delar som är intresseväckande och relevanta att ta upp gällande smarta trafikljus, därav anledningen till att det här kapitlet existerar.
I och med det allt ökande antalet fordon som rör sig på vägarna har även utma-ningar med trafikstockutma-ningar blivit mer vanligt. För att bemöta dessa utmautma-ningar har olika sorters tillvägagångssätt tagits fram, där smarta trafikljus har visat sto-ra fördelar när det kommer till tsto-rafiksäkerhetsbeslut [9]. Idag finns en uppsjö av olika sorters trafikljussystem som tagits fram för att optimera trafikflöden, för att nämna ett par finns [23], [6], [1] och [12]. När man pratar om smarta trafik-ljus nämns tre typer av system som finns i dagens trafiktrafik-ljussystem,fuzzy expert systems (FES), artificial neural networks (ANN) och wireless sensor networks (WSN).
Det första systemet, FES, är ett tillvägagångssätt för att dynamiskt kunna kontrol-lera trafiksignaler på. FES är byggt i ett försök att försöka härma, eller reflektera, hur människor tänker och modellera en bild över vårt beslutsfattande. Genom att samla in sensor data från omgivningen och processa det i en så kalladfuzzy logic controller (FLC) kan systemet fatta beslut som har bäst utkomst när det kommer
till att minimera trängsel i trafiken.
6 2 Teori
Det andra systemet, ANN, är likt FES men med den stora skillnaden att FES an-vänder nuvarande kunskap för att göra beslut medan i ANN utförs beslut genom att använda den ackumulerade erfarenheten eller kunskapen från lösta exempel. Eftersom ANN försöker efterlikna människans hjärna har systemet en adaptiv funktion som tillåter varje nod inom nätverket att modifiera sitt tillstånd beroen-de på tidigare och nuvaranberoen-de kunskap.
Det tredje systemet, WSN, samlar både in trafikdata och kontrollerar trafikflöden, vilket sker genom att använda en algoritm. Genom detta kan systemet bestämma dirigering av trafik baserat på den framtagna sensor datan. En noterbar skillnad systemet har till skillnad från FES och ANN är att WSN inte kräver fordon att ha ytterligare system som exempelvis Radio Frequency Identification (RFID) taggar
för att kunna kontrollera och hantera trafik. Detta resulterar i att WSN system i flera fall är bättre ur ekonomiska synpunkter än FES och ANN[9].
2.2
IoT i trafikljussystem
När det kommer till trafikljussystem, men även andra system, har det blivit allt mer attraktivt att använda sig av IoT-baserade system. Flera av de existerande
open-source hårdvaruplattformar idag som Raspberry Pi [17], BeagleBoard [4]
och Arduino [3] delar på liknande egenskaper som mångsidighet, kraftfullhet, låg energiförbrukning, prisvärdhet och att de är så pass generella att man kan skapa nästan vad som helst med dem [5]. Idag kan man se flera exempel av sy-stem som är implementerade med hjälp av open-source plattformar, exempelvis
i trafikljussystem, parkeringssystem, automatisering i byggnader eller sensorer i olika miljöer. Bland deopen-source plattformar som används allt mer i IoT system
idag har enkortsdatorer visat sig vara allt mer populära. Det finns flera exempel där enkortdatorer har visat sig vara ett bra verktyg för att skapa smarta trafik-ljus, men även i andra system som exempelvis smarta belysningssystem. I [18] använde man en enkortdator i kombination med en kamera för att beräkna anta-let bilar vid olika vägar. Den informationen kunde sedan användas till att infor-mera omkringliggande trafik för att kunna hitta alternativa eller kortare rutter, vilket kan hjälpa till att optimera trafikflöden. Ett liknande projekt utfördes i [13] där man också använde en enkortsdator och en kamera för att upptäcka objekt, vilket kunde användas i exempelvis övervakningssystem. I [21] implementerade man en enkortsdator i ett belysningssystem för att lösa problemet med energiför-brukningen. I det system som byggdes kunde man spara upp till 50% av energi-konsumtionen. Dessa är ett par exempel av projekt där man har implementerat en enkortsdator i ett system för att lösa olika sorters problem. Användningen av
open-source plattformar har blivit allt mer populärt och flera ser en stor potential
i att integrera enkortsdatorer i olika sorters system. I [5] beskriver man Raspber-ry Pien som en prisvärd minidator som är energisnål och kan användas för flera ändamål. En minidator som ursprungligen var designad till att vara en prisvärd dator som kunde assistera studenter i skolan, men som nu sett en ökad använd-ning inom olika sorters projekt.
2.3 Tillförlitliga trafikljus 7
2.3
Tillförlitliga trafikljus
Vid utveckling och användning av trafikljus finns ett flertal funktionella säker-hetskrav som behöver uppfyllas för att de ska fungera säkert och kunna användas i trafiken. Dessa krav kan oftast uppfyllas genom att man följer en viss standard. I Sverige finns det en standard från Svenska institutet för standarder (SIS) som utgår från en Europastandard gällande vägutrustning och trafikljussystem [8]. Syftet med standarden är att skapa säkerhet för personer och objekt mot faror som kan orsakas i trafiken på grund av signalfel hos trafikljus genom fastställ-ning av olika funktionella säkerhetskrav. SIS har listat ett antal typer av risker som signalfel i trafikljussystem kan medföra:
• Misslyckandet att visa rött ljus i trafiken (t.ex. 2.1c).
• Ett trafikljus visar grönt ljus samtidigt som korsande trafik har grönt ljus (t.ex. 2.1a).
• Misslyckandet att visa korrekt signalsekvens i trafiken (t.ex. signalsekven-sen rött-gult-grönt-gult-rött).
• Misslyckandet att tillhandahålla rätt tidpunkt för alla signaler (t.ex. att rött, gult eller grönt inte tänds vid bestämd tid under körning).
För att säkerhetsställa att inget av ovannämnda scenarion ska kunna uppstå har standarden definierat ett antal specifikationer för trafikljussystem gällande säker-heten i trafiken. Det finns olika varianter av dessa specifikationer som trafiklju-sen kan ha för att uppnå standarden, en av dessa varianter är:
1. Förekomsten av en grön signal samtidigt som en motstridande grön signal skall registrera ett fel (se 2.1a).
2. Förekomsten av en grön signal samtidigt som en motstridande gul signal skall registrera ett fel (se 2.1b).
3. Frånvaron av en röd signal hos ett trafikljus skall registrera ett fel (se 2.1c). 4. Frånvaron av en gul eller grön signal hos ett trafikljus skall registrera ett fel
(se 2.1d).
