Autonomní řízení: úrovně, technologie a budoucnost

Alfa průvodce » Juegos » Autonomní řízení: úrovně, technologie a budoucnost

Autonomní řízení se z pouhého sci-fi konceptu ve velmi krátké době stalo jedním z hlavních cílů automobilového průmyslu. Každý rok jsou oznamovány nové systémy, pilotní projekty a legislativní změny, které nás přibližují myšlence nasednout do auta, nastavit si cíl a zapomenout na zbytek cesty.

Přesto stále zdaleka nevidíme auta bez volantu, která by se hromadně množila v našich městech. Na trhu již máme vozidla s různou úrovní automatizace a dobrým výběrem pokročilých asistenčních systémů pro řidiče (ADAS), které dláždí cestu k plné autonomii. Pojďme si jasně rozebrat, jak to všechno funguje, jaké technologie tyto vozy nesou, jaké jsou úrovně SAE, jakého skutečného pokroku bylo dosaženo a jaké výzvy je ještě třeba překonat.

Co přesně je autonomní řízení?

Než se budeme zabývat úrovněmi a značkami, je důležité ujasnit si, že ne každý „chytrý“ automobilový systém implikuje autonomní řízení . Referenční normou používanou téměř celým odvětvím je norma J3016 od SAE International (Society of Automotive Engineers) , která poměrně přesně definuje, co představuje automatizované řízení a jak je klasifikováno.

Jednoduše řečeno, autonomní řízení je schopnost vozidla udržitelně převzít některé nebo všechny dynamické úkoly řízení (zrychlování, brzdění, zatáčení, sledování okolí, reakce na neočekávané události atd.) s různou mírou lidského dohledu. Na nejvyšší úrovni může vůz řídit bez jakéhokoli lidského zásahu.

Aby toho bylo dosaženo, autonomní vozidlo kombinuje senzory, procesory, akční členy a software schopný vnímat své okolí, interpretovat dění, plánovat manévr a provádět jej pomocí ovládacích prvků vozu. To vše se děje za podmínek, pro které bylo vozidlo navrženo, známých jako provozní designová doména (ODD) : typ vozovky, počasí, provoz, osvětlení atd.

Hlavní motivací tohoto technologického závodu není jen pohodlí. Odhaduje se, že více než 90 % dopravních nehod souvisí s lidskou chybou . Snížení tohoto faktoru, zlepšení plynulosti dopravy ve městech a usnadnění mobility osobám s obtížemi při řízení patří mezi hlavní cíle autonomních vozidel.

Jak funguje autonomní vůz uvnitř?

Automaticky řídící vůz není jen vozidlo, které „řídí samo“, ale komplexní technologická platforma. Aby fungoval, musí vnímat své okolí, přesně se lokalizovat, rozhodnout se, co dělat, a toto rozhodnutí bezpečně provést. To vše závisí na několika technologických komponentách.

Zaprvé, existují senzory vnímání prostředí , které v jistém smyslu nahrazují řidičovy oči a uši. Patří mezi ně mimo jiné kamery, radar, lidar, ultrazvuk, infračervené senzory a systémy nočního vidění. Každý z nich má své silné a slabé stránky, a proto se obvykle kombinují.

Dále přichází aspekt určování polohy a navigace . Autonomní vozidlo musí znát svou polohu s mnohem větší přesností, než jakou poskytuje konvenční GPS v mobilním telefonu. K dosažení tohoto cíle využívá satelitní navigační systémy (GPS, GLONASS, Galileo atd.), inerciální navigaci a v nejpokročilejších úrovních mapy s vysokým rozlišením, které jsou průběžně porovnávány s daty zaznamenanými senzory.

Vše, co tato zařízení zachytí, je odesíláno do řídicích jednotek s velmi výkonnými procesory . A právě zde přichází na řadu umělá inteligence: počítačové vidění, strojové učení a plánovací algoritmy, které transformují nezpracovaná data do konkrétních rozhodnutí o volantu, plynovém pedálu nebo brzdách. V oboru se tomu říká automatizované systémy řízení (ADS).

Konečně, za provádění příkazů jsou zodpovědné akční členy (elektrický posilovač řízení, elektronicky ovládané brzdy, řízení motoru atd.). Pokud k tomu přidáme komunikační systémy s jinými vozidly nebo s infrastrukturou (V2V, V2I), vynoří se koncept propojeného vozu , klíč k úplné autonomii v komplexním městském prostředí.

