- Автономне водіння базується на передових системах водіння (ADS), які поєднують датчики, HD-картографування, штучний інтелект та виконавчі механізми для виконання завдань водіння.
- Класифікація SAE встановлює шість рівнів (від 0 до 5), від повної відсутності автоматизації до повністю автономного транспортного засобу без керма та педалей.
- Сьогодні переважають автомобілі 1-го та 2-го рівнів, а також деякі системи 3-го рівня та пілоти роботаксі 4-го рівня у дуже обмежених середовищах.
- Масове розгортання залежить від технологічної зрілості, регулювання, безпеки, кібербезпеки та соціального сприйняття.
Автономне водіння за дуже короткий час перетворилося з науково-фантастичної концепції на одну з головних цілей автомобільної промисловості. Щороку оголошуються нові системи, пілотні проекти та законодавчі зміни, що наближають нас до ідеї сісти в автомобіль, встановити пункт призначення та забути про решту подорожі.
Навіть попри це, нам ще далеко до масового використання автомобілів без керма в наших містах. На ринку вже є автомобілі з різним рівнем автоматизації та гарним вибором передових систем допомоги водієві (ADAS), які прокладають шлях до повної автономності. Давайте чітко розглянемо, як все це працює, які технології втілені в цих автомобілях, які рівні SAE, який реальний прогрес досягнуто та які виклики ще належить подолати.
Що ж таке автономне водіння?
Перш ніж обговорювати рівні та бренди, важливо уточнити, що не кожна «розумна» автомобільна система передбачає автономне керування . Довідковим документом, який використовується майже всією галуззю, є стандарт J3016 від SAE International (Товариства автомобільних інженерів) , який досить точно визначає, що являє собою автоматизоване керування та як воно класифікується.
Простіше кажучи, автономне водіння — це здатність транспортного засобу стабільно виконувати деякі або всі динамічні завдання керування (розгін, гальмування, повороти, моніторинг навколишнього середовища, реагування на неочікувані події тощо) з різним ступенем людського контролю. На найвищих рівнях автомобіль може керувати без будь-якого втручання людини.
Для досягнення цієї мети автономний транспортний засіб поєднує датчики, процесори, виконавчі механізми та програмне забезпечення, здатні сприймати навколишнє середовище, інтерпретувати те, що відбувається, планувати маневр та виконувати його за допомогою елементів керування автомобіля. Все це відбувається в умовах, для яких він був розроблений, відомих як область операційного проектування (ODD) : тип дороги, погода, дорожній рух, освітлення тощо.
Головною мотивацією цієї технологічної гонки є не лише зручність. За оцінками, понад 90% дорожньо-транспортних пригод пов'язані з людською помилкою . Зменшення цього фактора, покращення транспортного потоку в містах та сприяння мобільності людей з обмеженими можливостями водіння є одними з головних цілей створення автономних автомобілів.
Як працює безпілотний автомобіль всередині?
Автономний автомобіль — це не просто транспортний засіб, який «керує сам собою», а складна технологічна платформа. Щоб він функціонував, йому потрібно сприймати навколишнє середовище, точно визначати своє місцезнаходження, вирішувати, що робити, і безпечно виконувати це рішення. Все це залежить від кількох технологічних компонентів.
По-перше, є датчики сприйняття навколишнього середовища , які певним чином замінюють очі та вуха водія. До них належать камери, радар, лідар, ультразвук, інфрачервоні датчики та системи нічного бачення, серед іншого. Кожен з них має свої сильні та обмежені сторони, тому їх зазвичай комбінують.
Далі йде аспект позиціонування та навігації . Безпілотний транспортний засіб повинен знати своє місцезнаходження з набагато більшою точністю, ніж забезпечує звичайний GPS мобільного телефону. Для досягнення цього він використовує супутникові навігаційні системи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo тощо), інерціальну навігацію та, на найсучасніших рівнях, карти високої чіткості, які постійно порівнюються з даними, записаними датчиками.
Усе, що фіксують ці пристрої, надсилається до блоків керування з дуже потужними процесорами . Саме тут на допомогу приходить штучний інтелект: комп’ютерний зір, машинне навчання та алгоритми планування, які перетворюють необроблені дані на конкретні рішення щодо керма, акселератора чи гальм. У галузі це відоме як автоматизовані системи водіння (ADS).