5. Tids intervalet för trafikljussystemet att detektera ett fel och gå över till ett säkert tillstånd skall ske inom 300ms.
6. Ljusstyrkan av ett trafikljus som är på, exempelvis rött ljus, skall vara mer än 10 cd (candela).
7. Ljusstyrkan av ett trafikljus som är av, exempelvis grönt ljus, skall vara mindre än 0.05 cd.
8 2 Teori
(a) Två trafikljus får grönt ljus samtidigt.
(b)Ett trafikljus blir gult samti-digt som ett motstridande trafik-ljus visar grönt.
(c)Ett trafikljus visar grönt me-dan ett motstrime-dande trafikljus har ett frånvarande rött ljus.
(d)Ett trafikljus visar rött medan ett motstridande trafikljus har ett frånvarande gult eller grönt ljus.
Figur 2.1:En illustration av olika lägen som ej får ske hos en grupp trafikljus enligt standarden från SIS.
I standarden tar man även upp exempel på lägen ett trafikljussystem kan ha, vilket skulle kunna vara till hjälp för att uppnå de krav standarden ställer. Dessa lägen är följande:
1. fixed time operation mode 2. traffic dependent operation mode 3. standby operation mode
2.4 Energieffektiva trafikljussystem 9
5. failure mode
Ettfixed time operation mode skulle kunna vara då trafikljusen roterar mellan
grönt och rött ljus med en fixerad tid för vardera ljus, oavsett flödet i trafiken.
Traffic dependent operation mode är då man exempelvis tar antalet fordon som står
i kö i åtanke för att optimera trafikflödet. Standby operation mode kan vara då
trafikljusen står i standbyläge i väntan på att det ska komma fordon eller får en inkommande signal.Manual operation mode kan vara då trafikljusen styrs
ma-nuellt från en kontrollcentral ochfailure mode är då något fel har inträffat hos
trafikljussystemet. I examensarbetet kommer lägena 1, 3, 4 och 5 användas för att bygga upp ett trafikljussystem.
2.4
Energieffektiva trafikljussystem
Energieffektiva ljussystem har blivit ett allt mer intresseväckande område där flera artiklar tar upp vikten med att effektivisera energikonsumtionen av ljus i trafiken. I [22] skriver man att 10% av den totala energikonsumtionen i Spa-nien utgörs av trafikbelysning, där trafikbelysningen i vissa kommuner kunde stå för upp till 80% av energikonsumtionen. Flera artiklar har berört området gällande energieffektiv trafikbelysning, som exempelvis [22], föreslår ett smart belysningssystem där trafikbelysning moduler kan kommunicera med varandra trådlöst och indikera när ett objekt är i närheten. Detta möjliggör att trafikbelys-ningen kan göras allt mer energieffektiv genom att man tar bort användtrafikbelys-ningen av kablar som går mellan enheterna. En av de stora nackdelarna med kablar enligt [22] och [14] är att det medför stora kostnader för dels produktion och underhåll-ning, samt svårigheter att utföra eftermonteringar i systemet då kablar redan är dragna. Fördelarna med trådlös kommunikation är mindre kostnad vid installa-tion och enklare att installera enheter och utöka systemet i framtiden med flera enheter.
I [10] skriver man om utmaningen med att förbättra energikonsumtionen hos ljus, där ljus står för 19% av den globala energikonsumtionen. När det kommer till utomhusbelysning står trafikbelysning för runt 40% av den totala energikonsum-tionen, där man ser stor potential med att effektivisera trafikbelysning genom att använda smarta system. Förutom användningen av smarta ljussystem har även LED lampor blivit ett allt mer attraktivt val, jämfört med de konventionella lam-por som finns idag. Fördelarna med LED lamlam-por är exempelvis mindre miljöpå-verkan, justerbar dimning och optimerade operationer på belysningen som inte bara reducerar energikonsumtionen men också möjliggör längre livslängd och mindre underhåll på ljusen.
3
Metod
Projektet var uppdelat i tre stadier, där varje stadie hade ett antal metoder för att bemöta de moment som examensarbetet innehöll. Dessa stadier är följande:
• Förstudie • Implementation • Utvärdering
Förstudien bestod av att samla in information kring lämpliga områden för exa-mensarbetet genom litteraturstudier, utreda lämpliga metoder att använda samt utredning av system- och funktionsdesign för trafikljussystemet. Implementatio-nen bestod av att konstruera ihop det planerade trafikljussystemet och implemen-tera system- och funktionsdesignen, vilket skedde med programmeringsspråket C++ i Qt [15]. Utvärderingen bestod av att presentera och utvärdera systemet och testresultaten från implementations stadiet.
3.1
Förstudie
Projektet inleddes med en litteraturstudie för att hämta in information om ex-isterande trafikljussystem, utrustning som används för att styra trafikljus samt säkerhetskrav gällande trafikljus. Uppdragsgivaren hade även ett befintligt tra-fikljussystem på plats som undersöktes för att se ifall det gick att använda delar av systemet i examensarbetet. Det fastställdes relativt snabbt att det befintliga trafikljussystem som fanns var för komplext för det ändamålet kunden hade. I och med detta utfördes en sammanställning av krav från interna och externa till-tänkta användare av trafikljuset för att kunna ta fram en lämplig system- och funktionsdesign av ett nytt trafikljussystem.
12 3 Metod
En viktig del i systemdesignen var hur systemet skulle kunna detektera och han-tera bortfall av ström i någon av dess enheter. I och med att reläet sågs som en bra punkt att kontrollera eventuella bortfall av ström från kom frågan kring hur man skulle återkoppla reläets signal tillbaka till Raspberry Pien, då reläet kunde operera på upp till 24V medan Raspberry Piens pinnar enbart klarade av 3.3V. Till en början var idén att använda en spänningsregulator för att dra ned spän-ningen, samt en pull-up resistor för att undvika eventuella externa störsignaler. Problemet då var risken för överslag vid reläets utgångar, vilket kunde medföra att Raspberry Pien tog skada. För att lösa det användes en optokopplare istället för en spänningsregulator, vilket medförde att man hade två skilda spänningskäl-lor och åtskild jord (0VDC), vilket medför en bättre säkerhet mot överslag. Vid val att trafikljus lampor valdes ett par som var certifierade mot den svens-ka standarden för trafikljus och som använde LED lampor. Detta medförde att trafikljus lamporna var godkända mot kravet av ljusstyrka när trafikljusen är tän-da eller släckta.