Úrovně autonomního řízení dle SAE

Aby se předešlo nejasnostem, SAE zavádí šest úrovní automatizace, od 0 do 5 , které se staly globálním standardem. V podstatě se od jedné úrovně k druhé mění, kdo je zodpovědný za úkoly řízení: člověk, automatizovaný systém nebo kombinace obojího.

Úroveň 0: žádná automatizace

Na úrovni 0 leží veškerá rozhodnutí a akce na řidiči . Mohou existovat asistenční systémy pro řidiče, jako je sledování mrtvého úhlu nebo varování před čelní srážkou, ale tyto systémy nepřetržitě neřídí řízení ani rychlost. Jsou to pouze upozornění; nepřebírají kontrolu nad vozidlem.

Úroveň 1: Asistence řidiče

Úroveň 1 zahrnuje první systémy, které řídí buď podélný, nebo příčný pohyb , ale nikdy ne oba současně. Například adaptivní tempomat řídí plynový pedál a brzdy, aby udržoval bezpečnou vzdálenost od vozu vpředu, nebo parkovací asistent řídí vozidlo, zatímco řidič ovládá pedály.

Hlavním cílem je zvýšit komfort a bezpečnost řízení , ale odpovědnost stále leží výhradně na řidiči, který musí neustále dohlížet.

Úroveň 2: Částečná automatizace

Na úrovni 2, která je na trhu již poměrně rozšířená, dokáže vozidlo současně řídit řízení a rychlost v rámci konkrétní situace (obvykle dálnice nebo dopravní zácpy). To umožňuje vozu udržovat si jízdní pruh, upravovat odstup od vozidla vpředu a pohybovat se v hustém provozu téměř „sám“.

Mezi typické příklady patří asistent pro udržování v jízdním pruhu ve spojení s adaptivním tempomatem , asistent pro jízdu v dopravní zácpě a pokročilé parkovací systémy, které ovládají volant i pedály. Přesto vůz úrovně 2 není navržen tak, aby autonomně reagoval na každou neočekávanou situaci , a řidič musí být neustále ostražitý a připraven zasáhnout.

Úroveň 3: Podmíněná automatizace

Úroveň 3 představuje významný skok vpřed, protože vozidlo nyní disponuje systémem automatizovaného řízení, který je schopen za určitých podmínek zvládat všechny dynamické úkoly . Řidič může „předat“ řízení vozu, který pak řídí sám bez neustálého dohledu, ale s důležitými nuancemi.

Systém má dobře definované provozní prostředí (například přetížené dálnice při nízkých rychlostech) a je schopen řídit řízení, dokud nezjistí, že se chystá toto prostředí opustit, nebo nenarazí na situaci, kterou nedokáže vyřešit. V tomto okamžiku vyžaduje, aby lidský řidič převzal řízení zpět, což umožňuje omezený čas na předání.

Pokud řidič nereaguje včas nebo dojde k poruše některého klíčového komponentu, musí být systém schopen uvést vozidlo do situace s minimálním rizikem , například jej kontrolovaně zastavit na bezpečném místě.

Úroveň 4: Vysoká automatizace

Na úrovni 4 může vůz fungovat bez lidského zásahu v rámci specifické provozní oblasti návrhu . Od řidiče se již neočekává, že bude reagovat na žádost o pomoc od systému; ve skutečnosti se na sedadle řidiče nemusí nikdo nacházet, zatímco vozidlo jezdí v zamýšleném prostředí.

Systém automatizovaného řízení je schopen zvládat neočekávané situace a řešit nouzové situace , aby se sám dostal na bezpečné místo, a to i bez zásahu řidiče. Stále však má geografická a typologická omezení: může být navržen například pouze pro specifické městské oblasti, uzavřené kampusy nebo konkrétní dálniční trasy.

Uživatel může stále požádat o převzetí řízení nebo deaktivaci autonomního režimu, ale na rozdíl od úrovně 3 může vozidlo deaktivaci odložit, pokud to považuje za bezpečnější . A pokud nikdo nereaguje, je povinno samo bezpečně zastavit.

