- Автономното шофиране се основава на усъвършенствани системи за шофиране (ADS), които комбинират сензори, HD картографиране, изкуствен интелект и изпълнителни механизми, за да поемат задачите по шофиране.
- Класификацията на SAE установява шест нива (от 0 до 5), от пълната липса на автоматизация до напълно автономно превозно средство без волан или педали.
- Днес преобладават автомобили от ниво 1 и 2, като в много ограничени среди се използват и някои системи от ниво 3 и пилоти на роботизирани автомобили от ниво 4.
- Масовото внедряване зависи от технологичната зрялост, регулациите, сигурността, киберсигурността и социалното приемане.
Автономното шофиране се превърна от научнофантастична концепция в една от основните цели на автомобилната индустрия за много кратко време. Всяка година се обявяват нови системи, пилотни проекти и законови промени, които ни доближават до идеята да се качим в кола, да си зададем дестинация и да забравим за останалата част от пътуването.
Въпреки това, все още сме далеч от това да видим автомобили без волан, които да се разпространяват масово в градовете ни. Това, което вече имаме на пазара, са превозни средства с различни нива на автоматизация и добър избор от усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS), които проправят пътя към пълна автономност. Нека разгледаме ясно как работи всичко това, какви технологии носят тези автомобили, какви са нивата на SAE, какъв реален напредък е постигнат и какви предизвикателства остават за преодоляване.
Какво точно е автономно шофиране?
Преди да обсъдим нивата и марките, е важно да се уточни, че не всяка „умна“ автомобилна система предполага автономно шофиране . Референтният стандарт, използван от почти цялата индустрия, е стандартът J3016 на SAE International (Society of Automotive Engineers) , който определя доста точно какво представлява автоматизираното шофиране и как се класифицира.
Казано по-просто, автономното шофиране е способността на превозното средство устойчиво да поеме някои или всички динамични задачи на шофиране (ускорение, спиране, завиване, наблюдение на околността, реагиране на неочаквани събития и др.), с различна степен на човешки надзор. На най-високите нива автомобилът може да шофира без никаква човешка намеса.
За да се постигне това, автономното превозно средство комбинира сензори, процесори, изпълнителни механизми и софтуер, способни да възприемат обкръжението си, да интерпретират случващото се, да планират маневра и да я изпълняват с помощта на контролите на автомобила. Всичко това се случва в условията, за които е проектирано, известни като област на оперативно проектиране (ODD) : тип път, метеорологични условия, трафик, осветление и др.
Основната мотивация зад тази технологична надпревара не е просто удобството. Смята се, че над 90% от пътнотранспортните произшествия са свързани с човешка грешка . Намаляването на този фактор, подобряването на трафика в градовете и улесняването на мобилността на хора с шофьорски затруднения са едни от основните цели на автономния автомобил.
Как работи една автономна кола отвътре?
Автоматизирано управляваният автомобил не е просто превозно средство, което „се самоуправлява“, а сложна технологична платформа. За да функционира, той трябва да възприема обкръжението си, да се локализира точно, да решава какво да прави и да изпълнява това решение безопасно. Всичко това зависи от няколко технологични компонента.
Първо, има сензори за възприемане на околната среда , които по някакъв начин заместват очите и ушите на водача. Те включват камери, радар, лидар, ултразвук, инфрачервени сензори и системи за нощно виждане, наред с други. Всеки от тях има своите силни и ограничени страни, поради което обикновено се комбинират.
Следва аспектът на позиционирането и навигацията . Автономното превозно средство трябва да знае местоположението си с много по-голяма точност, отколкото предоставя конвенционалният GPS на мобилния телефон. За да постигне това, то използва сателитни навигационни системи (GPS, GLONASS, Galileo и др.), инерционна навигация и, на най-напредналите нива, карти с висока разделителна способност, които непрекъснато се сравняват с данните, записани от сензорите.