3.2
Implementation
Efter att en system- och funktionsdesign hade sammanställts utifrån önskade krav från kunden kunde hårdvara och komponenter införskaffas till trafikljussy-stemet. När komponenterna fanns till hands kunde trafikljussystemet konstrue-ras och testas för att verifiera att den tilltänkta designen fungerade som tänkt. Parallellt med konstruktionen utvecklades och implementerades ett mjukvaru-system till trafikljusmjukvaru-systemet. Ett testprogram, Commtester, som agerar som en kontrollserver utvecklades också för att kunna kommunicera och styra trafikljus-systemet. Båda systemen utvecklades med programmeringsspråket C++ i Qt. Här var Qt redan sen tidigare ett rekommenderat val av applikationsramverk då det har en stor del bibliotek som underlättar utvecklingen av mjukvaran, samt är kompatibel med de flesta plattformar som existerar. Vid utvecklingen av
kommu-nikationen mellan trafikljussystemen och Commtester bestämdes Transmission
Control Protocol (TCP) som ett lämpligt dataöverföringsprotokoll. TCP följde i
sin tur ett kommunikationsprotokoll (ISO-standard) som var framtaget av Asta-Zero. Anledningen till att TCP valdes var främst på grund av att man fick en relativt pålitlig dataström mellan enheterna, vilket är essentiellt vid styrning av trafikljus för att dels kontrollera att ett trafikljus har mottagit ett meddelande. Nära både trafikljussystemet och testprogrammet var klara inledes genomföran-det av tester. Dessa delades upp i tre testfaser:
• Test av energiförbrukningen • Test av strömbortfall • Test av robusthet
Det första testet gick ut på att mäta skillnaden av energiförbrukningen mellan två versioner av trafikljussystemet. Den ena versionen hade ha ett undersystem
3.2 Implementation 13
som optimerade energiförbrukningen, medan den andra versionen inte hade ha ett sådant undersystem. Testet sattes upp enligt figur 3.1 där en energimätare kopplades in mellan spänningskällan och trafikljussystemet.
Figur 3.1:En bild över hur experimentet på energiförbrukningen sattes upp. Experimentet var uppdelat över två dagar, där trafikljussystemet testades ut-an ett stut-andby läge under första dagen och med ett stut-andby läge under ut-andra da-gen. Båda testdagarna följde ett identiskt körschema, där det under sju timmar utfördes olika kommandon för att simulera ett verkligt scenario som trafikljus-systemet skulle kunna genomgå ute på testbanan. I tabell 3.1 kan man se listan över de kommandon och händelser som skedde under båda testdagarna, testet började klockan 10:00 och avslutades 17:00 samma dag. En notering som gjordes innan experimentet började var noggrannheten på energimätaren. Enligt det da-tablad som fanns för energimätare låg noggrannheten på strömförbrukning på ±0.2 W, men det fanns ingen certifiering från en oberoende tredje part som kun-de verifiera kun-den noggrannheten. Detta togs till åtanke när mätningarna utförkun-des. En viktig notering kring standby läget är att Commtester pingar trafikljussyste-met regelbundet för att notifiera systetrafikljussyste-met att användaren fortfarande är aktiv. Ifall Commtester är frånkopplad i mer än 30 sekunder från trafikljussystemet kommer standby läget triggas igång.
Tid Kommando/händelse
10:00 Starta intervall (30s grönt ljus, 30s rött ljus) 10:10 Starta intervall (5s grönt ljus, 10s rött ljus) 10:20 Tänd grönt ljus
10:30 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 11:00 Starta intervall (40s grönt ljus, 40s rött ljus) 11:10 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 12:00 Blinka gult ljus
12:30 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 13:00 Starta intervall (3s grönt ljus, 3s rött ljus)
13:10 Starta intervall (30s grönt ljus, 30s rött ljus) 13:20 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 13:30 Tänd grönt ljus
13:40 Tänd rött ljus
13:50 Starta intervall (20s grönt ljus, 10s rött ljus) 14:00 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 15:00 Tänd alla ljus
15:20 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet 16:00 Starta intervall (60s grönt ljus, 60s rött ljus) 16:20 Blinka alla ljus
16:30 Commtester kopplar bort sig från trafikljussystemet
Tabell 3.1:En lista på de kommandon/händelser som skedde under testda-garna vid det första experimentet.
14 3 Metod
Det andra experimentet gick ut på att testa hur trafikljussystemet hanterar ett bortfall av ström i någon av dess enheter, i detta fall reläet. I figur 3.2 kan man se hur experimentet var uppkopplat. Från reläets tre utgångar drogs en kabel till varsin optokopplare, som skickade signalen vidare till Raspberry Pien. Efter att Raspberry Pien har skickat en styrspänning till reläet väntar Pien på att signalen till en av de återkopplade pinnarna från optokopplarkortet ändrar tillstånd. Ifall detta inte sker inom 150ms går Raspberry Pien in i failure läget, där den med-delar Commtester att det har skett ett bortfall av ström i någon av dess enheter. Därefter måste man starta om trafikljussystemet för att kunna använda systemet igen. På optokopplarkortet, se figur 3.3, finns det en lysdiod för varje optokoppla-re som tänds ifall en signal mottas från optokoppla-reläet. Detta kan användas i debug syfte för att se ifall det var reläet eller optokopplarnen som slutade fungera. Under ex-perimentet tändes ett trafikljus åt gången, samtidigt som respektive kabel mellan reläets utgång och optokopplaren kopplades bort för att se ifall trafikljussystemet hanterar det på korrekt sätt.
3.2 Implementation 15
Figur 3.3:En ingång på optokopplarkortet slås på då reläet skickar ut en signal till en av trafikljusen.
