Autonomiczne samochody: nie tylko Google jeździ bez kierowcy

Autonomiczne samochody wydają się wynalazkiem ostatnich lat, jednak są znacznie starsze, niż się powszechnie sądzi. Już w latach 60. udało się zbudować pojazdy, zdolne do samodzielnego wykonywania niektórych manewrów, a w latach 80. i 90. powstały – dziś już nieco zapomniane – eksperymentalne modele, zdolne do samodzielnego poruszania się po publicznych drogach.

Szybki rozwój i wzrost popularności samochodów bez kierowcy nastąpiły jednak nieco później – w XXI wieku. Z czego to wynika?

Jednym z czynników jest bez wątpienia rosnąca moc obliczeniowa komputerów, zdolnych do analizowania w czasie rzeczywistym obrazu wideo, wzbogaconego o dane z różnych czujników. Wcześniej również było to możliwe, ale niezbędny sprzęt zajmował początkowo wnętrze furgonetki, a później bagażnik dużego sedana.

Drugim, istotnym czynnikiem stał się łatwy dostęp do nawigacji satelitarnej. Do 1 maja 2000 roku sygnał GPS był – jako technologia militarna – celowo zakłócany. Cywile mogli z niego korzystać, ale dokładność wskazań była ograniczona do około 100 metrów.

Dopiero zniesienie tego ograniczenia sprawiło, że GPS zaczął być w pełni użyteczny i powszechnie wykorzystywany – również w przypadku autonomicznych pojazdów. Warto przy tym pamiętać, że GPS – choć istotny – jest tylko jednym z wielu „zmysłów” samochodów bez kierowcy.

Choć we wcześniejszych latach powstawało wiele różnych pojazdów o różnym stopniu autonomii (więcej o nich w dalszej część artykułu), to za przełom w konstruowaniu takich pojazdów można uznać serię zawodów DARPA Grand Challenge, organizowanych w latach 2004, 2005 i 2007.

Pierwsza edycja zawodów stawiała przez konstruktorami autonomicznych pojazdów wyzwanie w postaci 240-kilometrowego odcinka, biegnącego przez pustynię Mojave. Żaden ze startujących w pierwszej edycji uczestników nie ukończył konkurencji. Największy dystans – prawie 12 kilometrów – przebył autonomiczny samochód Sandstorm, zbudowany przez zespół z uniwersytetu Carnegie Mellon.

O szybkim postępie w dziedzinie autonomicznych pojazdów dobitnie świadczą wyniki kolejnych zawodów, zorganizowanych rok później. Wszyscy, z wyjątkiem jednego, uczestnicy wyścigu pokonali wówczas dystans zwycięzcy pierwszych zawodów (12 kilometrów), a aż 5 pojazdów przebyło całą trasę.

Kolejna edycja zawodów nosiła nazwę Urban Challenge. Uczestnicy mieli do pokonania 96-kilometrową trasę w warunkach zbliżonych do ruchu ulicznego, wyznaczoną na terenie byłej bazy wojskowej George Air Force Base. Pojazdy musiały przestrzegać obowiązujących przepisów i reagować na obecność innych uczestników ruchu drogowego.

Trasa została pokonana przez sześć pojazdów. Najszybszy z nich poruszał się z prędkością ponad 22 km/h, a rezultat zawodów stanowił jasny dowód na to, że autonomiczne samochody to nie żadna przyszłość, ale teraźniejszość.

Samochody bez kierowcy okazały się wystarczająco dopracowane, by radzić sobie w ruchu ulicznym, a zastosowana w nich technologia jest użyteczna i należy ją jedynie udoskonalić. Warto podkreślić to raz jeszcze – ten etap osiągnięto już w 2007 roku! Tym samym DARPA straciła zainteresowanie konkurencją, skupiając swoją uwagę na zawodach humanoidalnych robotów.

Pierwszym zwycięzcą DARPA Grand Challenge był Stanley – zmodyfikowany przez zespół z Uniwersytetu Stanforda Volkswagen Touareg. Jego podstawowym zmysłem był zamontowany na dachu pojazdu LIDAR (rodzaj radaru, wykorzystującego impulsy lasera zamiast fal radiowych), służący do mapowania otoczenia.