Всичко, което тези устройства заснемат, се изпраща към управляващи устройства с много мощни процесори . Тук се намесва изкуственият интелект: компютърно зрение, машинно обучение и алгоритми за планиране, които трансформират суровите данни в конкретни решения относно волана, газта или спирачките. Това е известно в индустрията като автоматизирани системи за шофиране (ADS).
Накрая, изпълнителните механизми (електрическо сервоуправление, електронно контролирани спирачки, управление на двигателя и др.) са отговорни за изпълнението на командите. Ако към това добавим и комуникационните системи с други превозни средства или с инфраструктурата (V2V, V2I), се очертава концепцията за свързан автомобил , ключ към пълната автономност в сложна градска среда.
Нива на автономно шофиране според SAE
За да се избегне объркване, SAE установява шест нива на автоматизация, от 0 до 5 , които са се превърнали в световен стандарт. Това, което се променя от едно ниво на друго, е по същество кой е отговорен за задачите по шофиране: човекът, автоматизираната система или комбинация от двете.
Ниво 0: без автоматизация
На ниво 0 всички решения и действия са на човешкия водач . Може да има системи за подпомагане на водача, като например наблюдение на мъртвата зона или предупреждение за челен сблъсък, но тези системи не контролират непрекъснато волана или скоростта. Те са просто предупреждения; те не поемат контрол над превозното средство.
Ниво 1: Помощ за водача
Ниво 1 включва първите системи, които контролират или надлъжно, или странично движение , но никога и двете едновременно. Например, адаптивният круиз контрол управлява газта и спирачките, за да поддържа безопасна дистанция от автомобила отпред, или асистент за паркиране управлява автомобила, докато водачът натиска педалите.
Основната цел тук е шофирането да стане по-комфортно и донякъде по-безопасно , но отговорността все още е изцяло на водача, който трябва да наблюдава през цялото време.
Ниво 2: Частична автоматизация
На ниво 2, което вече е доста широко разпространено на пазара, превозното средство може едновременно да управлява волана и скоростта в рамките на специфичен сценарий (обикновено магистрала или задръствания). Това позволява на автомобила да поддържа лентата си, да регулира дистанцията си от превозното средство отпред и да се движи в натоварен трафик почти „самостоятелно“.
Типични примери включват асистент за поддържане на лентата, работещ съвместно с адаптивен круиз контрол , асистент за задръствания и усъвършенствани системи за паркиране, които контролират както волана, така и педалите. Въпреки това, автомобил от ниво 2 не е проектиран да реагира автономно на всяка неочаквана ситуация и водачът трябва да бъде постоянно бдителен и готов да се намеси.
Ниво 3: Условна автоматизация
Ниво 3 представлява значителен скок напред, тъй като превозното средство вече е оборудвано с автоматизирана система за шофиране, способна да се справя с всички динамични задачи при определени условия. Водачът може да „преотстъпи“ контрола на автомобила, който след това се управлява самостоятелно без непрекъснат надзор, но с важни нюанси.
Системата има добре дефинирана оперативна среда (например, задръстени магистрали при ниски скорости) и е способна да управлява шофирането, докато не засече, че е на път да напусне тази среда или се сблъска със ситуация, която не може да разреши. В този момент се изисква от водача да поеме контрола обратно, което позволява ограничено време за предаване.
Ако водачът не реагира навреме или има повреда в някой ключов компонент, системата трябва да може да приведе превозното средство в ситуация с минимален риск , като например да го спре контролирано на безопасно място.
Ниво 4: Висока автоматизация
На ниво 4 автомобилът може да работи без човешка намеса в рамките на специфична област на оперативен дизайн . Вече не се очаква водачът да реагира на искане за помощ от системата; всъщност може да няма никой на шофьорското място, докато превозното средство работи в предвидената за него среда.
Автоматизираната система за шофиране е способна да се справя с неочаквани ситуации и да управлява извънредни ситуации , за да достигне безопасно място самостоятелно, дори без намесата на водача. Тя обаче все още има географски ограничения и ограничения, свързани с типа на пътя: може да е проектирана например само за специфични градски райони, затворени кампуси или определени магистрални маршрути.