Det tredje experimentet gick ut på att testa robustheten i trafikljussystemet genom att försöka få systemet att hamna i ett tillstånd som inte var tillåtet och som kunde innebära en säkerhetsfara. Experimentet fokuserade på att testa de fall som hade störst betydelse säkerhetsmässigt. Något som diskuterades inför det tredje experimentet var att utveckla ett verifieringsverktyg som kunde använ-das istället för att behöva verifiera alla kommandon manuellt. Det fastslogs rela-tivt kort därpå att experimentet skulle utföras manuellt då ett verifieringsverktyg skulle ta för lång tid att implementera och testas inom den ramen examensarbetet var på. En lista över de varianter som utfördes finns i tabell 3.2
16 3 Metod
Kommando Orientering Förväntad respons
Tänd grönt ljus hos trafikljus 1 samtidigt som trafikljus 2 redan har grönt ljus
Korsande väg på båda Kommando nekat Tänd grönt ljus hos trafikljus
1 samtidigt som trafikljus 2 redan har gult ljus
Korsande väg på båda Kommando nekat Tänd grönt ljus hos trafikljus
1 samtidigt som trafikljus 2 kör ett intervall
Korsande väg på båda Kommando nekat Tänd gult ljus hos trafikljus
1 samtidigt som trafikljus 2 kör ett intervall
Korsande väg på båda Kommando nekat Tänd valfritt ljus hos
trafikljus 1 Olika Orienteringsfel
Tänd valfritt ljus hos trafikljus 1 när den ej har koppling med trafikljus 2, men Commtester är uppkopplad till båda
Valfritt
Trafikljus 1 försöker ansluta till trafikljus 2, om det ej fungerar skickas kommando nekat Tända valfritt ljus samtidigt
hos båda trafikljusen Korsande väg på båda
Kommando nekat eller att bara ett trafikljus får kommandot godkänt Starta upp det ena trafikljussystemet
i ett annat orienteringsläge än det andra trafikljussystemet som kör ett intervall
Olika Orienteringsfel
Tabell 3.2:En lista över de kommandon som testades på trafikljussystemen under det tredje experimentet.
3.3
Utvärdering
När alla tester hade utförts och dokumenterats skulle de utvärderas genom att analysera och diskutera resultaten. Diskussionen handlade även om att jämföra befintliga trafikljussystem med det trafikljussystem som utvecklades i examens-arbetet. Som avslut besvarades de framlagda frågeställningar från inledningen samt framtida möjligheter och implementeringar inom området.
3.4
Sammanfattning av förstudie
I och med de begränsningar arbetet hade tidsmässigt var det vissa områden som uteblev. Ett viktigt område som ej togs upp i förstudien var säkerhet, vilket spe-lar en stor roll när det kommer till IoT-baserade system där det finns kritiska moment inblandade. Då trafikljussystemet ska användas på AstaZeros testbana under kontrollerade miljöer har området kring säkerhet inte varit aktuellt i det här arbetet, dock är det ett område man bör undersöka och arbetade med i fram-tiden. Trots vissa begränsningar i arbetet har förstudierna givit en god grund för resterande delar av arbetet.
4
Resultat
Resultaten från rapportens olika stadier presenteras här, det vill säga från för-studien, implementationen och utvärderingen. Förstudien kommer innehålla det framtagna system- och funktionsdesign, implementationen kommer innehålla det framtagna trafikljussystemet och utvärderingen kommer innehålla resulta-ten från experimenresulta-ten.
4.1
Förstudie
På figur 4.1 visas en översiktsbild av systemdesignen som togs fram under för-studien. Systemet drivs med hjälp av en 12–24V spänningskälla som försörjer en Raspberry Pi och trafikljuset. Mellan spänningskällan och Raspberry Pien finns en DC-DC omvandlare som tar 12–24V som ingång och skickar ut 5V till Pien. Det finns tre fysiska knappar för att tända och släcka trafikljusen manuellt och fyra indikeringslampor som används för att indikera en viss status. För att kunna skicka ut signaler till trafikljusen används ett reläkort, som med hjälp av Piens styrspänning kan tända och släcka trafikljusen. Utgångarna på reläena är även återkopplade till Pien via ett optokopplarkort för att Pien ska kunna kontrolle-ra att en spänning har gått ut till det specifika tkontrolle-rafikljuset man vill tända. Ett fullständigt schema och lista över komponenter finns i bilaga 1.
18 4 Resultat
Figur 4.1:En översiktsbild på systemdesignen av trafikljussystemet. Rasp-berry Pien har hand om att styra trafikljuset och indikationslamporna, läsa av fysiska knappar och kommunicera med kontrollservern. Hela systemet matas med en 12–24V spänningskälla.
Ett tillståndsdiagram togs också fram för trafikljussystemet, vilket går att se på figur 4.2. Tillståndsdiagrammet används som bas för hantering av alla in-kommande meddelanden från Astazeros kontrollserver och det andra trafiklju-set, samt undersystemen i trafikljussystemet. I bilaga 2 finns det flödesscheman som går in mer i detalj över de olika tillstånden gällande hur varje meddelande och kommando hanteras.
4.1 Förstudie 19
Figur 4.2:En översiktsbild på trafikljussystemets tillståndsdiagram. När tra-fikljussystemet startas upp hamnar det initialt i INIT tillståndet och går till IDLE när allt har initierats. Därefter finns det två möjliga tillstånd, SERVER MODE och RASPBERRY PI MODE, beroende på vem som skickade medde-landet. När ett meddelande har blivit bearbetat går systemet över till READY tillståndet där den inväntar ett start kommando. Ifall ett start kommando skickas går systemet över till RUNNING tillståndet och börjar exekvera det önskade kommandot. Oberoende om man är i SERVER MODE, RASPBER-RY PI MODE, READY eller RUNNING kan man avbryta nuvarande process med ett stop kommando.
Den funktionsdesign trafikljussystemet har består av fyra lägen som är base-rade på de föreslagna i standarden från SIS. Dessa lägen var:
• fixed time operation mode • standby operation mode • manual operation mode • failure mode
20 4 Resultat
Fixed time operation mode är ett läge då trafikljuset roterar från rött till grönt och
sedan tillbaka, givet en statisk tid för grönt och rött ljus som har angetts från AstaZeros kontrollserver. Man kan även sätta ett start- och slutdatum för när det-ta läge ska börja och sludet-ta. Standby operation mode är ett läge som finns för att
göra trafikljussystemet mer energieffektivt. Detta läge finns som ett undersystem hos trafikljussystemet och slår igång ifall användaren inte har interagerat med trafikljussystemet under en viss tid då den exekverar ett kommando. Ifall stand-by läget slår igång kommer trafikljussystemet gå in i ett vilostånd där trafikljusen
släcks.Manual operation mode är när man skickar kommandon som inte har en
satt intervalltid, vilket exempelvis kan vara att tända en specifik lampa eller låta en lampa blinka under en obestämd tid.Failure mode är ett läge som trafikljuset
hamnar i ifall det har skett ett bortfall av ström i reläet eller optokopplarkortet. Syftet medfailure mode är att undvika scenarion som 2.1c och 2.1d.
För att kunna kommunicera och styra trafikljussystemet designades testprogram-met Commtester. På figur 4.3 kan man se designen på Commtester, programtestprogram-met består av en backend del och en frontend del. Backend hanterar kommunikatio-nen med trafikljussystemet samt hanterar alla meddelanden som skickas ut och tas emot. Frontend har hand om det visuella i programmet, där man ska kunna skicka iväg olika kommandon via ett grafiskt gränssnitt.
