Η Τεχνολογία των Αυτόνομων Οχημάτων

Είναι άραγε κυκλοφορία αυτόνομων οχημάτων, το μέλλον της αυτοκίνησης, ή πρόκειται για ένα εγχείρημα που θα εγκαταλειφθεί, όπως αρκετοί άλλοι υποστηρίζουν;

Για πολλούς η ανάπτυξη και θέση σε κυκλοφορία αυτόνομων οχημάτων, κινούμενα δηλαδή χωρίς την παρουσία οδηγού, εξακολουθεί να εκπλήσσει, να εντυπωσιάζει, να προκαλεί, να εγείρει ερωτηματικά και αμφισβητήσεις. Είναι άραγε αυτό, το μέλλον της αυτοκίνησης, ή πρόκειται για ένα εγχείρημα που θα εγκαταλειφθεί, όπως αρκετοί άλλοι υποστηρίζουν;

Προσεγγίζοντας το θέμα από την πλευρά της τεχνολογίας, η χωρίς οδηγό κίνηση των (αυτόνομων) οχημάτων δεν αντιμετωπίζει κανένα ουσιαστικό πρόβλημα. Είναι απλά θέμα χρόνου η παραπέρα εξέλιξη και ο συντονισμός των επί μέρους λογισμικών, καθώς και η σταδιακή υιοθέτηση ακόμη πιο προηγμένων συστημάτων τα οποία ήδη υπάρχουν και εφαρμόζονται σε άλλους πιο κρίσιμους τομείς, όπως είναι τα σύγχρονα οπλικά συστήματα και ιδιαίτερα τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη. Ευρεία επίσης χρήση συστημάτων αυτόνομης οδήγησης γίνεται και στα σύγχρονα τρένα υψηλών ταχυτήτων που κινούνται χωρίς μηχανοδηγό.

Επίσης, δεκαετίες πριν, έχουμε παρακολουθήσει φορτωτές και φορτηγά να δουλεύουν μέσα σε μεγάλες στοές ορυχείων, στα έγκατα της γης, χωρίς χειριστές και οδηγούς, οι οποίοι, για λόγους ασφαλείας, αποσύρονται από τις στοές για αρκετές ώρες μετά τη φάση των εκρήξεων διάνοιξης, αλλά αφήνουν τα οχήματα να συνεχίζουν κανονικά το έργο τους ελεγχόμενα και καθοδηγούμενα από ασφαλή απόσταση με τη χρήση μόνιτορ και τηλεχειριστηρίων. Αυτό, επομένως που σήμερα γίνεται, είναι η ορθή εκμετάλλευση των πιο εξελιγμένων συστημάτων – θα τα δούμε στη συνέχεια – για την κυκλοφορία των αυτόνομων οχημάτων σε δημόσιους δρόμους, μια κίνηση που διακρίνεται σε πέντε επίπεδα.

Ας αρχίσουμε λοιπόν με μια σύντομη περιγραφή των πέντε αυτών επιπέδων αυτόνομης οδήγησης, αν και το πιο σωστό είναι να λέμε «τα πέντε επίπεδα μέχρι να φτάσουμε στην απόλυτη αυτόνομη οδήγηση:

