В зависимости от области применения, их технология теперь работает как с сенсорной рукояткой, которая была частью предыдущих версий, так и без нее. Малейшего прикосновения к тележке или коляске и минимальных изменений в измеренных данных о движении достаточно, чтобы система помогала — почти интуитивно — с ускорением, торможением и поворотами. Электродвигатели, расположенные внутри колес, предоставляют всю необходимую информацию без необходимости в дополнительных датчиках.
Родитель, толкающий коляску, или работник склада, управляющий тележкой: оба управляют своим транспортным средством, внося небольшие изменения в прилагаемые усилия толкания, тяги или нажатия. Каждое из этих едва заметных изменений, какими бы малыми они ни были, сообщает «умным» колесам, чего хочет пользователь и куда он намеревается ехать. Затем колеса интерпретируют эти входящие сигналы и реагируют соответствующим образом. Транспортные средства, оснащенные этой технологией, легче запускаются, плавнее проходят повороты и быстрее останавливаются. «С нашими «умными» колесами гораздо проще перемещать груз, потому что большую часть ускорения обеспечивают электродвигатели в колесах», — объясняет профессор Ниенхаус. Теперь неуправляемые тележки для покупок или громоздкие больничные кровати можно направлять легкими прикосновениями, вместо обычных толчков и рывков, необходимых для удержания их в прямом положении. Велосипедные прицепы больше не ограничены пассивным тяговым усилием, а ходунки, коляски и инвалидные кресла теперь могут активно помогать своим пользователям.
Ниенхаус и его команда из Саарландского университета много лет исследовали, разрабатывали и совершенствовали эту технологию. В 2018 году команда продемонстрировала возможности самодиагностики этих колес на технологической выставке Hannover Messe. Они показали, что, интерпретируя данные измерений от электродвигателей, расположенных внутри колес, колесная система может определять, когда и как помогать движению, без необходимости в дополнительных датчиках. В 2023 году они продемонстрировали, что, внедрив сенсорную ручку, колеса могут легко перемещать грузы: ускоряясь или тормозя, поворачиваясь медленнее или быстрее по мере необходимости, при этом каждое колесо работает независимо или синхронно с другими. «Объединив сенсорную ручку с нашей технологией «умных колес», мы теперь можем перемещать более четырех тонн», — говорит Маттиас Ниенхаус. До сих пор сенсорная рукоятка была необходима в качестве пользовательского интерфейса, позволяющего пользователю задавать направление движения; в ней также размещался центр управления системой: микроконтроллер.
Колеса, которые думают сами за себя: вспомогательное движение без сенсорной рукоятки.
В последней версии своей технологии «умных колес» Ниенхаус и его команда нашли способ полностью отказаться от ручки с датчиком. «Это делает технологию проще, интуитивнее и экономичнее», — говорит Ниенхаус. Небольшого изменения силы толкания или тяги, прикладываемой пользователем, достаточно, чтобы приводы колес определили, следует ли оказывать легкую поддержку или сильнее толкать. Это возможно, потому что при правильной стратегии управления движением приводы, по сути, саморегулируются и могут самостоятельно генерировать необходимые команды управления. «Точное управление транспортным средством достигается за счет сочетания методов искусственного интеллекта, высокопроизводительных алгоритмов и идентификации соответствующих параметров на основе данных электродвигателя в колесах», — объясняет Ниенхаус.
Новая технология без руля показала свою эффективность на транспортных средствах весом до 100 килограммов, в зависимости от конкретного применения и полезной нагрузки. На Ганноверской ярмарке в этом году исследователи продемонстрируют, насколько плавно движется велосипедный прицеп, оснащенный «умными колесами». Команда продолжает изучать, как перевозить значительно более тяжелые грузы без руля, оснащенного датчиками. Для очень тяжелых транспортных средств лучшим решением остаются «умные» колеса в сочетании с рулем, оснащенным датчиками.
Искусственный интеллект в колесе: данные вместо дополнительных датчиков.
Электродвигатели внутри колес также функционируют как датчики, фактически выступая в роли собственных органов чувств колес. Когда колесо движется, показания приводного двигателя внутри него изменяются. Незначительные изменения этих значений точно показывают, что происходит с колесом. «Электродвигатели в колесах предоставляют все необходимые нам данные для управления ими. Поэтому нет никаких дополнительных затрат на установку дополнительных датчиков», — говорит Маттиас Ниенхаус. В нескольких предыдущих исследовательских проектах его группа изучала, как извлечь как можно больше информации из приводов, анализируя данные измерений, генерируемые при вращении колес. Например, набор данных мог бы показать, как электромагнитное поле распределяется в определенных точках двигателя и как это распределение изменяется по мере вращения колеса.
Исследователи собрали бесчисленное количество таких измерений с приводных систем и сопоставили их с конкретными состояниями двигателя и положениями колес. Из огромного объема собранных данных они смогли выявить сигнальные закономерности, соответствующие типичным механическим процессам. Ниенхаус и его команда также подали заявку на патент на метод, который делает данные о двигателе еще более информативными, устраняя любые эффекты помех. Данные измерений могут показать, например, силу, передаваемую приводом, как изменяется положение колес или сильнее ли нагружена одна сторона колес, чем другая.
Для удержания колес на заданной траектории достаточно регистрировать даже небольшие изменения приложенных сил.
Математические модели и интеллектуальные алгоритмы используются для точного управления приводами двигателей, чтобы обеспечить их адекватную реакцию и контроль за их исправной работой. Колесные двигатели передают данные, а микроконтроллер обрабатывает сигналы. Колеса чрезвычайно чувствительны и непрерывно «определяют» свое положение, скорость и нагрузку. Даже малейшего движения транспортного средства, на котором они установлены, например, прикосновения руки, достаточно для того, чтобы система привода определила необходимое действие. Микроконтроллер считывает эти сигналы с двигателей, сравнивает их и обеспечивает соответствующий уровень тяги. Вся информация передается по стандартной проводке, которая уже установлена.
Исследование частично проводилось в рамках совместных проектов, финансируемых Федеральным министерством исследований, технологий и космоса Германии (BMFTR) и Центральной инновационной программой для малых и средних предприятий (ZIM).
Профессор Маттиас Ниенхаус стремится к тому, чтобы результаты прикладных исследований его команды были внедрены в коммерческую и промышленную сферы. С этой целью он основал компанию WELLGO Systems GmbH, отделившись от научно-исследовательского отдела своего университета.