Úroveň 5: Plná automatizace

Úroveň 5 je „svatý grál“: auto schopné pohybu v jakémkoli prostředí a za jakýchkoli podmínek, za kterých by mohl řídit člověk . Neexistují žádná omezení týkající se typu silnice, počasí ani konkrétní oblasti, alespoň teoreticky.

V tomto scénáři se vozidlo obejde bez prvků, jako je volant nebo pedály , protože neexistuje žádný řidič. Osoba jednoduše uvede cíl a auto se postará o vše, ať už se jedná o složitou jízdu po městě nebo o vedlejší horskou silnici uprostřed mlhy.

Ačkoli některé společnosti pracují na prototypech blízkých tomuto konceptu – zejména v podobě autonomních taxíků – realita je taková, že pro širokou veřejnost stále nejsou k dispozici žádná vozidla úrovně 5 a ani se neočekává, že by v blízké budoucnosti byla.

Autonomní vozidla a ADAS: kde jsme teď?

Je důležité upřesnit, že v současné době nejsou v prodejnách k dispozici žádné vozy úrovně 5, ani vozy úrovně 4 pro jednotlivé zákazníky. Máme však vozy s několika pokročilými asistenčními systémy pro řidiče (ADAS) a některými specifickými systémy, které dosahují pokročilé úrovně 2 a dokonce i úrovně 3 ve vysoce kontrolovaných situacích.

Pokročilé asistenční systémy pro řidiče (ADAS) zahrnují všechny již známé asistenční funkce pro řidiče: automatické nouzové brzdění, asistent pro udržování v jízdním pruhu, adaptivní tempomat, rozpoznávání dopravních značek, 360stupňové kamery, automatické parkování, detekci únavy řidiče atd. Jejich funkcí je snížit riziko nehod a ulehčit řidiči jeho pracovní zátěž , ale ve většině případů řidiče zcela nenahrazují.

Ve Španělsku jsou současné předpisy velmi jasné: řidič nesmí během jízdy pustit volant , a to ani v případě, že by to technologie vozu zvládla. To efektivně omezuje používání systémů, které jsou v jiných zemích považovány za automatizaci úrovně 3, takže se zde nadále používají jako pokročilé asistenční systémy pro řidiče, které vyžadují neustálou pozornost řidiče.

Na jiných místech, jako jsou některé státy USA nebo některé evropské a asijské země, byly povoleny testy autonomní jízdy v otevřeném provozu , zejména s flotilami robotických taxíků nebo služeb sdílené mobility. Jedná se o přísně monitorovaná prostředí s poměrně kontrolovanými podmínkami, ale ukazují, že technologie dozrává.

Aktuální příklady systémů automatizovaného řízení

Abychom uvedli výše uvedené do perspektivy, stojí za to se podívat na některé z nejdiskutovanějších systémů , které se již nasazují na různých trzích a které jasně ilustrují rozmanitost přístupů.

Boží oko BYD

God's Eye je pokročilý asistenční systém pro řidiče od společnosti BYD , který byl původně uveden na trh mimo Evropu a nyní se integruje i do nejdostupnějších elektrických modelů. Využívá kombinaci senzorů LiDAR, kamer a radaru k neustálému monitorování okolí vozu.

S těmito informacemi dokáže řídit rychlost, udržovat polohu v jízdním pruhu, měnit jízdní pruhy na dálnici a v určitých situacích se vyhýbat kolizím. Testována byla také jeho interakce s připojenými semafory, které přijímají data v reálném čase o fázi semaforu, aby mohl předvídat zastavení nebo obnovení pohybu.

Přestože je jeho chování ve městě a při složitých manévrech velmi pokročilé, jeho skutečná klasifikace spadá do úrovně 2 automatizace : řidič musí neustále sledovat situaci a být připraven kdykoli převzít kontrolu.

Tesla FSD (plně autonomní vůz)

Známý systém FSD od Tesly je softwarový balíček, který nabízí vysoce pokročilé funkce podpory řidiče . Na rozdíl od jiných systémů se spoléhá téměř výhradně na sadu kamer kolem vozidla, přičemž se vyhýbá lidaru a místo toho využívá modely umělé inteligence trénované na milionech kilometrů reálných uživatelských dat.