  • Επίπεδο 0: Ο οδηγός χειρίζεται τα πάντα (τιμόνι, πεντάλ, κιβώτιο) μόνος του.
  • Επίπεδο 1: Αυτό το επίπεδο υποστήριξης οδηγού σημαίνει ότι οι περισσότερες λειτουργίες εξακολουθούν να ελέγχονται από τον οδηγό, αλλά μια συγκεκριμένη (όπως το τιμόνι ή η επιτάχυνση) μπορεί να γίνει αυτόματα από το αυτοκίνητο.
  • Επίπεδο 2: Σε αυτή την περίπτωση, είναι αυτοματοποιημένο τουλάχιστον ένα σύστημα υποβοήθησης οδηγού τόσο διεύθυνσης όσο και επιτάχυνσης/επιβράδυνσης, προσφέροντας πληροφορίες σχετικά με το περιβάλλον οδήγησης. Πρόκειται για τεχνολογίες όπως το ενεργό cruise control και αυτό της διατήρησης του οχήματος εντός λωρίδας. Το παραπάνω σημαίνει ότι ο οδηγός απεμπλέκεται από το φυσικό χειρισμό του οχήματος, έχοντας τα χέρια και τα πόδια του μακριά από το τιμόνι και τα πεντάλ αντίστοιχα. Ωστόσο, πρέπει να είναι πάντα έτοιμος να πάρει τον έλεγχο του οχήματος.
  • Επίπεδο 3: Οι οδηγοί εξακολουθούν να είναι απαραίτητοι στα αυτοκίνητα επιπέδου 3, αλλά είναι σε θέση να μετατοπίσουν πλήρως τις λειτουργίες κρίσιμης σημασίας για την ασφάλεια στο όχημα, υπό ορισμένες συνθήκες κυκλοφορίας ή περιβάλλοντος. Αυτό σημαίνει ότι ο οδηγός εξακολουθεί να είναι παρών και θα επεμβαίνει εάν είναι απαραίτητο, αλλά δεν είναι υποχρεωμένος να παρακολουθεί την κατάσταση με τον ίδιο τρόπο όπως στα προηγούμενα επίπεδα.
  • Επίπεδο 4: Τα οχήματα που εντάσσονται στο επίπεδο 4, είναι σχεδιασμένα ώστε να εκτελούν από μόνα τους όλες τις κρίσιμες λειτουργίες οδήγησης και να παρακολουθούν τις συνθήκες του οδοστρώματος για ένα ολόκληρο ταξίδι. Ωστόσο, στο επίπεδο 4 το αυτόνομο σύστημα οδήγησης ειδοποιεί πρώτα τον οδηγό όταν οι συνθήκες είναι ασφαλείς και μόνο τότε ο οδηγός μπορεί να μεταφέρει το όχημα σε αυτή τη λειτουργία. Το παραπάνω περιορίζεται στον επιχειρησιακό σχεδιασμό (ODD) του οχήματος, κάτι που σημαίνει ότι δεν καλύπτει όλα τα σενάρια οδήγησης.
  • Επίπεδο 5: Το ανώτερο επίπεδο αναφέρεται σε ένα πλήρως αυτόνομο σύστημα, του οποίου η απόδοση είναι ίδια με εκείνη ενός ανθρώπου-οδηγού. Με άλλα λόγια, δεν απαιτείται η συμμετοχή του οδηγού, ούτε καν η φυσική του παρουσία. Αφορά σε κάθε σενάριο οδήγησης και δεν υπάρχει καν ανάγκη για πεντάλ, φρένα ή τιμόνι.

Δέσμες ακτίνων Laser

Το σημείο υπεροχής της τεχνολογίας αυτής βρίσκεται στην ικανότητα του αυτόνομου οχήματος να αντιμετωπίζει συνεχώς όλες τις έκτακτες καταστάσεις που προκύπτουν αμέσως μόλις ξεκινήσει να κυκλοφορεί στο δρόμο. Το πρώτο λοιπόν που χρειάζεται είναι να παραμένει διασυνδεδεμένο, δηλαδή να έχει πρόσβαση σε μια βάση ανταλλαγής δεδομένων. Από τη βάση αυτή, λαμβάνει πληροφορίες και στέλνει πληροφορίες για να πάρει πίσω στοιχεία προς άμεση επεξεργασία, μαζί με αυτά που το ίδιο το όχημα «βλέπει» και αντιλαμβάνεται χάρη στα όργανα και τα συστήματα που το ίδιο μεταφέρει.

Σπουδαιότερο, μεταξύ αυτών είναι το LIDAR από τα αρχικά των λέξεων Laser Illuminated Detection and Ranging. Βασίζεται στον τρόπο λειτουργίας όλων των ραντάρ, δηλαδή την εκπομπή ακτίνων προς άλλο αντικείμενο, την πρόσκρουσή τους σε αυτό και την επιστροφή τους ως σήματα, η ανάλυση των οποίων προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά του αντικειμένου στο οποίο προσέκρουσαν.