Потребителят все още може да поиска да поеме контрол или да деактивира автономния режим, но за разлика от Ниво 3, превозното средство може да забави деактивирането, ако го сметне за по-безопасно . И ако никой не отговори, то е длъжно да спре безопасно самостоятелно.
Ниво 5: Пълна автоматизация
Ниво 5 е „светият граал“: автомобил, способен да се движи във всякаква среда и при всякакви условия, при които човек би могъл да шофира . Няма ограничения за вида на пътя, времето или конкретната област, поне на теория.
В този сценарий превозното средство може да се справи без елементи като волан или педали , защото няма водач. Човек просто посочва дестинацията и колата се грижи за всичко, независимо дали става въпрос за сложно градско пътуване или за второстепенен планински път насред мъгла.
Въпреки че някои компании работят върху прототипи, близки до тази концепция – особено под формата на автономни таксита – реалността е, че все още няма превозни средства от ниво 5, достъпни за широката общественост , нито се очаква те да бъдат в краткосрочен план.
Автономни автомобили и ADAS: къде сме сега?
Важно е да се уточни, че в момента в дилърските центрове няма автомобили от ниво 5 , нито дори от ниво 4, достъпни за индивидуални потребители. Това, което имаме, са автомобили с множество усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS) и някои специфични системи, които достигат усъвършенствано ниво 2 и дори ниво 3 при силно контролирани сценарии.
Усъвършенстваните системи за подпомагане на водача (ADAS) обхващат всички познати функции за подпомагане на водача: автоматично аварийно спиране, асистент за поддържане на лентата, адаптивен круиз контрол, разпознаване на пътни знаци, 360-градусови камери, автоматично паркиране, откриване на умора на водача и др. Тяхната функция е да намалят риска от инциденти и да облекчат натоварването на водача , но в повечето случаи те не заместват напълно водача.
В Испания настоящите разпоредби са много ясни: водачът няма право да пуска волана по време на шофиране , дори ако технологията на автомобила може да го поеме. Това ефективно ограничава използването на системи, които в други страни се считат за автоматизация от ниво 3, така че тук те продължават да се използват като усъвършенствани системи за подпомагане на водача, които изискват постоянно внимание от страна на водача.
На други места, като например някои щати на САЩ или определени европейски и азиатски страни, са разрешени тестове за автономно шофиране в открити пътища , особено с флотилии от роботизирани таксита или услуги за споделена мобилност. Това са силно наблюдавани среди с относително контролирани условия, но те показват, че технологията се развива.
Актуални примери за автоматизирани системи за шофиране
За да се постави всичко гореизложено в перспектива, си струва да се разгледат някои от най-обсъжданите системи , които вече се внедряват на различни пазари и които ясно илюстрират разнообразието от подходи.
BYD Божието око
„God's Eye“ е усъвършенстваната система за подпомагане на водача на BYD , първоначално пусната извън Европа, която сега се вгражда дори в най-достъпните електрически модели. Тя използва комбинация от LiDAR сензори, камери и радар, за да наблюдава постоянно обкръжението на автомобила.
С тази информация, системата може да контролира скоростта, да поддържа позицията си в лентата на движение, да сменя лентите на магистралата и да избягва сблъсъци в определени ситуации. Взаимодействието ѝ със свързани светофари също е тествано, като получава данни в реално време за фазата на светофара, за да предвиди спиране или възобновяване на движението.
Въпреки че поведението му в града и при сложни маневри е много усъвършенствано, действителната му класификация попада в ниво 2 на автоматизация : водачът трябва непрекъснато да наблюдава и да е готов да поеме контрол по всяко време.
Tesla FSD (Напълно автономно шофиране)
Добре познатата FSD на Tesla е софтуерен пакет, който предлага високотехнологични функции за подпомагане на водача . За разлика от други системи, тя разчита почти изключително на набор от камери около превозното средство, като се отказват от лидар и вместо това използват модели с изкуствен интелект, обучени върху милиони километри данни от реални потребители.