4.1 Förstudie 21
Figur 4.3:Systemdesign över testprogrammet Commtester. Programmet är
uppdelat i en backend och GUI del. Backend har ett Wifi-lager som skö-ter kommunikationen med trafikljussystemet, ett kommunikationsprotokoll som hanterar strukturen på meddelandet, samt en del som tolkar input från GUI och meddelanden från trafikljussystemet. GUI består av ett gränssnitt för alla kommandon som kan skickas och ett gränssnitt som visar all logg-ning.
22 4 Resultat
4.2
Implementation
Det färdiga systemet presenteras i figur 4.4. I figur 4.5 visas en översiktsbild av lådan som innehåller all hårdvara och komponenter i trafikljussystemet. På lådan kan man se de tre fysiska knapparna som kan tända och släcka trafikljusen, fyra indikationslampor och en av/på knapp. De fyra indikationslamporna indikerar en viss status hos trafikljussystemet, vilket står förklarade i tabell 4.1. En extern antenn kopplades även på till Raspberry Pien för att öka räckvidden på det tråd-lösa nätverket. I figur 4.6 och figur 4.7 kan man se testkörningen av trafikljussy-stemet vid AstaZeros testbana. Ute på testbanan testades det även att använda ett 12V batteri som spänningskälla, vilket fungerade utan några problem.
4.2 Implementation 23
Figur 4.5:En bild som visar lådorna där all hårdvara ligger i.
Indikation Betydelse
POWER Indikerar att trafikljussystemet är påslaget
INITIALIZED Indikerar att trafikljussystemet är
initierat och redo för att motta kommandon CONNECTION Indikerar att trafikljussystemet har
etablerat en koppling med AstaZeros kontrollserver TL CONNECTION Indikerar att trafikljussystemet har etablerat
en koppling med det andra trafikljussystemet.
24 4 Resultat
Figur 4.6: Bild från testkörningen ute på AstaZeros testbana. Här testkörs både trafikljussystemet i ett intervall där det första trafikljussystemet roterar mellan rött-gult-grönt-gult-rött.
Figur 4.7: Bild från testkörningen ute på AstaZeros testbana. Här testkörs både trafikljussystemet i ett intervall där det andra trafikljussystemet roterar mellan rött-gult-grönt-gult-rött.
4.2 Implementation 25
Trafikljussystemet kan anpassas efter flera olika sorters scenarion i trafiken, i figur 4.8 presenteras ett antal exempelscenarion som trafikljussystemet kan stäl-las in för. Det kan exempelvis vara ett trafikscenario i en trevägskorsning (se
4.8a) eller i en fyravägskorsning (se 4.8b) där man ska reglera trafiken på två motstridande vägbanor. Det skulle även kunna vara ett trafikscenario på en sing-el väg med hinder sing-eller vägkontroll (se 4.8c och 4.8d).
(a) Ett exempelscena-rio där trafikljusen styr varsin väg i en trevägs-korsning.
(b) Ett exempelscena-rio där trafikljusen styr varsin väg i en fyrvägs-korsning.
(c) Ett exempelscenario där trafikljusen styr tra-fiken på en singel väg där det pågår ett vägar-bete.
(d) Ett exempelscena-rio där ett trafikljus styr trafiken vid en riktning.
Figur 4.8: En samling av exempelscenarion som trafikljussystemet skulle kunna användas inom.
26 4 Resultat
Testprogrammet Commtester som används för att kommunicera och styra tra-fikljussystemet presenteras i figur 4.9. Längst upp till vänster kan man ansluta till vardera trafikljussystem, nedanför dessa knappar dyker alla status den från programmet och trafikljussystemet upp. Till höger om status meddelan-den finns en lista med alla kommandon man kan skicka till vardera trafikljus, man kan även sätta en start- och sluttid samt tiden för grönt och rött ljus. Längst till höger finns en grafisk illustration av nuvarande tillstånd på vardera trafikljus.
Figur 4.9:En bild över testprogrammet Commtester
4.3
Utvärdering
I figur 4.10 presenteras resultatet från första experimentet där energiförbrukning mellan de två varianter av trafikljussystemet mättes. Vid användning av ett stand-by läge blev energiförbrukningen cirka 50% mindre jämfört med att inte använda ett standby läge.
4.3 Utvärdering 27
Figur 4.10:Resultaten från första experimenten. Här presenteras energiför-brukningen i watt timmar för varje timme under de två dagarna experimen-tet utfördes. Linjen med cirkel presenterar mätningarna från första dagen då trafikljussystemet inte använde ett standby läge. Linjen med fyrkant presen-terar mätningarna från andra dagen då trafikljussystemet använde ett stand-by läge.
I det andra experimentet gick trafikljussystemet in i failure läget och rappor-terade statusen till Commtester inom 300ms från när kabeln mellan det relä som var på och optopkopplaren kopplades bort. I figur 4.11 kan man se ett av resul-taten från experimentet där trafikljussystemet har rapporterat ett felmeddelande FAILURE_VOLTAGE_LIGHT till Commtester. I och med att trafikljussystemet kan hantera ett bortfall av ström och detektera ett fel inom 300ms kan systemet hantera fallen 3, 4 och 5 som specificerades av SIS.
28 4 Resultat
Figur 4.11:Ett exempel när trafikljussystemet tänder det gröna trafikljuset och kabeln mellan reläet och optokopplaren kopplas bort, vilket leder till att Commtester får ett felmeddelande tillbaka.
När det tredje experimentet utfördes lyckades trafikljussystemet hantera de varianter som testades samt skicka tillbaka ett korrekt status meddelande till Commtester. Under experimentet hamnade trafikljussystemet inte i ett tillstånd som kunde innebära en säkerhetsfara. Detta medför att fall 1 och 2 som specifice-rades av SIS kan hanteras.
En jämförelse utfördes även mellan det utvecklade trafikljussystemet och ett be-fintligt trafikljussystem från Swarco [20], som är en av de större leverantörer av trafiklösningar i Sverige. I figur 4.12 kan man se båda systemen brevid varandra. Det utvecklade trafikljussystemet i examensarbete visade sig vara mer prisvärd än att investera i ett liknande trafikljussystem från Swarco. En av de större skill-naderna var att trafikljussystemet från Swarco drivs på en 230V spänningskälla och styr trafikljusen via kablar medan det egenutvecklade drivs på 12–24V och styr trafikljusen trådlöst. Detta medför att det egenutvecklade trafikljussystemet blir mer portabelt, där man slipper krångel att dra kablar för spänning och till tra-fikljuset. En annan notering är att det egenutvecklade trafikljussystemet är mer kompakt och lättviktigt, vilket underlättar transport och hantering av systemet.