Зрештою, виконавчі механізми (електропідсилювач керма, електронно керовані гальма, система керування двигуном тощо) відповідають за виконання команд. Якщо додати до цього системи зв'язку з іншими транспортними засобами або з інфраструктурою (V2V, V2I), то виникає концепція підключеного автомобіля , яка є ключем до повної автономності в складних міських умовах.
Рівні автономного водіння згідно з SAE
Щоб уникнути плутанини, SAE встановлює шість рівнів автоматизації, від 0 до 5 , які стали світовим стандартом. Від одного рівня до іншого змінюється, по суті, хто відповідає за завдання водіння: людина, автоматизована система або їх комбінація.
Рівень 0: без автоматизації
На рівні 0 усі рішення та дії приймає водій . Можуть бути системи допомоги водієві, такі як моніторинг сліпих зон або попередження про лобове зіткнення, але ці системи не контролюють кермове керування чи швидкість безперервно. Вони є лише сповіщеннями; вони не беруть на себе керування транспортним засобом.
Рівень 1: Допомога водієві
Рівень 1 включає перші системи, які контролюють або поздовжній, або поперечний рух , але ніколи обидва одночасно. Наприклад, адаптивний круїз-контроль керує акселератором і гальмами, щоб підтримувати безпечну дистанцію до автомобіля попереду, або асистент паркування керує автомобілем, поки водій натискає на педалі.
Головна мета тут — зробити керування автомобілем комфортнішим і дещо безпечнішим , але відповідальність все ще повністю лежить на водієві, який повинен постійно контролювати ситуацію.
Рівень 2: часткова автоматизація
На другому рівні, який вже досить поширений на ринку, автомобіль може одночасно керувати кермом та швидкістю в певній ситуації (зазвичай на автомагістралі або в заторах). Це дозволяє автомобілю підтримувати свою смугу руху, регулювати дистанцію до транспортного засобу попереду та рухатися в умовах інтенсивного руху майже «самостійно».
Типовими прикладами є система утримання смуги руху, що працює в поєднанні з адаптивним круїз-контролем , системою допомоги в заторах та вдосконаленими системами паркування, які керують як кермом, так і педалями. Однак автомобіль 2-го рівня не призначений для автономної реакції на кожну непередбачену ситуацію , і водій повинен постійно залишатися пильним та готовим до втручання.
Рівень 3: Умовна автоматизація
Третій рівень являє собою значний крок вперед, оскільки тепер автомобіль оснащений системою автоматизованого водіння, здатною виконувати всі динамічні завдання за певних умов. Водій може «передати» керування автомобілю, який потім керує самостійно без постійного нагляду, але з важливими нюансами.
Система має чітко визначене робоче середовище (наприклад, затори на автомагістралях на низьких швидкостях) і здатна керувати рухом, доки не виявить, що вона збирається покинути це середовище або зіткнеться з ситуацією, яку не може вирішити. У цей момент водієві-людині потрібно повернути керування, що дає обмежений час для передачі керування.
Якщо водій не реагує вчасно або виникла несправність у якомусь ключовому компоненті, система повинна бути здатною привести транспортний засіб у ситуацію з мінімальним ризиком , наприклад, зупинити його контрольованим чином у безпечному місці.
Рівень 4: Високий рівень автоматизації
На рівні 4 автомобіль може працювати без втручання людини в межах певної області операційного проектування . Від водія більше не очікується реакції на запит про допомогу від системи; фактично, на водійському сидінні може нікого не бути, поки транспортний засіб працює в межах свого передбачуваного середовища.
Автономна система водіння здатна справлятися з непередбаченими ситуаціями та керувати надзвичайними ситуаціями , щоб самостійно дістатися до безпечного місця, навіть без втручання водія. Однак вона все ще має географічні обмеження та обмеження щодо типу доріг: вона може бути розроблена, наприклад, лише для певних міських районів, закритих кампусів або певних маршрутів автомагістралей.