Сред възможностите му са навигация от врата до врата, автоматична смяна на лентите на магистралата, разпознаване на светофари и знаци, автоматично паркиране и известната функция „Summon“ , която ви позволява да управлявате автомобила с ниска скорост от мобилния си телефон или ключ.
Въпреки името си, което може да я накара да изглежда като магия в някои видеоклипове, FSD в момента се счита за усъвършенствана автоматизация от ниво 2. Tesla подчертава, че водачът трябва да остане внимателен и готов да се намеси, тъй като системата все още няма пълни възможности за вземане на решения във всички възможни ситуации.
Ford BlueCruise
Ford въведе своята система BlueCruise в модели като Mustang Mach-E , която в Испания се продава чрез абонамент след пробен период. Тази система позволява това, което самата марка нарича „шофиране със свободни ръце и поглед върху пътя“ по определени магистрали и магистрали, обозначени като Сини зони.
Докато автомобилът преминава през една от тези зони, BlueCruise следи волана, скоростта, спирането и позицията на лентата , като същевременно поддържа безопасна дистанция от другите превозни средства. Камера за вътрешно пространство следи погледа и позицията на главата на водача, за да гарантира, че той остава фокусиран върху пътя.
Шофьорът може да свали ръцете си от волана, когато системата го разреши , но трябва да остане готов за действие. Системата се адаптира към бавния трафик, спира и потегля в задръствания и може да се откаже от контрола, ако потребителят го поиска или ако напусне една от сините зони.
Mercedes-Benz DRIVE PILOT
Mercedes отива още по-далеч със своята DRIVE PILOT , която е сертифицирана като система SAE ниво 3 в някои щати на САЩ, превръщайки се в една от първите по рода си, официално признати.
При специфични условия – разрешени участъци от магистрала и скорости до приблизително 65 км/ч, особено в натоварен трафик – DRIVE PILOT може да поеме управлението изцяло . В този режим водачът е законно упълномощен да изпълнява други задачи, разрешени от закона, тъй като системата се счита за отговорна за шофирането, докато е активна.
За да постигне това, превозното средство включва LiDAR, радар, резервни камери и високопрецизна система за позициониране , както и архитектура, проектирана за безопасно управление на повреди. Системата се предлага чрез абонамент и Mercedes работи по разширяване на наличността ѝ на други пазари и пътни мрежи.
Роботакси и проекти с „геозониране“ от ниво 4
Компании като Waymo (дъщерно дружество на Alphabet, компанията майка на Google) и някои китайски оператори тестват автономни таксита в определени градски райони от години . Тези превозни средства работят в режим на ниво 4 в рамките на определена географска област, без човешки шофьор, макар и винаги под дистанционно наблюдение и със строги ограничения.
В случая на Waymo, те използват различни видове сензори, включително LiDAR, радар, камери, системи за позициониране и звукови детектори, за да разпознават дори аварийни сирени. Софтуерът им е обучен в симулатори, на затворени писти, а по-късно и в реален трафик, натрупвайки милиони километри опит.
Ключови технологии в автономното шофиране
За да работи всичко горепосочено надеждно, автоматизираните превозни средства разчитат на набор от взаимосвързани технологии. Всеки производител избира своя собствена „рецепта“, но основните съставки обикновено са едни и същи.
Сензори за възприемане на околната среда
Автономните автомобили са оборудвани с различни видове сензори, всеки от които има своята специфична роля. Тяхната комбинирана работа позволява изграждането на динамично, триизмерно изображение на обкръжението на превозното средство.
Ултразвуковите сензори са идеални за откриване на много близки обекти, например при паркиране. Те работят, като излъчват нечуваеми звукови вълни и измерват времето, необходимо за отскачането им обратно. Ниската им цена ги прави често срещани в системите за асистенция при паркиране и периметърните аларми в продължение на години.