Oprócz LIDAR-a Stanley korzystał również z kamery wideo, która obserwowała obszar z przodu pojazdu, sięgający dalej niż zasięg LIDAR-a – chodziło o ocenę, jak bardzo Stanley może się rozpędzać. Uzupełnieniem czujników był GPS, a także żyroskopy i akcelerometry oraz drogomierz, służące analizowaniu położenia pojazdu w przestrzeni i nawigowaniu w sytuacji, gdyby utracono sygnał GPS.

Rolę kierowcy pełnił komputer z sześcioma procesorami Pentium M 1,6 GHz, pracujący pod kontrolą Linuksa, a oprogramowanie odpowiedzialne za analizę zbieranych przez sensory pojazdu danych liczyło około 100 tys. linii kodu.

Te dwa bliźniacze pojazdy w 2005 roku zajęły drugie i trzecie miejsce w konkursie DARPA. Zostały zbudowane na bazie Hummera. W pojazdach zamontowano trzy stałe LIDAR-y i jeden ruchomy, umieszczony na dachu.

Listę sensorów uzupełniał radar oraz dwie kamery – dwie, ponieważ chodziło o uzyskanie przestrzennego obrazu, pozwalającego na ocenę odległości.

Poza GPS-em samochody wyposażono w nawigację inercyjną, która – na podstawie analizy przyspieszeń i prędkości kątowych – odpowiadała za wyznaczanie pozycji samochodu w przypadku, gdyby zawiódł GPS. Co istotne, po niepowodzeniu w 2004 roku, rok później zwiększono liczbę stałych LIDAR-ów z trzech do sześciu.

W gronie zwycięzców DARPA Grand Challenge 2005 znalazł się również pojazd o nazwie TerraMax. Ta machina już na pierwszy rzut oka różniła się od pozostałych konkurentów – zbudowano ją na bazie 6-kołowego pojazdu Medium Tactical Vehicle Replacement (MTVR), czyli wojskowej, uniwersalnej ciężarówki, zaprojektowanej i dostarczonej armii przez Oshkosh Corporation.

Opracowany na początku wieku MTVR to wół roboczy amerykańskiej armii, którego liczne warianty, w tym również opancerzone i uzbrojone, służą do przewożenia zaopatrzenia i różnych ładunków. Jednym z wariantów MTVR okazał się właśnie TerraMax, wyposażony w system o nazwie Unmanned Ground Vehicle (UGV), który – według Oshkosh Corporation – można zastosować również w innych pojazdach.

UGV zawiera jeden LIDAR, kamerę pracująca w podczerwieni, cztery kamery wideo, 3 radary dalekiego i 12 radarów krótkiego zasięgu, odpowiedzialnych za mapowanie przestrzeni w zakresie 360 stopni wokół pojazdu. Co istotne, UGV może działać niezależnie od dostępności sygnału GPS – opracowany z myślą o wojsku zakłada sytuację, w której nawigacja satelitarna zostanie wyłączona, zakłócona lub zablokowana.

Pojazdy z UGV mogą poruszać się w kilku trybach – jako samochody zdalnie sterowane przez operatora, który może kontrolować jednocześnie wiele maszyn, w trybie półautonomicznym, podążając za jadącym na czele konwoju liderem lub całkowicie autonomicznie.

W tym ostatnim przypadku mogą tworzyć bezzałogowy konwój, w którym np. pojazdy z zaopatrzeniem poprzedzane są przez samochód z trałem przeciwminowym.

Mimo zaawansowania prób systemu i wielu udanych prezentacji armia jest ostrożna w ogłaszaniu gotowości UGV – według oficjalnych deklaracji potrzeba jeszcze około 10 lat, aby w pełni autonomiczne samochody rozpoczęły służbę w amerykańskiej armii.

Zaprezentowany w 2015 roku przez Daimlera pojazd bywa nazywany – nie do końca trafnie – pierwszą autonomiczną ciężarówką. Potężny ciągnik siodłowy trafił już na drogi – jego wersja testowa przeszła serię prób w ruchu ulicznym w Newadzie.

Freightliner Inspiration nie jest w pełni autonomiczny – manewry na parkingu czy w ruchu miejskim musi wykonywać kierowca. Sytuacja zmienia się po wjechaniu na autostradę, gdzie można włączyć funkcję Highway Pilot, która sprawia, że człowiek staje się niepotrzebny.