4.3 Utvärdering 29
Figur 4.12:En jämförelsebild mellan de utvecklade trafikljussystemen och ett befintligt trafikljussystem från Swarco. De större skillnaderna mellan sy-stemen är att det egenutvecklade är mer portabelt, prisvärt, energieffektivt och anpassningsbart för olika testscenarion.
5
Diskussion och slutsatser
Kapitlet kommer ta upp diskussioner kring resultaten från experimenten, me-todvalet och om arbetet i ett vidare sammanhang. Kapitlet kommer avslutas med slutsatser kring examensarbetet och framtida rekommendationer.
5.1
Resultat
En av de första anmärkningarna är mätningarna från energiförbrukning i första experimentet, vilket visade sig vara lite missvisande. Då energimätaren som an-vändes under experimentet bara kunde visa kilowatt timmarna i tiotal var det svårt att se hur stor energiförbrukning trafikljussystemet hade emellanåt. Detta medförde att mätningen från den andra dagen exempelvis visade 0kWh de tre första timmarna innan den ändrades. Att noggrannheten hos energimätaren inte heller var certifierad kunde även ha påverkat de mätvärden som dokumentera-des. Jämförelsen blev därmed inte helt exakt, då det ej gick att se ifall mätaren stod på 50Wh eller 59Wh, vilket medförde noggranhetsfel i resultatet. En annan intressant diskussion är även att det framtagna trafikljussystemet kan behöva implementeras med annan hårdvara när den väl är ute på banan för att kunna kommunicera via 4G, 5G eller 802.11p, samtGlobal Navigation Satellite Systems
(GNSS) mottagare för att få ut position. Detta skulle medföra att energiförbruk-ningen kan bli betydligt högre och det kan behövas undersökas ifall nya system behöver utvecklas för att dra ned på energiförbrukningen.
När det kommer till experiment tre var det svårt att bekräfta att trafikljussyste-met var helt robust. De tester som utfördes var baserade på situationer som har tagits fram under utvecklingen av trafikljussystemet, samt de säkerhetskrav stan-darden från SIS har lagt fram. Trots detta kan det finnas vissa scenarion, som endast uppstår i sällsynta situationer, som det ej finns vetskap om än. Detta
32 5 Diskussion och slutsatser
tyder att det i framtiden skulle kunna uppstå scenarion som ej får ske, men som man i dagsläget inte vet om. När det dock kommer till tester vid testbanan utförs dessa i en kontrollerad miljö där man kan avbryta ett test när som. Detta medför en bättre säkerhet mot eventuella fel som trafikljussystemet skulle kunna få då det är under ständigt bevakande, gentemot i en trafikmiljö där ett trafikljus står obemannat under majoriteten av tiden.
En positiv indikation från resultatet är att trafikljussystemet lyckades fylla de säkerhetskrav som standarden från SIS hade listat för att ett trafikljussystem ska kunna tas i bruk i trafikmiljöer. Då trafikljussystemet är ämnat till att enbart an-vändas i testscenarion för autonoma fordona kan det ses som ett tillräckligt bra system för det ändamålet. Dock är lådan som innehåller all hårdvara, samt de fysiska knapparna, ej vattentäta och skulle behöva bytas ut för att hela trafikljus-systemet ska vara helt vattentät. En annan positiv indikation var även hur väl en enkortsdator fungerade för att kontrollera ett trafikljussystem av denna storlek. Som tidigare nämnt använde exempelvis [19], [2], [18] och [11] sig av en enkorts-dator för att skapa ett trafikljussystem, vilket visade sig fungera väl. Även i detta arbete har man kunnat se att en enkortsdator kan fungera väl som en styrenhet i ett trafikljussystem.
5.2
Metod
En av de första bristerna är metodvalet för att mäta energiförbrukningen hos trafikljussystemet. Som tidigare nämnt i kapitel 5.1 gjordes en anmärkning på mätningen från första experimentet där resultatet inte var helt pålitligt, då mät-utrustningen inte hade en särskilt bra noggrannhet. En annan notering var även att ytterligare utrustning som nätverksmodem eller GNSS mottagare skulle dess-utom behöva installeras i trafikljussystemet, vilket kan medföra att nya åtgärder skulle behövas för att minimera energiförbrukningen. Om möjligt hade den ytter-ligare utrustningen också kunnat testas för att se hur stor energiförbrukningen bland modulerna är för att sedan kunna ta fram ett bättre optimeringssystem för energiförbrukningen.
Metoden för att testa robustheten på trafikljussystemet var även bristfällig. Detta berodde främst på att det var manuella test där man testade kända varianter av fall som ej får ske. Nackdelen med detta var att det kan finnas brister i systemet som inte har blivit upptäckta ännu. En idé för att förbättra denna metod skulle kunna vara att utveckla ett verifieringsverktyg som kan användas för att verifiera trafikljussystemet.
5.2.1
Källkritik
Under examensarbetet har målet varit att använda vetenskapliga artiklar från be-trodda institut och organisationer. Valet av en vetenskaplig artikel har baserats på antalet hänvisningar till källan, bakgrund och meriter hos författaren samt re-levans till arbetet. Ifall en vetenskaplig artikel har en större andel hänvisningar,
5.3 Arbetet i ett vidare sammanhang 33
bättre relevans till arbetet samt att författarna har bättre bakgrund och meriter har den prioriterats. I vissa fall där en vetenskaplig artikel inte har en stor del hänvisningar har det försökts hitta liknande artiklar som kan stödja den för att öka trovärdighet. Utöver de vetenskapliga artiklar förekommer även källor som exempelvis data- och faktablad. I de data- och faktablad som finns kan det före-komma att företaget, eller personen, skönmålar sin egen produkt, vilket kan ge ett felaktigt resultat i slutändan. Detta har tagits i åtanke och försökts undvika genom att kolla på andra källor inom samma område för att se om informationen skiljer sig.
