Samochody autonomiczne. Poziomy autonomii pojazdów
XV w. Leonardo da Vinci projektuje wózek, który może poruszać się bez pchania i ciągnięcia (1). Sprężyny o dużym napięciu zapewniały napęd, a sterowanie było ustawione tak, aby wózek mógł poruszać się po z góry określonej ścieżce.
1925 Wynalazca Francis Houdina demonstruje samochód sterowany radiowo, który jeździ ulicami Manhattanu bez kierowcy (2). Przez radio uruchamiano silnik, biegi i dźwięk klaksonu. Samochód został wycofany z eksploatacji, gdy operator dwukrotnie stracił panowaniem nad pojazdem.
1939 W Nowym Jorku firma General Motors zorganizowała na targach światowych ekspozycję Futurama autorstwa Normana Bela Geddesa. Pokazywała ona, jak zmieni się świat do 1960 roku. Koncepcja zakładała separację ruchu samochodowego od otoczenia, przewidując również bezkolizyjny ruch i samochody pozbawione kierowców, poruszające się po specjalnie przystosowanych autostradach. Ekspozycja demonstrowała modele sterowanych radiowo samochodów elektrycznych napędzanych przez pola elektromagnetyczne dostarczane przez obwody wbudowane w jezdnię.
1953-60 Firma RCA Labs przeprowadza początkowo próby miniaturowego modelu, który poruszał się samodzielnie dzięki umieszczonym w drodze, magnetycznym paskom. Pięć lat później ten sam zespół testował już prototyp samochodu o normalnych wymiarach, na specjalnie przygotowanym odcinku publicznej drogi (3) w Nebrasce.
Seria eksperymentalnych obwodów detekcyjnych zakopanych w chodniku została połączona z serią świateł umieszczonych wzdłuż krawędzi drogi. Obwody detektorowe były w stanie wysyłać impulsy do prowadzenia samochodu i określić obecność i prędkość każdego metalowego pojazdu na jej powierzchni. Dzięki tym informacjom autonomiczny samochód mógł przyspieszać, hamować oraz skręcać.
Współpraca z General Motors pozwoliła na bardziej zaawansowane rozwiązanie - drogę wykrywającą znajdujące się na niej pojazdy. Koncern dostarczył dwa standardowe modele samochodów z wyposażeniem składającym się ze specjalnych odbiorników radiowych oraz dźwiękowych i wizualnych urządzeń ostrzegawczych, które były w stanie symulować automatyczne kierowanie, przyspieszanie i hamowanie. Rozbudowany system został zademonstrowany 5 czerwca 1960 roku w siedzibie RCA Lab w Princeton, New Jersey, gdzie dziennikarzom pozwolono "prowadzić" samochody.
lata 60. XX wieku Laboratorium Systemów Komunikacji i Kontroli Uniwersytetu Stanowego Ohio inauguruje projekt samochodów bez kierowcy, które byłyby aktywowane przez urządzenia elektroniczne wbudowane w jezdnię. Szef projektu, Robert L. Cosgriff, twierdził w 1966 r., że system może być gotowy do instalacji na drogach publicznych w ciągu 15 lat. Na początku lat 60. Biuro Dróg Publicznych rozważało budowę eksperymentalnej, elektronicznie sterowanej autostrady.
1961 W związku z projektami kosmicznymi James Adams stworzył Stanford Cart (4), pojazd wyposażony w kamery i zaprogramowany tak, aby autonomicznie wykrywał i podążał za linią na ziemi. Było to pierwsze zastosowanie kamer w pojazdach autonomicznych.
lata 60.-70. XX w. Brytyjskie Laboratorium Badań Transportu i Dróg testuje citroena DS bez kierowcy, sterowanego za pomocą kabli magnetycznych wbudowanych w drogę. Przejechał on tor testowy z prędkością 130 km/h. Finansowanie tych eksperymentów zostało wycofane w połowie lat 70.
Również Bendix Corporation opracowała i testowała w tamtym okresie samochody bez kierowcy, które były zasilane i sterowane przez zakopane kable, zaś system wykorzystywał przydrożne komunikatory przekazujące wiadomości z komputera. Wstępne badania nad inteligentną, zautomatyzowaną logiką potrzebną do stworzenia autonomicznych samochodów przeprowadzono w Coordinated Science Laboratory na Uniwersytecie Illinois w latach 70.