Користувач все ще може запросити керування або деактивувати автономний режим, але на відміну від 3-го рівня, транспортний засіб може відкласти деактивацію, якщо вважає це безпечнішим . А якщо ніхто не відповідає, він зобов'язаний самостійно безпечно зупинитися.
Рівень 5: повна автоматизація
Рівень 5 – це «святий Грааль»: автомобіль, здатний рухатися в будь-якому середовищі та за будь-яких умов, за яких може керувати людина . Немає обмежень щодо типу дороги, погоди чи конкретної місцевості, принаймні теоретично.
У цьому сценарії транспортний засіб може обійтися без таких елементів, як кермо чи педалі , оскільки водія немає. Людина просто вказує пункт призначення, а автомобіль подбає про все, чи то складна міська подорож, чи другорядна гірська дорога посеред туману.
Хоча деякі компанії працюють над прототипами, близькими до цієї концепції, особливо у вигляді автономних таксі, реальність така, що досі немає транспортних засобів 5-го рівня, доступних для широкої громадськості , і не очікується, що вони з'являться найближчим часом.
Автономні автомобілі та системи допомоги водієві (ADAS): де ми зараз?
Важливо уточнити, що наразі в дилерських центрах для окремих споживачів немає автомобілів 5-го або навіть 4-го рівня. У нас є автомобілі з кількома розширеними системами допомоги водієві (ADAS) та деякими спеціальними системами, які досягають розширеного 2-го та навіть 3-го рівня у висококонтрольованих сценаріях.
Розширені системи допомоги водієві (ADAS) охоплюють усі вже знайомі функції допомоги водієві: автоматичне екстрене гальмування, систему утримання смуги руху, адаптивний круїз-контроль, розпізнавання дорожніх знаків, камери з круговим оглядом на 360 градусів, автоматичне паркування, виявлення втоми водія тощо. Їхня функція полягає у зменшенні ризику аварій та полегшенні навантаження на водія , але в більшості випадків вони не повністю замінюють водія.
В Іспанії чинні правила дуже чіткі: водієві не дозволяється відпускати кермо під час руху , навіть якщо технології автомобіля можуть це впоратися. Це фактично обмежує використання систем, які в інших країнах вважаються автоматизацією 3-го рівня, тому тут вони продовжують використовуватися як передові системи допомоги водієві, що вимагають постійної уваги водія.
В інших місцях, таких як деякі штати США або певні європейські та азійські країни, випробування автономного водіння були дозволені у відкритому дорожньому русі , особливо для парків роботаксі або сервісів спільної мобільності. Це суворо контрольовані середовища з досить контрольованими умовами, але вони демонструють, що технологія розвивається.
Сучасні приклади систем автоматизованого водіння
Щоб зрозуміти все вищесказане, варто розглянути деякі з найбільш обговорюваних систем , які вже впроваджуються на різних ринках і які чітко ілюструють різноманітність підходів.
BYD Боже око
«God's Eye» – це передова система допомоги водієві від BYD , спочатку запущена за межами Європи, яка зараз встановлюється навіть у найдоступніші електричні моделі. Вона використовує комбінацію датчиків LiDAR, камер і радара для постійного моніторингу оточення автомобіля.
За допомогою цієї інформації система може контролювати швидкість, підтримувати положення в смузі руху, змінювати смуги руху на автомагістралі та уникати зіткнень у певних ситуаціях. Також було протестовано її взаємодію з підключеними світлофорами, що дозволяє отримувати дані в режимі реального часу про фазу світлофора, щоб передбачити зупинку або відновлення руху.
Хоча його поведінка в місті та під час складних маневрів дуже просунута, його фактична класифікація належить до 2-го рівня автоматизації : водій повинен постійно контролювати ситуацію та бути готовим взяти керування в будь-який момент.
Tesla FSD (повністю автономне керування)
Відомий FSD від Tesla – це програмний пакет, який пропонує високорозширені функції допомоги водієві . На відміну від інших систем, він майже виключно спирається на набір камер навколо автомобіля, відмовившись від лідара та використовуючи моделі штучного інтелекту, навчені на мільйонах кілометрів реальних даних користувачів.
Серед його можливостей – навігація «від дверей до дверей», автоматична зміна смуг руху на автомагістралі, розпізнавання світлофорів та знаків, автоматичне паркування та відома функція «Виклик» , яка дозволяє керувати автомобілем на низькій швидкості за допомогою мобільного телефону або ключа.
Незважаючи на свою назву, яка в деяких відео може здаватися магією, FSD наразі вважається передовою автоматизацією 2-го рівня . Tesla наголошує, що водій повинен залишатися уважним і готовим до втручання, оскільки система ще не має повних можливостей прийняття рішень у всіх можливих ситуаціях.
Ford BlueCruise
Компанія Ford представила свою систему BlueCruise в таких моделях, як Mustang Mach-E, яка в Іспанії продається за передплатою після пробного періоду. Ця система дозволяє, як сам бренд називає, керувати певними автомагістралями та автомагістралями, позначеними як « сині зони », без використання рук та очей.
Під час руху автомобіля через одну з цих зон система BlueCruise контролює кермове керування, швидкість, гальмування та положення смуги руху , а також підтримує безпечну дистанцію від інших транспортних засобів. Камера салону відстежує погляд і положення голови водія, щоб забезпечити його зосередженість на дорозі.
Водій може прибрати руки з керма, коли система це дозволить , але повинен залишатися готовим до дії. Система адаптується до повільного руху, зупиняється та рушає в заторах, і може відмовитися від керування, якщо користувач цього вимагає або якщо він залишає одну з «синіх зон».
Mercedes-Benz DRIVE PILOT
Mercedes пішов ще далі зі своєю системою DRIVE PILOT , яка була сертифікована як система SAE 3-го рівня в деяких штатах США, ставши однією з перших у своєму роді, що отримала офіційне визнання.
За певних умов — на дозволених ділянках автомагістралей та швидкостях приблизно до 65 км/год, особливо в умовах інтенсивного руху — система DRIVE PILOT може повністю взяти на себе керування автомобілем . У цьому режимі водій має законне право виконувати інші завдання, дозволені законом, оскільки система вважається відповідальною за керування автомобілем під час його активації.
Для досягнення цієї мети автомобіль оснащений LiDAR, радар, резервними камерами та високоточною системою позиціонування , а також архітектурою, розробленою для безпечного управління збоями. Система пропонується за підпискою, і Mercedes працює над розширенням її доступності на інші ринки та дорожні мережі.
Роботаксі та проекти 4-го рівня з "геозонами"
Такі компанії, як Waymo (дочірня компанія Alphabet, материнської компанії Google), та деякі китайські оператори роками тестують автономні таксі у визначених міських районах . Ці транспортні засоби працюють у режимі 4-го рівня в межах певної географічної області, без водія-людини, хоча завжди під дистанційним наглядом та з суворими обмеженнями.
У випадку Waymo, вони використовують різні типи датчиків, включаючи LiDAR, радар, камери, системи позиціонування та звукові детектори, щоб розпізнавати навіть аварійні сирени. Їхнє програмне забезпечення було навчено на симуляторах, на замкнутих трасах, а пізніше в реальному русі, накопичивши мільйони кілометрів досвіду.
Ключові технології автономного водіння
Щоб усе вищезазначене надійно працювало, автоматизовані транспортні засоби покладаються на набір взаємопов’язаних технологій. Кожен виробник обирає свій власний «рецепт», але основні інгредієнти зазвичай однакові.
Датчики сприйняття навколишнього середовища
Автономні автомобілі оснащені різними типами датчиків, кожен з яких має свою специфічну роль. Їх спільна робота дозволяє створювати динамічне тривимірне зображення навколишнього середовища навколо автомобіля.
Ультразвукові датчики ідеально підходять для виявлення дуже близьких об'єктів, наприклад, під час паркування. Вони працюють, випромінюючи нечутні звукові хвилі та вимірюючи час, необхідний для їх відбиття. Їхня низька вартість зробила їх поширеними в системах допомоги при паркуванні та периметральних сигналізаціях протягом багатьох років.
Системи супутникового позиціонування — GPS, ГЛОНАСС, Galileo — дозволяють вам дізнатися точне місцезнаходження автомобіля на планеті завдяки трилатерації з кількома супутниками. Самі по собі вони мають похибку в кілька метрів, але в поєднанні з іншими методами корекції та картографічними даними високої чіткості їхня точність підвищується до рівнів, придатних для передової автоматизації.
Інерціальна навігація спирається на акселерометри та гіроскопи для оцінки положення, орієнтації та швидкості транспортного засобу без зовнішніх орієнтирів. Вона часто використовується як доповнення до супутникового позиціонування для зменшення тимчасових помилок або втрати сигналу, хоча сама по собі вона не досягає точності, необхідної для навігації 4-го або 5-го рівня.
Інфрачервоні датчики та системи нічного бачення надають цінну інформацію в умовах низької освітленості, дозволяючи виявляти пішоходів, тварин або перешкоди, які звичайні камери навряд чи зможуть побачити. Деякі моделі високого класу пропонують цю технологію як опцію вже багато років.
Відеокамери зараз повсюдні. Вони недорогі та значно покращилися за якістю, але проблема полягає в програмному забезпеченні, здатному інтерпретувати те, що вони показують: лінії смуг руху, знаки, пішоходів, велосипедистів, транспортні засоби, дорожні роботи тощо. На їхню роботу може вплинути сильний дощ, туман, бруд на об'єктиві або слабке освітлення.
Радар використовує електромагнітні хвилі для виявлення об'єктів та вимірювання їхньої відстані, швидкості та траєкторії. Він дуже добре працює на відстані до кількох сотень метрів і менш чутливий до несприятливих погодних умов. Саме тому він набув широкого поширення в таких функціях, як адаптивний круїз-контроль, моніторинг сліпих зон та автоматичне екстрене гальмування.
LiDAR (лазерне виявлення та визначення дальності) випромінює лазерні імпульси та вимірює час, необхідний для їх повернення, створюючи 3D-карти, що складаються з хмар точок з дуже високим рівнем деталізації. Ця інформація дозволяє високоточно реконструювати навколишнє середовище, включаючи узбіччя доріг, перешкоди, вуличні меблі та інші транспортні засоби.
HD-картографування, розширена локалізація та інтерпретація даних
Для досягнення високого рівня автономності недостатньо знати «більш-менш», де знаходиться автомобіль. Потрібні карти високої чіткості та системи локалізації, що поєднують супутникові дані, датчики транспортних засобів та точне картографування .
Деякі спеціалізовані компанії, такі як TomTom, HERE та Mobileye , створюють ці детальні карти, включаючи інформацію про смуги руху, горизонтальні та вертикальні знаки, фіксовані дорожні елементи та інші деталі, що сприяють автоматизованій навігації. Кожна компанія використовує різні датчики (деякі надають пріоритет радарам, інші – камерам, а інші – LiDAR) для збору даних.
Типовий підхід передбачає порівняння того, що бачать датчики автомобіля в режимі реального часу, зі збереженою картою . Якщо «зображення» збігається, система може позиціонувати автомобіль з великою точністю, що має вирішальне значення для складних маневрів або високоструктурованих середовищ, таких як багатосмугові автомагістралі.
Цікавим прикладом є система Super Cruise від Cadillac , доступна на деяких моделях у Сполучених Штатах. Ця система дозволяє керувати автомобілем без використання рук на попередньо нанесених ділянках автомагістралей (де це дозволено законом), поєднуючи HD-карти, камери, адаптивний круїз-контроль та GPS. Однак вона не досягає 3-го рівня: вона не змінює смуги руху автоматично та не уникає несподіваних перешкод, і водій повинен залишатися уважним увесь час.
Зв'язок між транспортними засобами та інфраструктурою (V2X)
Системи зв'язку транспортних засобів дозволяють автомобілям та самій інфраструктурі (світлофорам, інформаційним панелям, придорожнім станціям) обмінюватися даними в режимі реального часу. Це називається V2V (транспортний засіб-транспортний засіб), коли вони спілкуються один з одним, та V2I (транспортний засіб-інфраструктура), коли вони спілкуються з елементами дороги.
Цей зв'язок може використовувати технології 5G або спеціалізованого зв'язку ближнього радіусу дії (DSRC) , що працюють на певних діапазонах, з дальністю до одного кілометра та двонаправленою можливістю. Це дозволяє надсилати попередження про раптове гальмування попереду, наявність зупиненого транспортного засобу, слизьке дорожнє покриття або зміну фази світлофора.
Хоча вони не є абсолютно необхідними для функціонування автономного автомобіля — насправді, такі компанії, як Waymo, показали, що прогресу можна досягти, не покладаючись на них — вони значно покращують передбачуваність та безпеку і вважаються важливою частиною майбутньої екосистеми мобільності.
Резервування та безпека систем
В автономному транспортному засобі збій програмного або апаратного забезпечення не може просто призвести до повної втрати керування. Тому виробники працюють над архітектурами з високим рівнем резервування у всіх критично важливих системах: рульовому управлінні, гальмах, електроживленні, зв'язку, датчиках, позиціонуванні тощо.
Ідея полягає в тому, що якщо ключовий компонент виходить з ладу, інша паралельна система може взяти на себе керування або принаймні привести транспортний засіб до стану мінімального ризику. Наприклад, у гальмівній системі традиційний вакуумний насос можна замінити електромеханічним насосом, яким керує як блок контролю стійкості, так і система автоматизованого водіння, що забезпечує кілька способів активації гальм, навіть якщо одна частина системи виходить з ладу.
Починаючи з 3-го рівня і вище, ця надмірність є не розкішшю, а базовою вимогою безпеки , особливо тому, що на цих рівнях водій більше не вважається безпосередньо відповідальним за реагування на будь-яку технічну проблему.
Поточна ситуація, виклики та майбутнє автономного водіння
Сьогодні ми маємо широко поширені транспортні засоби 1-го та 2-го рівнів , деякі специфічні системи 3-го рівня проходять реальні випробування, та дуже обмежені проекти 4-го рівня (роботи-таксі, маршрути для вантажівок, закриті кампуси тощо). 5-й рівень поки що залишається в сфері передових досліджень та демонстрацій технологій.
Досягнення не лише технологічні. Також проводиться значна робота над нормативно-правовими базами та стандартами безпеки . У Європі нові загальні правила безпеки транспортних засобів відкрили шлях до систем 3-го рівня, а в таких країнах, як Іспанія, концепція «автоматизованого транспортного засобу» вже вперше включена до Закону про безпеку дорожнього руху.
Незважаючи на це, залишаються основні виклики: визначення юридичної відповідальності у разі аварії , забезпечення кібербезпеки від потенційних атак, захист конфіденційності даних, що генеруються цими транспортними засобами (маршрути, звички використання, постійне місцезнаходження) та адаптація страхових полісів до сценарію, коли водій може не приймати рішення.
Існують також значні етичні та соціальні проблеми сприйняття. Багато людей досі побоюються сідати в автомобіль, який керує самостійно , особливо після гучних інцидентів, пов'язаних з неправильним використанням систем допомоги водієві. Тому виробники, уряди та технологічні компанії повинні працювати разом, щоб побудувати довіру та продемонструвати за допомогою даних, що ці системи зменшують кількість аварій.
Що стосується термінів, то найреалістичніші прогнози передбачають значну присутність транспортних засобів 4-го рівня в певних районах приблизно у 2030-х роках , головним чином у формі автономних служб таксі або вантажних перевезень по визначених коридорах. Широке поширення 5-го рівня зазвичай прогнозується після 2040 року, і деякі експерти сумніваються, що його буде повністю досягнуто за всіх можливих умов.
Тим часом, дуже ймовірно, що протягом наступних 10-15 років ми продовжуватимемо бачити все більше автономних автомобілів, але з кермом та водієм під контролем , за підтримки дедалі інтелектуальніших асистентів: майже безперервне керування автомагістраллю, повністю автоматизоване паркування, вдосконалене управління дорожнім рухом завдяки 5G та зв'язку зі світлофорами та іншою інфраструктурою тощо.
З огляду на все, що вже впроваджено, і те, що буде впроваджено, автономне водіння розвивається стабільно, але крок за кроком: сьогодні технологія співіснує з водієм як дуже здібний другий пілот, і поступово вона братиме на себе все більше рішень , поки в багатьох випадках людина не стане просто пасажиром, який обирає пункт призначення, поки автомобіль виконує решту роботи.