Mezi jeho funkce patří navigace od dveří ke dveřím, automatické změny jízdních pruhů na dálnici, rozpoznávání semaforů a značek, automatické parkování a slavná funkce „Přivolání“ , která umožňuje pohybovat autem nízkou rychlostí pomocí mobilního telefonu nebo klíče.

Navzdory svému názvu, který by v některých videích mohl působit jako magie, je FSD v současnosti považován za pokročilou automatizaci 2. úrovně . Tesla zdůrazňuje, že řidič musí zůstat pozorný a připravený zasáhnout, protože systém zatím nemá plné rozhodovací schopnosti ve všech možných situacích.

Ford Blue Cruise

Ford představil svůj systém BlueCruise v modelech, jako je Mustang Mach-E , který je ve Španělsku po zkušební době prodáván na základě předplatného. Tento systém umožňuje to, co samotná značka nazývá „řízení bez použití rukou a s očima na silnici“ na určitých dálnicích a rychlostních silnicích označených jako modré zóny.

Během průjezdu vozu jednou z těchto zón systém BlueCruise sleduje řízení, rychlost, brzdění a polohu v jízdním pruhu a zároveň udržuje bezpečnou vzdálenost od ostatních vozidel. Vnitřní kamera sleduje pohled a polohu hlavy řidiče, aby zajistila, že se řidič soustředí na silnici.

Řidič může sundat ruce z volantu, když to systém povolí , ale musí zůstat připravený k akci. Systém se přizpůsobuje pomalému provozu, zastavuje a rozjíždí v dopravních zácpách a může se vzdát kontroly, pokud si to uživatel vyžádá nebo pokud opustí jednu z modrých zón.

Mercedes-Benz DRIVE PILOT

Mercedes šel se svým systémem DRIVE PILOT ještě o krok dál , protože byl v některých státech USA certifikován jako systém SAE úrovně 3 a stal se tak jedním z prvních svého druhu, který byl oficiálně uznán.

Za určitých podmínek – povolené úseky dálnic a rychlosti až do přibližně 65 km/h, zejména v hustém provozu – může systém DRIVE PILOT zcela převzít řízení . V tomto režimu je řidič ze zákona oprávněn vykonávat další úkoly povolené zákonem, protože systém je považován za zodpovědného za řízení, když je aktivní.

Aby toho bylo dosaženo, vozidlo je vybaveno LiDARem, radarem, redundantními kamerami a vysoce přesným systémem určování polohy , a také architekturou navrženou pro bezpečné zvládání poruch. Systém je nabízen prostřednictvím předplatného a Mercedes pracuje na rozšíření jeho dostupnosti na další trhy a silniční sítě.

Robotaxi a projekty s geofencem úrovně 4

Společnosti jako Waymo (dceřiná společnost Alphabet, mateřské společnosti Googlu) a někteří čínští provozovatelé testují autonomní taxíky ve vyhrazených městských oblastech již léta . Tato vozidla jezdí v režimu úrovně 4 v rámci specifické geografické oblasti bez lidského řidiče, i když vždy pod dálkovým dohledem a s přísnými omezeními.

V případě společnosti Waymo používají různé typy senzorů, včetně LiDAR, radaru, kamer, polohovacích systémů a zvukových detektorů, k rozpoznání i nouzových sirén. Jejich software byl trénován v simulátorech, na uzavřených okruzích a později v reálném provozu a nashromáždil miliony kilometrů zkušeností.

Klíčové technologie pro autonomní řízení

Aby všechny výše uvedené funkce spolehlivě fungovaly, spoléhají se automatizovaná vozidla na soubor propojených technologií. Každý výrobce si volí svůj vlastní „recept“, ale základní ingredience jsou obvykle stejné.

Senzory vnímání prostředí

Autonomní vozidla jsou vybavena různými typy senzorů, z nichž každý má svou specifickou roli. Jejich kombinovaný provoz umožňuje vytvořit dynamický trojrozměrný obraz okolí vozidla.

Ultrazvukové senzory jsou ideální pro detekci velmi blízkých objektů, například při parkování. Fungují na principu vyzařování neslyšitelných zvukových vln a měření doby, za kterou se odrazí zpět. Díky nízké ceně jsou již léta běžně používány v parkovacích asistenčních systémech a perimetrických alarmech.

Satelitní poziční systémy – GPS, GLONASS, Galileo – umožňují zjistit přesnou polohu automobilu na planetě díky trilateraci s více satelity. Samy o sobě mají chybu několika metrů, ale v kombinaci s dalšími korekčními technikami a mapovými daty s vysokým rozlišením se jejich přesnost zvyšuje na úrovně vhodné pro pokročilou automatizaci.

Inerciální navigace se spoléhá na akcelerometry a gyroskopy k odhadu polohy, orientace a rychlosti vozidla bez externích referencí. Často se používá jako doplněk k satelitnímu určování polohy ke zmírnění dočasných chyb nebo ztráty signálu, ačkoli sama o sobě nedosahuje přesnosti požadované pro navigaci úrovně 4 nebo 5.

Infračervené senzory a systémy nočního vidění poskytují cenné informace za zhoršených světelných podmínek a umožňují detekci chodců, zvířat nebo překážek, které by běžné kamery obtížně viděly. Některé špičkové modely tuto technologii nabízejí jako volitelnou výbavu již léta.

Videokamery jsou dnes všudypřítomné. Jsou levné a jejich kvalita se výrazně zlepšila, ale výzva spočívá v softwaru, který je schopen interpretovat to, co zobrazují: čáry jízdních pruhů, značky, chodce, jízdní kola, vozidla, práce na silnici atd. Jejich výkon může být ovlivněn silným deštěm, mlhou, znečištěním objektivu nebo slabým osvětlením.

Radar využívá elektromagnetické vlny k detekci objektů a měření jejich vzdálenosti, rychlosti a trajektorie. Funguje velmi dobře až do vzdálenosti několika set metrů a je méně citlivý na nepříznivé povětrnostní podmínky. Proto se rozšířil ve funkcích, jako je adaptivní tempomat, monitorování mrtvého úhlu a automatické nouzové brzdění.

LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) vysílá laserové pulzy a měří čas jejich návratu, čímž vytváří 3D mapy složené z mračen bodů s velmi vysokou úrovní detailů. Tyto informace umožňují vysoce přesnou rekonstrukci prostředí, včetně okrajů vozovek, překážek, městského mobiliáře a dalších vozidel.

HD mapování, pokročilá lokalizace a interpretace dat

Pro dosažení vysoké úrovně autonomie nestačí vědět „víceméně“, kde se auto nachází. Jsou zapotřebí mapy s vysokým rozlišením a lokalizační systémy, které kombinují satelitní data, senzory vozidla a přesné mapování .

Některé specializované společnosti, jako například TomTom, HERE a Mobileye , vytvářejí tyto podrobné mapy, které zahrnují informace o jízdních pruzích, horizontálním a vertikálním značení, pevných prvcích silnic a dalších detailech, které usnadňují automatickou navigaci. Každá společnost používá ke sběru dat různé senzory (některé upřednostňují radar, jiné kamery a další LiDAR).

Typický přístup zahrnuje porovnání toho, co senzory vozu vidí v reálném čase, s uloženou mapou . Pokud se „obraz“ shoduje, systém dokáže vozidlo s velkou přesností umístit, což je klíčové pro složité manévry nebo vysoce strukturovaná prostředí, jako jsou víceproudé dálnice.

Zajímavým příkladem je systém Cadillac Super Cruise , který je k dispozici u některých modelů ve Spojených státech. Tento systém umožňuje řízení bez použití rukou na předem zmapovaných úsecích dálnic (tam, kde to zákon dovoluje), a kombinuje HD mapy, kamery, adaptivní tempomat a GPS. Nedosahuje však úrovně 3: nemění jízdní pruhy automaticky ani se nevyhýbá neočekávaným překážkám a řidič musí být neustále pozorný.

Komunikace mezi vozidly a infrastrukturou (V2X)

Komunikační systémy vozidel umožňují automobilům a samotné infrastruktuře (semaforům, informačním panelům, stanicím u silnic) vyměňovat si data v reálném čase. Tento systém se nazývá V2V (vehicle-to-vehicle), pokud komunikují mezi sebou navzájem, a V2I (vehicle-to-infrastructure), pokud komunikují s prvky silnice.

Tato komunikace může využívat technologie 5G nebo specializované technologie krátkého dosahu (DSRC) , které fungují na specifických pásmech s dosahem až jednoho kilometru a obousměrným signálem. To umožňuje odesílat varování před náhlým brzděním vpředu, přítomností stojícího vozidla, kluzkým povrchem vozovky nebo změnami fáze semaforu.