Сателитните системи за позициониране — GPS, GLONASS, Galileo — ви позволяват да знаете точното местоположение на автомобил на планетата благодарение на трилатерация с множество спътници. Сами по себе си те имат допустима грешка от няколко метра, но когато се комбинират с други техники за корекция и картографски данни с висока разделителна способност, тяхната точност се подобрява до нива, подходящи за усъвършенствана автоматизация.
Инерционната навигация разчита на акселерометри и жироскопи, за да оцени позицията, ориентацията и скоростта на превозното средство без външни референции. Често се използва в допълнение към сателитното позициониране, за да се смекчат временните грешки или загубата на сигнал, въпреки че сама по себе си не постига точността, необходима за навигация от ниво 4 или 5.
Инфрачервените сензори и системите за нощно виждане предоставят ценна информация при условия на слаба светлина, позволявайки откриването на пешеходци, животни или препятствия, които конвенционалните камери трудно биха видели. Някои модели от висок клас предлагат тази технология като опция от години.
Видеокамерите вече са повсеместни. Те са евтини и значително са се подобрили по качество, но предизвикателството е в софтуера, способен да интерпретира това, което показват: линии на пътните ленти, знаци, пешеходци, велосипеди, превозни средства, пътни ремонти и др. Тяхната производителност може да бъде повлияна от силен дъжд, мъгла, замърсяване на обектива или слаба светлина.
Радарът използва електромагнитни вълни, за да открива обекти и да измерва тяхното разстояние, скорост и траектория. Работи много добре до няколкостотин метра и е по-малко чувствителен към неблагоприятни метеорологични условия. Ето защо е станал широко разпространен във функции като адаптивен круиз контрол, наблюдение на мъртвата зона и автоматично аварийно спиране.
LiDAR (лазерно откриване и измерване на разстояние) излъчва лазерни импулси и измерва времето, необходимо за връщането им, създавайки 3D карти, съставени от облаци от точки с много високо ниво на детайлност. Тази информация позволява високоточно възстановяване на околната среда, включително пътни ръбове, препятствия, улично обзавеждане и други превозни средства.
HD картографиране, разширена локализация и интерпретация на данни
За да се постигнат високи нива на автономност, не е достатъчно да се знае „горе-долу“ къде се намира колата. Необходими са карти с висока разделителна способност и системи за локализация, които комбинират сателитни данни, сензори на превозните средства и прецизно картографиране .
Някои специализирани компании, като TomTom, HERE и Mobileye , създават тези подробни карти, включващи информация за пътните ленти, хоризонтална и вертикална сигнализация, фиксирани пътни елементи и други детайли, които улесняват автоматизираната навигация. Всяка компания използва различни сензори (някои дават приоритет на радари, други камери, а трети LiDAR), за да събира данни.
Типичен подход включва сравняване на това, което сензорите на автомобила виждат в реално време, със съхранена карта . Ако „изображението“ съвпада, системата може да позиционира превозното средство с голяма точност, което е от решаващо значение за сложни маневри или силно структурирани среди, като например многолентови магистрали.
Интересен пример е Super Cruise на Cadillac , предлаган за някои модели в Съединените щати. Тази система позволява шофиране със свободни ръце по предварително картографирани участъци от магистралата (където е разрешено от закона), комбинирайки HD карти, камери, адаптивен круиз контрол и GPS. Тя обаче не достига ниво 3: не сменя лентите автоматично, нито избягва неочаквани препятствия, а водачът трябва да остане внимателен през цялото време.
Комуникация между превозни средства и инфраструктура (V2X)
Системите за комуникация между превозните средства позволяват на автомобилите и самата инфраструктура (светофари, информационни табла, крайпътни станции) да обменят данни в реално време. Това се нарича V2V (превозно средство-превозно средство), когато те комуникират помежду си, и V2I (превозно средство-инфраструктура), когато комуникират с пътните елементи.
Тази комуникация може да използва 5G или специализирани технологии за комуникация с малък обхват (DSRC) , които работят на специфични честотни ленти, с обхват до един километър и двупосочна възможност. Това позволява изпращането на предупреждения за внезапно спиране напред, наличие на спряло превозно средство, хлъзгави пътни настилки или промени във фазата на светофара.