Samochód jest w stanie samodzielnie kontrolować sytuację wokół siebie i poruszać się po wyznaczonej trasie, dostosowując swoje zachowanie do aktualnych warunków na drodze. Pojazd został wyposażony w dwa zestawy czujników. Pierwszy, działający w wąskim zakresie kątów, ma zasięg 250 metrów. Drugi, pokrywający większy obszar, ma krótszy, 70-metrowy zasięg.

Konstruktorzy pojazdu zdecydowali się dość mocno ograniczyć jego samodzielność – nawet podczas jazdy autostradą ciężarówka nie wyprzedzi samodzielnie poprzedzającego ją pojazdu, a w przypadku konieczności zmiany pasa ruchu kierowca zostanie poinformowany o konieczności przejęcia kontroli nad pojazdem.

Warto przy tym pamiętać, że Freightliner Inspiration został pokazany po wcześniejszej prezentacji większego programu rozwoju autonomicznych ciężarówek – prowadzonego przez Daimlera programu Mercedes-Benz Future Truck 2025 i można uznać go za zapowiedź tego, co w kolejnych latach może pojawić się na drogach

Dlaczego samochody, a nie samochód? Warto pamiętać, że Google rozwija obecnie co najmniej dwa, mocno różniące się od siebie programy autonomicznych pojazdów. Pierwszy – prawdopodobnie najlepiej znany – to udoskonalana od 2009 roku seria zwykłych, seryjnych samochodów, przebudowanych na pojazdy autonomiczne.

W tej roli Google wykorzystuje Toyoty Prius, Audi TT i Lexusy RX450h. Samochody, poza różnymi czujnikami (główny to zamontowany na dachu LIDAR), mają normalny układ kierowania, a w środku miejsce dla kierowcy i pasażera.

Początkowo w czasie testów autonomicznych aut znajdowały się w nich zawsze po dwie osoby, jednak wraz z udowodnioną niezawodnością rozwiązań Google’a z czasem ograniczono się wyłącznie do kierowcy.

W czasie autonomicznej jazdy kierowca może w każdej chwili przejąć kontrolę nad pojazdem – wystarczy, że poruszy kierownicą albo wciśnie hamulec. W samochodach zamontowano również awaryjny przycisk, którego naciśnięcie natychmiast wyłącza silnik pojazdu.

Do lata 2012 roku autonomiczne samochody Google’a pokonały 500 tys. kilometrów. Do połowy 2015 roku dystans ten wzrósł do 1,6 mln kilometrów, przejechanych w ruchu miejskim, a do końca roku sięgnął niemal 2 mln kilometrów. Jak podaje Google, w tym czasie jego pojazdy zatrzymały się przy 200 tys. znaków stopu, 600 tys. razy przejeżdżały przez skrzyżowania ze światłami i minęły 180 mln innych uczestników ruchu.

Do tego czasu 23 pojazdy testowe brały udział w 14 stłuczkach. Według Google’a wszystkie incydenty miały miejsce albo gdy samochodami kierował człowiek, albo z winy innych uczestników ruchu, co dowodzi, że technologia jest w tym przypadku niezawodna.

Warto jednak pamiętać, że prędkość poruszających się po publicznych drogach pojazdów Google’a została ograniczona do 40 km/h, co w jednym z przypadków wywołało nawet interwencję policji, która zatrzymała zbyt wolno jadący pojazd za utrudnianie ruchu.

Warto przy tym pamiętać, że autonomiczne samochody Google’a – prawdopodobnie najlepiej rozwinięte na świecie – wciąż mają ograniczenia, wyłączające je z normalnej eksploatacji w zmiennym środowisku – choć poruszają się sprawnie, odbywa się to po rozpoznanych wcześniej trasach.

Pojazdy Google’a nie zareagują np. na tymczasową sygnalizację świetlną czy awaryjne kierowanie ruchem przez policjanta. Funkcje te mają zostać wprowadzone do 2020 roku.

Drugim, rozwijanym przez Google’a projektem jest samochód od początku projektowany jako pojazd autonomiczny. Z tego powodu nie znajdziemy w nim miejsca kierowcy, kierownicy, pedałów zmiany biegów i jakiegokolwiek wyposażenia, pozwalającego na ręczne sterowanie. Rolą człowieka jest w tym przypadku zajęcie miejsca i wybranie celu podróży.