Στο LIDAR, εκπέμπονται προς κάθε κατεύθυνση (πανταχόθεν) δέσμες ακτίνων laser η επιστροφή των οποίων πέφτει πάνω σε μια συστοιχία αισθητήρων, κατάλληλα τοποθετημένων, οι οποίοι αναλαμβάνουν να προσδιορίσουν τα πέριξ αντικείμενα δίδοντας ακριβή στοιχεία για τον όγκο τους (μάζα), το υλικό (μέταλλο, πλαστικό, ξύλο κ.λ.π.), την απόστασή τους, το ακριβές σημείο που βρίσκονται σε σχέση με τη θέση του αυτόνομου, καθώς και την κίνησή τους ή μη. Το LIDAR, το βλέπουμε στις διάφορες φωτογραφίες, τοποθετημένο στην οροφή του αυτόνομου οχήματος – το ιδανικό σημείο για τη δουλειά που κάνει. Από κει λοιπόν το αυτόνομο, εκπέμπει τις δέσμες laser, οι οποίες σαρώνουν το περιβάλλον. Το σκανάρισμα αυτό γίνεται δεκάδες χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο (σωστά διαβάσατε) με αποτέλεσμα να δίδεται στο σύστημα η δυνατότητα δημιουργίας μιας ακριβούς τρισδιάστατης εικόνας (3D), η οποία λαμβάνεται από τη βάση δεδομένων. Ταυτόχρονα με το LIDAR, λειτουργεί και ένα δεύτερο radar, ίδιο με αυτό που ήδη χρησιμοποιείται στα σύγχρονα οχήματα που διαθέτουν το adaptive cruise control, δηλαδή το σύστημα το οποίο διατηρεί αυτόματα την απόσταση ασφαλείας από το προπορευόμενο αυτοκίνητο με δυνατότητα να επιβραδύνει ή να επιταχύνει χωρίς την παρέμβαση του οδηγού.

Το ίδιο ραντάρ, στα αυτόνομα οχήματα, έχει ένα πιο αναβαθμισμένο ρόλο, καθώς καλείται να προσδιορίζει ανά πάσα στιγμή (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου) τη θέση και την ταχύτητα με την οποία κινούνται τα άλλα οχήματα, όπου και αν κινούνται σε σχέση με την κίνηση του αυτόνομου.

GPS, ο στενός συνεργάτης των radar

Στενός συνεργάτης του συγκεκριμένου radar για τον προσδιορισμό των άλλων οχημάτων και της ταχύτητας με την οποία κινούνται, είναι τα εξελιγμένα, υψηλής ακρίβειας, GPS, τα οποία μεταξύ των άλλων δίνουν την εικόνα των δρόμων αυτών που κινούνται τα άλλα αυτοκίνητα, αλλά και το ίδιο το αυτόνομο. Η σπουδαιότητα αυτής της συνεργασίας είναι τεράστια, γιατί, το μεν radar «πιάνει» την ταχύτητα των άλλων οχημάτων, αλλά το GPS, δείχνει την κατάσταση που θα ακολουθήσει, προβλέποντάς την. Αν δηλαδή, ένα όχημα έχει μπροστά του ελεύθερο και ανοιχτό δρόμο, ενδεχομένως θα αναπτύξει ταχύτητα και, αντίθετα αν εισέρχεται σε «μποτιλιάρισμα» θα κόψει ταχύτητα. Ανάλογες προβλέψεις κάνει και σε σχέση με το οδόστρωμα (π.χ. εντοπίζει ακόμα και τις λακούβες), καθώς και το γεωγραφικό ανάγλυφο του δρόμου (ανηφόρες - κατηφόρες) για αρκετά χιλιόμετρα μακρύτερα.