Въпреки че не са абсолютно необходими за функционирането на автономния автомобил – всъщност компании като Waymo са показали, че може да се постигне напредък и без да се разчита на тях – те значително подобряват предвиждането и безопасността и се считат за важна част от бъдещата екосистема на мобилността.
Резервиране и сигурност на системите
В автономно превозно средство, софтуерна или хардуерна повреда не може просто да доведе до пълна загуба на контрол. Поради това производителите работят върху архитектури с високи нива на резервиране във всички критични системи: кормилно управление, спирачки, захранване, комуникации, сензори, позициониране и др.
Идеята е, че ако ключов компонент се повреди, друга паралелна система може да поеме управлението или поне да приведе превозното средство в състояние на минимален риск. Например, в спирачната система традиционната вакуумна помпа може да бъде заменена с електромеханична помпа, управлявана както от блока за контрол на стабилността, така и от автоматизираната система за шофиране, като по този начин се осигуряват множество начини за активиране на спирачките, дори ако една част от системата се повреди.
От ниво 3 нагоре, това излишно количество не е лукс, а основно изискване за безопасност , особено защото на тези нива водачът вече не се счита за пряко отговорен за реагиране на технически проблем.
Настояща ситуация, предизвикателства и бъдеще на автономното шофиране
Днес имаме широко разпространени превозни средства от ниво 1 и 2 , някои специфични системи от ниво 3 в реални тестове и много ограничени проекти от ниво 4 (роботизирани таксита, маршрути за камиони, затворени кампуси и др.). Ниво 5 засега остава в сферата на напреднали изследвания и технологични демонстрации.
Напредъкът не е само технологичен. Върши се и значителна работа по регулаторните рамки и стандартите за безопасност . В Европа новите общи разпоредби за безопасност на превозните средства отвориха вратата към системи от ниво 3, а в страни като Испания концепцията за „автоматизирано превозно средство“ вече е включена за първи път в Закона за безопасност на движението по пътищата.
Въпреки това, остават основни предизвикателства: определяне на правни отговорности в случай на произшествие , осигуряване на киберсигурност срещу потенциални атаки, защита на поверителността на данните, генерирани от тези превозни средства (маршрути, навици на употреба, постоянно местоположение) и адаптиране на застрахователните полици към сценарий, в който водачът може да не е този, който взема решенията.
Съществуват и значителни етични и социални проблеми, свързани с приемането. Много хора остават предпазливи към идеята да се качат в кола, която се управлява сама , особено след нашумели инциденти, включващи неправилно използване на системи за подпомагане на водача. Следователно, производителите, правителствата и технологичните компании трябва да работят заедно, за да изградят доверие и да демонстрират с данни, че тези системи намаляват инцидентите.
Що се отнася до сроковете, повечето реалистични прогнози предвиждат значително присъствие на превозни средства от ниво 4 в определени райони около 2030-те години на миналия век , предимно под формата на автономни таксиметрови услуги или товарен транспорт по обозначени коридори. Широко разпространеното ниво 5 се прогнозира като цяло след 2040 г. и някои експерти се съмняват, че то ще бъде напълно постигнато при всички възможни условия.
Междувременно е много вероятно през следващите 10-15 години да продължим да виждаме все по-автономни автомобили, но с волан и водач, които да контролират автомобила , подкрепени от все по-интелигентни асистенти: почти безконтролно шофиране по магистрала, напълно автоматизирано паркиране, усъвършенствано управление на трафика благодарение на 5G и комуникация със светофари и друга инфраструктура и др.
С всичко, което вече е внедрено и което предстои, автономното шофиране напредва стабилно, но стъпка по стъпка: днес технологията съществува едновременно с водача като много способен втори пилот и малко по малко ще поема все повече решения, докато в много случаи човекът се превърне просто в пътник, който избира дестинацията, докато превозното средство върши останалата работа.