1977 Japończycy budują prototyp autonomicznego pojazdu, wprowadzając system kamer, który przekazywał dane do komputera w celu przetworzenia obrazów drogi. Powstał w ten sposób pierwszy w historii autonomiczny pojazd pasażerski, który mógł osiągnąć prędkość powyżej 30 km/h.
lata 80.-90. XX wieku Ernst Dickmanns (5), ekspert od komputerowego przetwarzania obrazów z Monachium, rozpoczął testy całkowicie nowego typu autonomicznego pojazdu, bazującego na vanie Mercedesa. Konstruktor wyposażył auto w kilka kamer i komputer oraz opracował nowatorski algorytm, symulujący ruchy ludzkiego oka. Pozwalało to komputerowi na "widzenie" trójwymiarowe.
Pojazd o nazwie VaMoRs jeździł jedynie po wyłączonych z użytku fragmentach dróg. Osiągnął prędkość 95,9 km/h. Prace nad autonomicznymi samochodami prowadziła w tamtym okresie także DARPA. Pojazd Autonomous Land Vehicle (ALV) mógł przemieszczać się w trudnym, nieznanym terenie z licznymi przeszkodami (6).
W ramach projektu ALV przeprowadzono pierwszą demonstrację podążania po drodze, w której wykorzystano lidar, wizję komputerową i autonomiczne sterowanie robotem w celu kierowania zrobotyzowanym pojazdem z prędkością do 31 km/h.
We Włoszech z kolei prowadzono program ARGO, w którym przebudowana Lancia Thema wykorzystywała system śledzący poziome znaki na drodze. Włoski pojazd na dystansie 1900 kilometrów zdołał jechać autonomicznie przez 94 proc. długości trasy. Pojazd miał na pokładzie tylko dwie czarno-białe kamery wideo i wykorzystywał algorytmy widzenia stereoskopowego do rozpoznania otoczenia.
1990-95 Uniwersytet Carnegie Mellon konstruuje kolejne prototypy autonomicznych samochodów, integrując sieci neuronowe w procesach przetwarzania obrazu i sterowania. W 1995 r. naukowcy z Carnegie Mellon wyjechali swoim autonomicznym samochodem, nazwanym NavLab 5 (7), na drogę publiczną, pokonując prawie 4,5 tys. km z Pittsburga do San Diego. Operatorzy kontrolowali jedynie prędkość i hamowanie. Poza tym samochód był autonomiczny.
W 1995 miało miejsce inne podobne osiągnięcie - w Europie autonomiczny samochód przejechał około 1700 kilometrów, z Monachium do duńskiego Odense. Już rok wcześniej bliźniacze pojazdy-roboty VaMP i Vita-2, wspólne dzieło Daimlera-Benza i Ernsta Dickmannsa, przejechały ponad 1000 km po paryskiej trzypasmowej autostradzie w standardowym dużym ruchu ulicznym z prędkością do 130 km/h, półautonomicznie z interwencją człowieka.
Zademonstrowano autonomiczną jazdę na wolnych pasach, jazdę w konwoju i zmiany pasa ruchu z autonomicznym wyprzedzaniem innych samochodów. Co pewien czas musiał jednak interweniować człowiek. Ten sam rok był również rokiem testowego przejazdu samochodu zbudowanego przez południowokoreańskiego profesora Han Min-Honga - autostradą z Seulu do Busan.
1997-99 W Holandii rozpoczynają się eksperymentu z ParkShuttle, reklamowanym jako pierwszy na świecie pojazd bez kierowcy, do przewozu pasażerów. W Holandii rozpoczęto dwa projekty pilotażowe, na lotnisku Schiphol (grudzień 1997) i w parku biznesowym Rivium (1999). System ten wykorzystuje sztuczne punkty odniesienia (magnesy) wbudowane w nawierzchnię drogi w celu weryfikacji swojej pozycji. W 2021 roku do użytku weszła trzecia generacja tego systemu.
2004-07 Dział badawczy Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych, DARPA, organizuje serię konkursów mających na celu przyspieszenie rozwoju autonomicznych samochodów. W 2004 r. zadanie polegało na autonomicznej nawigacji na odcinku 150 mil pustynnej drogi. Żaden samochód nie ukończył tej trasy.
W październiku 2005 r. drugi konkurs DARPA Grand Challenge ponownie odbył się w środowisku pustynnym. Z wyprzedzeniem rozmieszczono punkty GPS i zlokalizowano rodzaje przeszkód. Kurs ukończyło pięć pojazdów. David Hall z Velodyne wystartował w zawodach z prototypowym czujnikiem lidarowym, który następnie wyprodukowała firma Velodyne. Lidar szybko stał się integralnym czujnikiem dla pojazdów autonomicznych.
W 2007 r. wytyczono do przejechania odcinek 60-milowy w środowisku miejskim - DARPA Urban Challenge 2007 (8). Tym razem trasę ukończyły cztery samochody, a Chevy Tahoe z 2007 r. z Carnegie Mellon University zajął 1. miejsce. Pięć z sześciu pojazdów biorących udział korzystało z produktu Velodyne.
2008 Firma Rio Tinto Alcan rozpoczęła testy systemu Komatsu Autonomous Haulage System - pierwszego na świecie komercyjnego, autonomicznego systemu transportu górniczego - w kopalni rudy żelaza Pilbara w zachodniej Australii (9).
2010-13 Włoski VisLab z uniwersytetu w Parmie, kierowany przez profesora Alberto Broggi, (aktywnego wcześniej w projekcie ARGO) przeprowadził VisLab Intercontinental Autonomous Challenge (VIAC), testowy przejazd na odległość aż 15 900 km, który stanowił pierwszą międzykontynentalną podróż lądową ukończoną przez pojazdy autonomiczne. W 2013 r. Vislab zademonstrował BRAiVE, pojazd, który poruszał się autonomicznie po trasie o mieszanym ruchu publicznym.
2014 Tesla Motors demonstruje pierwszą wersję autopilota. Samochody Model S wyposażone w ten system są zdolne do kontroli pasa ruchu z autonomicznym sterowaniem, hamowaniem i dostosowaniem ograniczenia prędkości na podstawie sygnałów rozpoznawania obrazu. System zapewnia również autonomiczne parkowanie i otrzymuje aktualizacje oprogramowania.
2014 SAE International, organ normalizacyjny branży motoryzacyjnej, publikuje system sześciopoziomowej klasyfikacji autonomii pojazdów - od systemów w pełni manualnych do w pełni zautomatyzowanych, znany jako J3016, Taxonomy and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving Systems.
2016-18 Pierwsze głośne przypadki ofiar śmiertelnych wypadków z udziałem autonomicznych wozów. W maju 2016 r. w Williston na Florydzie samochód elektryczny Tesla Model S, włączony w trybie autopilota, uderzył w duży ciągnik siodłowy. Zginął kierowca, a raczej w tym przypadku pasażer Tesli.
Śmierć Elaine Herzberg, 18 marca 2018 roku, była pierwszym odnotowanym przypadkiem śmiertelnego wypadku pieszego z udziałem samochodu autonomicznego. Herzberg pchała rower przez czteropasmową drogę w Tempe w Arizonie, kiedy została uderzona przez pojazd testowy firmy Uber, który działał w trybie autonomicznym z człowiekiem-kierowcą bezpieczeństwa siedzącym na fotelu kierowcy. Doprowadziło to do wstrzymania przez Ubera programu pojazdów autonomicznych.
2018 Poziom 2 autonomii osiąga wprowadzony do sprzedaży Cadillac CT6.
2018 W grudniu 2018 r. firma Waymo (10) startuje z pierwszą komercyjną usługą robotaxi o nazwie "Waymo One". Jej użytkownicy w mieście Phoenix używają aplikacji, aby zamówić podwózkę.
2021 Poziom 4 autonomii osiąga zaprezentowany przez producenta Hyundai Ioniq 5 Robotaxi. Auto ma być wykorzystywane w transporcie publicznym od 2023 roku.
