1
Smart Vehicles – Summary
vtlogo_plain
Leyla Nazhand-Ali, Ph.D.
Assistant Professor
IEEE member
Michael Henry
Graduate Student
This Talk
We will review some topics that we discussed lastweek
Autonomous vehicles
Embedded microprocessors
Programming an autonomous toy car
Infrared sensors
Square waves
We will also talk about some new concepts:
Closed loop control
Design tradeoffs
untitled.bmp
IMG_2336.jpg
Decision
Output
Input
Environment
Review: Why We Need AutonomousVehicles?
young-african-wildlife-safari-2-young-giraffe-w-michael-poliza-b.jpg
war_convoy,0.jpg
car_crash.jpg
Review: What are AutonomousVehicles?
A fully(semi)-autonomous vehicle can perform all (some) ofits actions without any human control.
Commercial vehicles already perform many automaticactions such as anti-lock brake, cruise control, lanedeparture warning, …
Research vehicles have been able to drive themselves inurban-like areas.
Review: How is Autonomy Achieved?
In a car, autonomy achieved similar to the way it isachieved by humans:
First, we sense the environment
Second, we process the data we collected through oursenses (Yes, we do use our brains, at least sometimes!)
Third, we act based on the decision we made
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\S5QU03FX\MCj04038930000[1].wmf
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\XGZ1J8G8\MCHM00376_0000[1].wmf
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\S5QU03FX\MCHM00378_0000[1].wmf
sensors
Controller(microprocessor)
actuators
cell_phone.jpg
Review: Embedded Microprocessors
Embedded microprocessors are thebrains of real-time systems, whichexecute deadline-based tasks.
They are usually smaller, cheaper,easier to program and develop, andconsume less power compared togeneral-purpose microprocessors thatare used in PCs.
They are more reliable and failureresistant, which is crucial inembedded systems.
You probably own dozens, maybemore than a hundred of them.
big%20alarm%20clock.jpg
711171.jpg
hp-laserjet-2300-laser-printer-review.jpg
2007-lexus-hybrid.jpg
Review: State Table
State tables are a way ofmaking decisions.
They are used for programmingand are heavily used indesigning digital hardware.
For every possible input,specify the output.
With the car, the input is theinfrared sensors and the outputis the motors.
Good for problems with a smallamount of input.
Input
(IR sensors)
Output(Motors)
Left
Right
Left
Right
White
White
Forward
Full
Forward
Full
Black
Black
Reverse
Full
ReverseFull
Black
White
Forward
Half
Reverse
Half
White
Black
ReverseHalf
ForwardHalf
Review: Infrared Sensing
Infrared (IR) is invisible light.
IR sensor on car transmits IR lightand measures how much bouncesback.
Black surfaces absorb a lot of lightand reflect little.
White surfaces reflect a lot of light.
Based on how much is reflected, theprocessor can determine whatsurface the sensor is over.
IR transmitter
IR transmitter
Black Surface
White Surface
Other Sensors Similar to IR Sensor
With IR sensing, you are sending outIR light and measuring its response.
RADAR works by sending out radiowaves and measuring the response.
LIDAR and SONAR work like RADAR,but with light and sound, respectively.
Barcode readers detect black andwhite, similar to your project, but theyuse visible light.
MCj00829930000[1]
MCj02415490000[1]
Review: Square Waves
Square waves are used tofeed the motor and make itturn.
Period is the length of time ittakes to complete one cycle.
Frequency is how many timesper second the wavecompletes a cycle.
Duty Cycle is the ratio of timethe wave spends being highand the period of the wave. Itis usually expressed as apercentage.
5V
0V
One cycle
Period
1 / Period = Frequency
5V
0V
50% duty cycle
5V
0V
75% duty cycle
Other Wave Shapes
Waves come in differentshapes.
Sound travels in a wave.
 AM radio uses changes inamplitude of the wave tosend data.
FM radio uses changes infrequency to do so.
We use the sameprinciples to use squarewaves for controllingmotors.
Sine
Sawtooth
Triangle
Square
Voltage
Voltage
Voltage
5V
0V
MCj02343680000[1]
Closed Loop Control
Control of the car can be simplified by thinking of thecontrol as being a closed loop.
The sensor provides data from the environment to thedecision maker that starts an action, which in turn, affectsthe environment.
Output using Actuator
Input from Sensor
5V
Decision
Environment
Think, Pair, Share Activity
Consider the automatic thermostat in your home, which isresponsible to keep the temperature at a certain point.
Come up with the closed loop that governs this system.
Identify the input, the output, the decision maker and theenvironment variable.
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\08Q1BVGH\MPj03058250000[1].jpg
Decision
Output
Input
Environment
Design Tradeoffs
Most engineering problems involvedesign tradeoffs.
Cost vs. Time:  More expensiveequipment will sometimes get the jobdone faster.
 Cost vs. Reliability:  Expensive partsbreak less.
 Time vs. Quality:  A project that’srushed will not be as high of quality.
Recognizing and controlling designtradeoffs is one of the mostimportant tasks of an engineer.
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\EK5FIH5V\MCj03418380000[1].jpg
Design Tradeoffs in AutonomousVehicle Project
In Task #3, there is a tradeoff between the “accuracy(quality)” of your solution and the speed.
Drive the car too fast and it will frequently go off courseand need correction.
The fastest speed setting does not necessarily achievethe fastest completion time!
AA048294.jpg
Design Tradeoffs in AutonomousVehicle Project
In some design problems, we have to sacrificespeed, quality and all other design objectives inorder to achieve dependability and reliability.
With task #4 we sacrificed navigation speed byusing the right hand rule, but made the problemsolvable and guaranteed reaching the destination.
2
1
Even Discoveries Involve Tradeoffs
For the Infrared discovery activity, you tried tomeasure the reflectivity threshold of the sensors.
Trying to do the measurement quickly by movingthe car on the fastest setting results in a lessaccurate number.
80%         70%         60%         50%         40%        30%        20%        10%
Back to Autonomous Vehicles
Everything you learned andapplied is involved in theautonomous design process.
Sensor input (IR sensors)
Controlled output (Motors andWaves)
Decision Making (State Tables)
Reliability/Fault Tolerance(Embedded Systems)
kentland_farms
Some other Thoughts
By now you should have realized that theautonomous design process includes manydiverse engineering topics.
A successful design benefits fromcollaboration of many different fields.
C:\Documents and Settings\leyla\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.IE5\B443WCXL\MPj04068100000[1].jpg
Closure Cooperative Writing Pairs
Form pairs
Using the blank screen provided, write a fewsentences describing the major point you learnedin this project and the main unanswered questionyou still have.
Please write your names on the screen
We will collect it electronically in DyKnow
CRTAD282