Κάμερες και αισθητήρες

Τα αυτόνομα βλέπουν και αντιλαμβάνονται το περιβάλλον γύρω τους με τις κάμερες και τους αισθητήρες που διαθέτουν. Μια τεχνολογία επίσης διαθέσιμη σήμερα την οποία συναντούμε στα σύγχρονα φορτηγά και λεωφορεία με σκοπό την αύξηση του επιπέδου ασφάλειας και τη μείωση του άγχους του οδηγού. Όλα τα νέα μοντέλα, εξοπλίζονται με δεκάδες αισθητήρες ή και κάμερες, επομένως και στην περίπτωση των αυτόνομων δεν έχουμε κάτι καινούργιο πλην ορισμένων βελτιώσεων και της ταχύτητας επεξεργασίας των προσλαμβανόμενων δεδομένων. Εταιρείες – κολοσσοί, όπως Wabco, Delphi, ZF, Bosch, Voith, Schaeffler κ.α. συνεργαζόμενες με εταιρείες υψηλής τεχνολογίας (τις οποίες φρόντισαν να εξαγοράσουν), καθώς και με τα ερευνητικά κέντρα (R&D) των κατασκευαστών αυτοκινήτων, έχουν εξελίξει κάμερες και αισθητήρες με σκοπό την ανίχνευση σταθερών και κινούμενων αντικειμένων για εφαρμογή σε αυτόνομα οχήματα.

Δύο είναι τα βασικά σημεία στην περίπτωση των καμερών: Το πρώτο είναι η τεχνική δυνατότητά τους, δηλαδή να μπορούν να λαμβάνουν εικόνες με υψηλό ρυθμό ανανέωσης π.χ. 200 Hz και το δεύτερο να μπορούν να ανιχνεύουν την κίνηση των άλλων οχημάτων με τους λεγόμενους «αλγόριθμους όρασης», μια διαδικασία που βασίζεται στο συνεχή διαχωρισμό των κινούμενων αντικειμένων από τον περιβάλλοντα χώρο, αυτό δηλαδή που υπάρχει σαν φόντος στις προσλαμβανόμενες εικόνες, αλλά με την πρόσθετη δυσκολία ότι εκεί (στον περιβάλλοντα χώρο) συνήθως υπάρχουν και άλλα κινούμενα αντικείμενα ή σταθερά, τα οποία όμως τίθενται κατόπιν σε κίνηση. Όποια και αν είναι η κατάστασή τους θα πρέπει να ανιχνευτούν και να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά τους.

Αναπόσπαστο μέρος της τεχνολογίας των αυτόνομων οχημάτων είναι οι αισθητήρες, αυτοί που έχουν εφαρμογή και στα κυκλοφορούντα ήδη σύγχρονα φορτηγά με σκοπό την πρόληψη των ατυχημάτων. Τα πιο γνωστά συστήματα αισθητήρων είναι τα Evasive Maneuver Assist (EMA) προϊόν συνεργασίας ZF και Wabco, καθώς και το Highway Driving Assist HDA). Και τα δύο εφαρμόζονται σήμερα στα αυτόνομα επιπέδου 3. Τα συστήματα αυτά, με τη χρήση εξελιγμένων radar, εντοπίζουν τα άλλα κινούμενα αντικείμενα υπολογίζουν ταχύτητες και αποστάσεις, προκειμένου να φρενάρουν ή να ακινητοποιήσουν το όχημα προς αποφυγή σύγκρουσης. Αν όμως «κρίνουν» ότι με το φρενάρισμα και μόνο δεν αποφεύγεται η σύγκρουση, τότε παρεμβαίνουν στο σύστημα διεύθυνσης στρίβοντας το τιμόνι και το όχημα προς την κατεύθυνση αποφυγής της σύγκρουσης και, ή το ακινητοποιούν ή συνεχίζουν την πορεία του. Και αυτά εφόσον ο οδηγός δεν προβεί ο ίδιος στις σωστές ενέργειες (επαναλαμβάνουμε ότι στο επίπεδο 3 αυτόνομων οχημάτων υπάρχει οδηγός). Ωστόσο, τα ίδια συστήματα συντονιζόμενα μέσω των υπολογιστών με τα άλλα συστήματα συνυπάρχουν και στα αυτόνομα επιπέδου 4 και 5 των αυτόνομων οχημάτων.

Λογισμικά και Υπολογιστές

Αναφερθήκαμε παραπάνω στα κυριότερα επί μέρους συστήματα, τα οποία συνυπάρχουν στα αυτόνομα οχήματα, ανάλογα με το επίπεδο αυτονομίας στο οποίο εντάσσονται. Μια πρώτη παρατήρηση, λοιπόν, είναι ότι πρόκειται για διαφορετικά συστήματα υψηλής τεχνολογίας και απίστευτων επιδόσεων, τα οποία όμως χρήζουν συντονισμού και αξιολόγησης των ευρυμάτων τους, κατόπιν αυτά τα ευρήματα (σήματα, εικόνες, κίνηση κ.λ.π.) πρέπει να πάρουν σειρά προτεραιότητας ώστε να καθοριστούν οι αντιδράσεις του αυτόνομου οχήματος. Και όλα αυτά σε χρόνο χιλιοστών του δευτερολέπτου ή κυριολεκτικά σε χρόνο μηδέν.