Ačkoli nejsou pro fungování autonomního vozidla nezbytně nutné – společnosti jako Waymo ve skutečnosti ukázaly, že pokroku lze dosáhnout i bez jejich závislosti –, výrazně zlepšují předvídání a bezpečnost a jsou považovány za důležitou součást budoucího ekosystému mobility.

Redundance a zabezpečení systémů

V autonomním vozidle nemůže selhání softwaru nebo hardwaru jednoduše vést k úplné ztrátě kontroly. Výrobci proto pracují na architekturách s vysokou úrovní redundance ve všech kritických systémech: řízení, brzdách, napájení, komunikaci, senzorech, určování polohy atd.

Myšlenka je taková, že pokud selže klíčová součást, může ji převzít jiný paralelní systém nebo alespoň uvést vozidlo do stavu minimálního rizika. Například v brzdovém systému lze tradiční vakuové čerpadlo nahradit elektromechanickým čerpadlem ovladatelným jak jednotkou řízení stability, tak i automatizovaným systémem řízení, takže existuje několik způsobů, jak aktivovat brzdy, i když jedna část systému selže.

Od úrovně 3 výše tato redundance není luxusem, ale základním bezpečnostním požadavkem , zejména proto, že na těchto úrovních již řidič není považován za přímo zodpovědného za reakci na jakýkoli technický problém.

Aktuální situace, výzvy a budoucnost autonomního řízení

Dnes máme rozšířená vozidla úrovně 1 a 2 , některé specifické systémy úrovně 3 v reálném testování a velmi omezené projekty úrovně 4 (robotické taxíky, trasy pro nákladní automobily, uzavřené kampusy atd.). Úroveň 5 prozatím zůstává v oblasti pokročilého výzkumu a technologických demonstrací.

Pokrok není jen technologický. Významná práce se také věnuje regulačním rámcům a bezpečnostním normám . V Evropě nová obecná nařízení o bezpečnosti vozidel otevřela dveře systémům úrovně 3 a v zemích, jako je Španělsko, byl koncept „automatizovaného vozidla“ již poprvé zahrnut do zákona o bezpečnosti silničního provozu.

Přesto přetrvávají hlavní výzvy: definování právní odpovědnosti v případě nehody , zajištění kybernetické bezpečnosti proti potenciálním útokům, ochrana soukromí dat generovaných těmito vozidly (trasy, zvyky užívání, stálá poloha) a přizpůsobení pojistných smluv scénáři, kdy řidič nemusí být tím, kdo činí rozhodnutí.

Existují také významné etické a společenské otázky týkající se přijetí. Mnoho lidí se stále obává myšlenky nastoupit do auta, které řídí samo , zejména po závažných incidentech zahrnujících zneužití asistenčních systémů řidiče. Výrobci, vlády a technologické společnosti proto musí spolupracovat na budování důvěry a prokázat pomocí dat, že tyto systémy snižují počet nehod.

Pokud jde o časové harmonogramy, většina realistických prognóz uvádí významnou přítomnost vozidel úrovně 4 v konkrétních oblastech kolem 30. let 21. století , zejména ve formě autonomních taxislužeb nebo nákladní dopravy po určených koridorech. Rozšířená úroveň 5 se obecně předpokládá po roce 2040 a někteří odborníci pochybují, že bude plně dosažena za všech myslitelných podmínek.

Mezitím je velmi pravděpodobné, že v příštích 10–15 letech budeme i nadále svědky stále více autonomních vozidel, ale s volantem a řidičem pod kontrolou , podporovaných stále inteligentnějšími asistenty: téměř bezobslužná jízda po dálnici, plně automatizované parkování, pokročilé řízení dopravy díky 5G a komunikace se semafory a další infrastrukturou atd.

Vzhledem k tomu, co již bylo zavedeno, a co je na cestě, se autonomní řízení postupně, ale krok za krokem, vyvíjí vpřed: dnes technologie koexistuje s řidičem jako velmi schopný kopilot a postupně přebírá stále více rozhodnutí , až se v mnoha případech člověk stane jen pasažérem, který si vybírá cíl, zatímco vozidlo udělá zbytek práce.