Poziomy autonomii pojazdów
Pojazdy autonomiczne od 0 do 2 zawierają funkcje wspomagające kierowcę. Natomiast poziomy od 3 do 5 przewidują funkcje faktycznej automatyzacji, zgodnie z wytycznymi Stowarzyszenia Inżynierów Motoryzacji (SAE).
Poziom 0
Pojazd wyposażony w systemy wspomagania kierowcy, np. ESP, ABS, tempomat. W tego rodzaju wspomaganie wyposażonych jest wiele modeli samochodów. Poziom 0 dotyczy najczęściej spotykanych współcześnie samochodów, w których kierowca wykonuje wszystkie zadania i manewry. Pojazd wyposażony jest w czujniki, które informują kierowcę o ewentualnych zdarzeniach i przeszkodach znajdujących się w pobliżu.
Poziom 1
Automatyzacja jednego elementu wymaganego do prowadzenia pojazdu, np. utrzymywanie stałej odległości od poprzedzającego pojazdu. W poziomie pierwszym przewiduje się systemy, które kontrolują kierowanie, prędkość i hamowanie. Wiele modeli ma obecnie funkcje na tym poziomie, takie jak wspomaganie parkowania, kontrola odległości i unikanie kolizji, a także automatyczne hamowanie awaryjne. Kierowca zachowuje kontrolę nad większością funkcji, a ręce pozostają na kierownicy. Poziom 1 osiągnęło wiele nowych aut sprzedawanych już w 2018 roku.
Poziom 2
Jazda "półautonomiczna", czyli taka, podczas której pojazd kontroluje kierunek jazdy, odpowiada za pas ruchu, przyspieszenie, hamowanie i kierowanie, kontroluje odległość od poprzedzających pojazdów (np. w trakcie jazdy po autostradzie). Poziom drugi umożliwia automatycznym układom przejęcie kontroli nad niektórymi systemami, jednak kierowca musi zachować czujność na wypadek, gdyby było to konieczne. Możliwe jest, aby kierowca zrezygnował z kontroli nad kierownicą i pedałem gazu poprzez jazdę bez użycia rąk. Poziom 2 osiągnął sprzedawany od 2018 roku Cadillac CT6 (z wyjątkiem braku zmiany pasa na autostradzie).
Poziom 3
Na tym poziomie to już komputer przejmuje kontrolę nad pojazdem, np. w czasie jazdy po autostradzie, oraz w prostych sytuacjach drogowych w mieście. Kierowca wciąż zajmuje się sytuacjami trudnymi i skomplikowanymi w mieście. Mamy tu do czynienia z sytuacją, w której pojazdy autonomiczne potrafią analizować swoje otoczenie i są w stanie podejmować inteligentne decyzje. Używają czujników do rejestrowania tego, co się dzieje dookoła pojazdu i w jego wnętrzu. Jest to na ogół połączone z układami maszynowego rozpoznawania obrazu, czyli z tzw. wizją komputerową.
Poziom 4
Mamy w nim zasadniczo do czynienia z jazdą w pełni autonomiczną. Kierowca nie musi kierować pojazdem w czasie skomplikowanych manewrów w mieście oraz dowolnych innych. Pojazd ma urządzenia do ręcznego kierowania (np. kierownica, dżojstik), ale wykorzystywane są tylko na życzenie kierowcy. Układy poziomu czwartego autonomii wykorzystują algorytmy sztucznej inteligencji, a wewnątrz pojazdu znajduje się połączenie typu Wi-Fi. Samochód, a raczej system nim kierujący potrafi kontrolować najważniejsze funkcje jazdy. Na tym poziomie zanika pojęcie kierowcy, są tylko pasażerowie. Poziom 4 osiągnął m.in. zaprezentowany w 2021 roku Hyundai Ioniq 5 Robotaxi.
Poziom 5
Jazda w pełni autonomiczna polega na tym, że pojazd nie ma urządzeń do ręcznego kierowania. W założeniu pojazd o tym poziomie autonomii ma poradzić sobie w każdych warunkach i w każdym miejscu na całym świecie.
Mirosław Usidus