Αντιλαμβάνεστε λοιπόν ότι αυτό είναι έργο υπολογιστών τεραστίων δυνατοτήτων και εξοπλισμένων με τα κατάλληλα λογισμικά. Εδώ κάνουν την εμφάνισή τους τα ηχηρά ονόματα Texas Instruments, Intel, ZF, Nvidia, Qualcomm κ.α. εταιρείες ικανές να προσφέρουν υπολογιστές και λογισμικά υπερ-υψηλών αποδόσεων ως προς τις δυνατότητες επεξεργασίας, ανάλυσης και αξιολόγησης των δεδομένων που λαμβάνουν και να τα μετατρέπουν σε εντολές προς τα συστήματα κίνησης και οδήγησης των αυτόνομων οχημάτων. Κρίσιμο σημείο είναι ο χρόνος.

Αναφερόμαστε πάντα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτός όμως ο χρόνος είναι επαρκής και «άνετος» για τους επεξεργαστές ενός αυτόνομου οχήματος, γιατί, απλά υπάρχουν ακόμη πιο δυνατοί, τους οποίους συναντάμε στα σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη. Εκεί, ο υπολογιστής επεξεργάζεται ταυτόχρονες, διαφορετικές απειλές, όπως «εχθρικό μαχητικό πίσω», «πύραυλος σε τροχιά πρόσκρουσης», «πυρά εχθρικού αντιαεροπορικού» και όχι μόνο. Ο υπολογιστής του αεροσκάφους που βάλλεται, αξιολογεί την κάθε απειλή ξεχωριστά και δίνει στο χειριστή τη σειρά προτεραιότητας για τις ενέργειες εξουδετέρωσης αυτών των απειλών, ή το σύστημα ενεργοποιείται και αντιδρά χωρίς την παρέμβαση του χειριστή. Φυσικά, οι χρόνοι είναι έως μηδενικοί.

Με το παράδειγμά μας αυτό (ισχύει), θέλουμε να τονίσουμε ότι η τεχνολογία δεν έχει κανένα πρόβλημα να αναλάβει την αυτόνομη κίνηση των οχημάτων, όταν μάλιστα υπάρχουν και τα συγκεκριμένα στάδια που μεσολαβούν από το ένα επίπεδο προς το άλλο δίδοντας το χρόνο παραπέρα εξελίξεων και βελτιώσεων. Επομένως, για να κλείσουμε απαντώντας και στο αρχικό μας ερώτημα, αν δηλαδή τα αυτόνομα οχήματα θα είναι το μέλλον της αυτοκίνησης αυτό δεν είναι θέμα τεχνολογίας, αλλά μιας σειράς άλλων σοβαρών παραγόντων, τους οποίους αναφέρουμε επιγραμματικά: Εξαιρετικά υψηλό το κόστος παραγωγής αυτόνομων, με τον ιδιοκτήτη τους να μην αποκτά την αξία που θα ήθελε, έστω και αν «γλιτώνει» το κόστος του οδηγού. Εκτιμάται, ότι η μείωση της τιμής τους μελλοντικά, θα επιτρέψει την κυκλοφορία των αυτόνομων οχημάτων, αλλά σε συγκεκριμένους κλειστούς χώρους, όπως λιμάνια, λατομεία κ.λ.π. αν μιλάμε για φορτηγά, και σε προκαθορισμένες λωρίδες κυκλοφορίας, αν μιλάμε για αστικές λεωφορειακές γραμμές.