5.3
Arbetet i ett vidare sammanhang
Ifall man kollar på det framtagna trafikljussystemet ur ett samhälleligt perspek-tiv finns det flera posiperspek-tiva indikationer. Det ena är att med hjälp av trafikljussyste-met blir testning och verifiering av autonoma fordon bättre hos företaget, vilket medför att fordon blir bättre anpassade till verkliga trafik scenarion och därmed blir säkrare när de väl släpps ut i samhället. Ett sådant trafikljussystem skulle även kunna användas av andra företag inom samma bransch, vilket möjliggör att allt fler fordonstyper kan verifieras och testas på ett bättre sätt innan de lanseras ut på vägarna. Man kan även se det här ur etiska aspekter, där säkrare fordon möjliggör att mindre olyckor sker i trafiken vilket medför att ett mindre antal människor kan fara illa. Ett annat samhälleligt perspektiv är själva trafikljusen, som har god potential att vidareutvecklas. Det skulle exempelvis kunna vara vi-dareutveckling för automatiserade trafikljus eller ett system som är ännu mer anpassningsbart och som kan ta hänsyn till flera aspekter i trafiken som gångtra-fikanter eller räddningstjänst. En samhällelig aspekt som man bör ha i åtanke är risken för attacker mot trafikljussystemet, vilket kan leda till att otillåtna perso-ner får åtkomst och kan manipulera systemet till att hamna i ett tillstånd som utgör en säkerhetsrisk i trafiken. I och med att det framtagna systemet är ämnat för att enbart användas vid en inhägnad testbana under strikt kontroll är risken inte lika stor gentemot om systemet ska användas ute på allmän väg.
5.4
Slutsatser
Examensarbetet började med ett mål att ta fram ett trafikljussystem som är an-passningsbart för olika testscenarion av autonoma bilar. Systemet skulle dess-utom vara enkelt att sätta upp och använda, vara portabelt, robust och energi-snålt. Dessa mål har uppfyllts och trafikljussystemet kan användas för de ända-mål kunden har i dagsläget. Trafikljussystemet kan sättas upp och ställas in i en uppsjö av lägen som kan simulera olika trafikscenarion som finns i verkligen. Det visade även sig vara enkelt att använda det testprogram som skapades i syfte att testa trafikljussystemet. I framtiden är det tänkt att ett liknande testprogram ska implementeras i AstaZeros egna användargränssnitt för att kunna styra och kommunicera med trafikljussystemet. De avgränsningar som sattes i början av arbetet var rimliga och gjorde det möjligt att hinna med det som var tänkt i tid.
34 5 Diskussion och slutsatser
Vissa delar som önskades av företaget men som inte var kritiska krav lades som andrahands krav, vilket visade sig vara fördelaktigt i slutändan då det inte fanns tillräckligt med tid för dessa. När systemet testades ute på testbanan var ett av testen att enbart driva trafikljussystemet på ett 12V batteri, vilket fungerade ut-an några problem. I och med att systemet har ett undersystem som kut-an optimera energiförbrukningen är det dessutom möjligt att använda ett batteri under en längre period. Systemet har även visat sig vara robust, då det kan användas i oli-ka lägen utan att hamna i ett tillstånd som ej är tillåtet. Ett viktigt område som inte har blivit berört i examensarbetet är säkerheten mot yttre attacker. I och med att det framtagna trafikljussystemet styrs via trådlös kommunikation finns det stor risk att någon annan skulle kunna ta sig in i systemet och orsaka skada. Den här risken existerar även i andra system som blir allt mer uppkopplade mot internet och det finns behov att undersöka dessa typer av brister och arbeta med att förebygga dem. Ett annat område som inte har blivit så berört i arbetet är trafikljussystemets påverkan av temperatur och fysisk åverkan. Det är viktigt att trafikljussystemet kan klara av olika sorters väder och varierande temperaturer, vilket systemet delvis kan i dagsläget men något som behöver undersökas vidare. För framtida arbete finns det ett antal saker som hade kunnat gjorts annorlun-da. En av de första sakerna som hade velat göras om är implementationen av all hårdvara i lådan. Detta beror på att det lades till extra saker under projek-tets gång, som exempelvis de fysiska knapparna, av/på knappen och en antenn, vilket gjorde det svårare att få plats med allt i lådan. Förslagsvis hade det varit bättre om man undersökte mer utförligt kring externa önskade komponenter för trafikljuset innan det fastställs vilken låda som allt ska vara i för att undvika sådana problem. Det hade också kunnat medföra att det blir enklare att kopp-la bort hårdvara från lådan vid utvecklings- eller debug syfte. Att implemente-ra en GNSS, vehicle to infrastructure (V2I) kommunikation eller en applikation
för enklare användning av trafikljussystemet hade också varit önskvärt ifall det fanns mer tid över. Det första experimentet hade gärna gjorts om ifall det fanns mer tid att dels kolla på bättre sätt att mäta energiförbrukningen, samt ha med de externa nätverksmodemen som används ute på testbanan för att kunna mäta ener-giförbrukning i hela systemet. I det tredje experimentet hade det varit önsvärt att kolla på ett bättre sätt att verifiera systemet på, förslagsvis ett verifieringsverktyg. För framtida studier skulle det rekommenderas att i ett tidigt stadie kolla över möjliga externa nätverksmodem som kan användas för att öka räckvidden på nät-verket, då Raspberry Piens egna Wifi-modul har en relativt svag räckvidd. I och med att all information överförs trådlöst är det viktigt att det finns en bra upp-koppling mellan systemen för att undvika längre fördröjningar i meddelanden. En annan rekommendation är att designa systemet och funktionerna på ett väl strukturerat sätt innan man påbörjar utveckling och implementation. Detta med-för att man har en bra bild över hur systemet ska se ut och vad man kan tänkas behöva utveckla, vilket kan spara en stor mängd med tid i slutändan.
Litteraturförteckning
[1] A. Ahmad, R. Arshad, S. A. Mahmud, G. M. Khan, H. S Al-Raweshidy. Earliest-deadline-based scheduling to reduce urban traffic congestion. IEEE, 15(4):1510–1526, 2014. doi: https://doi.org/10.1109/TITS.2014.2300693. [2] S. Misbahuddin, J.A. Zubairi, A. Saggaf, J. Basuni, S. A-Wadany, A. Al-Sofi.
Iot based dynamic road traffic management for smart cities. IEEE, pages 142–146, 2015. doi: https://doi.org/10.1109/HONET.2015.7395434.
[3] BeagleBoard System Reference Manual. Arduino, 2010. Rev. 1.0.
https://www.farnell.com/datasheets/1682209.pdf.
[4] BeagleBoard System Reference Manual. Beagleboard, 12 2009. Rev. 1.0. https://beagleboard.org/static/BBSRMlatest.pdf .
[5] D.G. Costa, C. Duran-Faundez. Open-source electronics
plat-forms as enabling technologies for smart cities: Recent
develop-ments and perspectives. Electronics, 7(12):1–19, 2018. doi:
https://doi.org/10.3390/electronics7120404.
[6] J. A. Lopez, R. Garcia, A. G. Blanco, I. A. Z. Felix. ”traffic lights fuzzy control proposals to improve vehicular flow”, in Electronics, Robo-tics and Automotive Mechanics Conference (CERMA). IEEE, 2007. doi: https://doi.org/10.1109/CERMA.2007.4367721.
[7] K. Nellore, G.P. Hancke. A survey on urban traffic management
sy-stem using wireless sensor networks. sensors, 16(2):1–25, 2016. doi:
https://doi.org/10.3390/s16020157.
[8] Svenska insitutet för standarder. Vägutrusning – Styrapparat för reglering av trafik med trafiksignal – Funktionella säkerhetskrav. Standard, Septem-ber 2017.
[9] R. Hawi, G. Okeyo, M. Kimwele. Techniques for smart
traf-fic control: An in-depth review. International Journal of
Compu-ter Applications Technology and Research, 4:566–573, 2015. doi:
https://doi.org/10.7753/IJCATR0407.1014.
36 Litteraturförteckning
[10] G. Shahzad, H. Yang, A. W. Ahmad, C. Lee. Energy-efficient intelligent stre-et lighting system using traffic-adaptive control. IEEE, 16(13):5397–5405, 2016. doi: https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2557345.
[11] S. Lokesh and T. Prahlad Reddy. An adaptive traffic control system using raspberry pi. International Journal of Engineering Sciences & Research Te-chnology, pages 831–835, 2014.
[12] S. I. Guler, M. Menendez, L. Meier. Using connected vehicle technology to improve the efficiency of intersections. Elsevier, 46:121–131, 2014. doi: https://doi.org/10.1016/j.trc.2014.05.008.
[13] G. Cocorullo, P. Corsonello, F. Frustaci, L. Guachi, S. Perri. ”embed-ded surveillance system using background subtraction and raspberry pi”, in AEIT International Annual Conference (AEIT). IEEE, 2015. doi: https://doi.org/10.1109/AEIT.2015.7415219.
[14] M. Magno, T. Polonelli, L. Benini, E. Popovici. A low cost, highly
scalable wireless sensor network solution to achieve smart led light
control for green buildings. IEEE, 15(5):2963–2973, 2015. doi:
https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2383996.
[15] Qt. About qt. https://wiki.qt.io/About_Qt, 2019. Hämtad: 2019-05-17.
[16] J.-F. Bonnefon, A. Shariff, I. Rahwan. The social dilemma of autonomous vehicles. American Association for the Advancement of Science, 352:1573– 1576, 2016. doi: https://doi.org/10.1126/science.aaf2654.
[17] Raspberry Pi Compute Module 3 data
manu-al. Raspberry Pi Ltd, 10 2016. Rev. 1.0.
https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/computemodule/datasheets/rpiDAT ACM1p0.pdf . [18] Sk Riyazhussain, C.R.S Lokesh, P. Vamiskrishna, Goli Rohan. ”raspberry pi
controlled traffic density monitoring system”, in International Conference on
Wireless Communications, Signal Processing and Networking. IEEE, 2016. doi:
https://doi.org/10.1109/WiSPNET.2016.7566322.
[19] E. Basil, S.D. Sawant. ”iot based traffic light control system
using raspberry pi”, in International Conference on Energy,
Commu-nication, Data Analytics and Soft Computing. IEEE, 2017. doi: https://doi.org/10.1109/ICECDS.2017.8389604.
[20] Swarco. Swarcos hemsida. http://www.swarco.se/, 2019. Hämtad: 2019-05-20.
[21] A. Maslekar, M. K, S. Tuppada. Smart lighting system
using raspberry pi. IJIRSET, 4(7):2319–8753, 2015. doi:
Litteraturförteckning 37
[22] P. Elejoste, I. Angulo, A. Perallos, A. Chertudi, I. J. G. Zuazola, A. Moreno, L. Azpillicueta, J. Astrain, F. Falcone, J. Villadangos. An easy to deploy street light control system based on wireless communication and led technology. sensors, pages 6492–6523, 2013. doi: https://doi.org/10.3390/s130506492.
[23] B. Zhou, J. Cao, X. Zeng, H. Wu. ”adaptive traffic light
con-trol in wireless sensor network-based intelligent transportation system”, in IEEE 72nd Vehicular Technology Conference. IEEE, 2010. doi: https://doi.org/10.1109/VETECF.2010.5594435.
Bilaga 1 – Komponentslista och
kretsschema
Listan med komponenter och hårdvara som användes för vardera trafikljussy-stem presenteras i tabell 1.
Komponent Antal (st) 100ohm resistor 3 330ohm resistor 4 1Kohm resistor 3 10Kohm resistor 3 5mm LED 7 Relämodul 5V 3 Raspberry PI 3 1 TP200x3 trafikljus 1
Spänningsomvandlare (inspänning: 12-24V, utspänning: 5V) 1
12-24V spänningskälla 1
Micro-USB kabel från spänningsomvandlaren till Pien 1
Återfjädrande tryckknapp (NO) 3
EL816 DIP-4 optokopplare 3
Tabell 1:Komponentslista för trafikljussystemet.
40 Bilaga 1 – Komponentslista och kretsschema
I figur 1 kan man se det fullständiga kretsschema av trafikljussystemet.
Bilaga 2 – Flödesscheman
Nedan följer ett antal flödesscheman för tillstånden SERVER MODE, RASPBER-RY PI MODE, READY och RUNNING hos trafikljussystemet. Ett flödesschema för att kontrollera kombinationer av ljus kommer även presenteras. Dessa använ-des som mall vid utveckling av trafikljussystemet.
I figur 2 kan man se flödesschemat för när trafikljussystemet är i tillståndet SER-VER MODE, där alla meddelanden från Maestro hanteras.
42 Bilaga 2 – Flödesscheman
43
I figur 3 kan man se flödesschemat för när trafikljussystemet är i tillståndet RASPBERRY PI MODE, där den hanterar alla meddelanden som kommer från det andra trafikljussystemet.
44 Bilaga 2 – Flödesscheman
I figur 4 kan man se flödesschemat för när trafikljussystemet är i tillståndet READY.
45
I figur 5 kan man se flödesschemat för när trafikljussystemet är i tillståndet RUNNING.
46 Bilaga 2 – Flödesscheman
I figur 6 kan man se flödesschemat över hantering av trafikljus kommandon, detta schema är en underdel av flödesschemat i tillstånden READY och RUN-NING.