Δεύτερος λόγος, είναι θα λέγαμε ψυχολογικός, κατά πόσο δηλαδή ένας οδηγός σε αυτόνομο επιπέδου 3 ή 4 θα παραχωρεί την κίνηση του οχήματος στην αυτόνομη λειτουργία, ενώ για το επίπεδο 5 (χωρίς οδηγό) τίθεται και η ηθική παράμετρος, αν δηλαδή ένας φορέας, ένας οργανισμός, μια εταιρεία, θα έχει το σθένος να παραμερίσει τον οδηγό θέτοντας το επάγγελμά του στο περιθώριο.

Επιπλέον λόγοι περί των οποίων έχουν ανοίξει σχετικές συζητήσεις είναι το νομοθετικό, αν θα υπάρξει κοινή ευρωπαϊκή οδηγία αποδεκτή για όλα τα κράτη μέλη ή αν θα εκδοθούν σχετικές αποφάσεις σε εθνικό επίπεδο – στην Ελλάδα, υπάρχει ήδη ένα νομοθετικό πλαίσιο που νομοθετήθηκε προκειμένου να είναι νόμιμη η κυκλοφορία του αυτόνομου λεωφορείου των Τρικάλων. Σημαντικό επίσης είναι και το ασφαλιστικό, πώς δηλαδή θα προσδιοριστεί η αστική ευθύνη, το κόστος των ασφαλίστρων κ.α.

Συμπερασματικά, λέμε ότι το μέλλον των αυτόνομων δεν εξαρτάται από την τεχνολογία, όπως άλλωστε προκύπτει και από την παραπάνω περιγραφή μας, αλλά από τους παράγοντες που μόλις θίξαμε.

Με τον επεξεργαστή ZF ProAI, που αποτελεί τον καρπό της συνεργασίας των ZF και NVIDIA οι δύο εταιρείες φέρνουν την Τεχνητή Νοημοσύνη (ΑΙ) στην αυτοκινητοβιομηχανία, για εφαρμογή σε αυτόνομες λειτουργίες οδήγησης.
Εταιρείες τεχνολογίας όπως η Texas Instruments, κατασκευάζουν ιδιαίτερα ακριβείς αισθητήρες ραντάρ, που χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία για την ανάλυση δυναμικών συνθηκών οδήγησης.
Η ZF συνεργάστηκε με την εταιρεία Mobileye που ανήκει στον όμιλο της Intel, για τη δημιουργία μιας κάμερας νέας τεχνολογίας, που σχεδιάστηκε για να συνδράμει στην ενίσχυση της ασφάλειας και της αυτοματοποιημένης οδήγησης. Η νέα οικογένεια ZF S-Cam4 περιλαμβάνει τη Mono-cam και την Tri-cam με τους τρεις φακούς (φωτό).
Η Bosch εξελίσσει το προγνωστικό ώστε μόνο του να «διορθώνει» τους προφορτωμένους ψηφιακούς χάρτες, καθώς τα ηλεκτρονικά θα αναγνωρίζουν αλλαγές στο οδικό δίκτυο, όπως νέα όρια ταχύτητας.
Στα συστήματα ημιαυτόνομης οδήγησης (επίπεδο 2 και 3), απαιτείται η εγρήγορση του οδηγού ώστε να πάρει τον έλεγχο και να προβεί στις απαραίτητες διορθώσεις, αν και όταν αυτό χρειαστεί.
Σύστημα LIDAR στην οροφή του αυτοκινήτου στη διάρκεια των δοκιμών.
Τέσσερα οδηγικά αυτόνομα Mercedes-Benz Arocs εκχιονίζουν δοκιμαστικά τους αεροδιαδρόμους του αεροδρομίου στο Pferdsfeld της Γερμανίας.
Το αυτόνομο λεωφορείο που κυκλοφόρησε στα Τρίκαλα και σε επτά ακόμη ευρωπαϊκές πόλεις. Πέτυχε να απο-επιβιβάσει επιβάτες και να ακολουθήσει το προγραμματισμένο δρομολόγιο του. Στη συνέχεια των δοκιμών, συνέβησαν ορισμένα μικρο-ατυχήματα τα οποία βοήθησαν στη βελτίωση των συστημάτων του.
Στο Επίπεδο 3, ο οδηγός παρεμβαίνει μόνο όταν το αυτόνομο σύστημα ζητήσει τη βοήθειά του.

Motul

Στο ίδιο τεύχος: