Na drodze do autonomii
Jesteśmy świadkami powstawania technologii, która ma sprawić, że samochody będą mogły poruszać się bez udziału człowieka. Autonomiczne pojazdy już jeżdżą, ale nie są jeszcze na tyle powszechne, by mówić o rewolucji w transporcie. Jednak już od paru lat coraz popularniejsze stają się systemy, które wspierają i wyręczają kierowcę w sytuacjach, kiedy elektronika może działać szybciej lub lepiej niż człowiek.
Dzięki miniaturyzacji poszczególnych elementów systemów autonomicznych i coraz bardziej masowej produkcji trzeba spodziewać się ich obecności w kolejnych modelach aut
Wspomaganie kierowcy towarzyszy motoryzacji od samego początku. Systemy wspomagania kierownicy czy hamulców wydają się przecież oczywistością – nawet w starszych pojazdach, chyba że myślimy o konstrukcjach typu GAZ czy UAZ, przeznaczonych jednak dla kierowców Układu Warszawskiego.
Po wspomaganiu siły fizycznej przyszła kolej na wspomaganie kierowcy w zadaniach wymagających nie tylko bardzo szybkiej akcji, ale i dostosowania jej parametrów do warunków na drodze. Chodzi o system zapobiegający blokowaniu kół. Dzięki bieżącej analizie prędkości obrotowej kół sterownik ABS może modulować ciśnienie w układzie hamulcowym na granicy poślizgu. Nawet doświadczony kierowca może mieć trudności z takim zadaniem. Sprawy trochę się komplikują, gdy pojazd porusza się w terenie – parametry dobrane dla równej nawierzchni są zupełnie nieodpowiednie i zadziałanie ABS-u może spowodować niebezpieczne wydłużenie drogi hamowania*.
Podobny skutek mają niesprawne amortyzatory powodujące odrywanie kół od nawierzchni.
Możliwości ABS-u pozwoliły na wyposażenie terenówek w systemy pozwalające na kontrolowanie prędkości zajazdu z pochyłości. To całkiem pożyteczna funkcja, dzięki której unika się panicznego naciskania hamulca, co może grozić utratą stabilności na śliskich nawierzchniach.
Ograniczenie poślizgu jest korzystne także podczas ruszania. Aby bezproduktywnie nie mielić kołami na śliskim, sterownik silnika w porozumieniu z czujnikami ABS ogranicza moc. Sprawdza się to w większości drogowych przypadków, ale w jeździe terenowej może być przyczyną nazbyt asekuracyjnych interwencji, np. w warunkach zimowych lub na nierównościach. Dlatego wskazane jest, by istniała chociaż możliwość „znieczulenia” tego systemu, a najlepiej wyłączenia.
Połączenie sterowania hamulcami oraz napędem dało zupełnie nowe możliwości w dziedzinie bezpieczeństwa czynnego. Elektroniczna kontrola stabilizacji (Electronic Stabilty Control), czyli ESC*, ma za zadanie zapobiegać niebezpiecznym tendencjom podsterowności czy nadsterowności. System ten jest obowiązkowy dla wszystkich nowych aut od 2011 roku.
ESC, w zależności od producenta, ma również inne nazwy np.: ESP, VDC, VSA.
W przypadku ciężkich terenówek z wysokim położeniem środka ciężkości i zawieszeniem słabo radzącym sobie z gwałtownymi manewrami dobrze wysterowany ESC jest rzeczywiście przydatny, zwłaszcza w modelach z mocnymi silnikami.
Wraz z rosnącymi możliwościami elektroniki pojawiły się odpowiednie tryby pracy sterowników hamulców, układu napędowego i podwozia przeznaczone dla różnych rodzajów nawierzchni. Zadanie kierowcy ogranicza się do właściwego wyboru trybu spośród kilku ikonek. Resztę robi elektronika. Trzeba przyznać, że jest to wybawienie dla większości kierowców, a off-roadowym purystom często zostawia się furtkę pozwalającą na indywidualne skomponowanie zestawu parametrów.
Kolejne czujniki pojawiające się w podwoziu zwiększają potencjał systemów wspomagania i wyręczania kierowcy. Jeśli połączy się możliwości czujników skoku zawieszenia i skrętu kół kierowanych, akcelerometrów (czujników przyspieszeń) oraz kamer i ogólnie wszelkich czujników otoczenia, można mieć znacznie lepszą kontrolę nad tym, co się dzieje z pojazdem, jak i nad tym, co może się zdarzyć na jego drodze.
Już od dawna kierowca może podpowiadać komputerowi, do jakiego terenu ma się dostosować
Synergia
Systemy bezpieczeństwa wspólnie wykorzystują różne czujniki, dzięki czemu lawinowo pojawiają się kolejne funkcje, którym wystarcza programowo przetworzyć otrzymywane dane. Dodając do tego dane uzyskane przez połączenie z Internetem oraz innymi pojazdami w sieci, dokonuje się kolejny przełom technologiczny.
Team spirit
Przykładami wykorzystania zalet pracy zespołowej są projekty konwojów, szczególnie korzystne dla pojazdów ciężarowych. Zamiast jeździć samodzielnie, ciężarówki tworzą zwarty konwój, który – mimo małych odstępów między pojazdami (ok. 2 m) – podnosi poziom bezpieczeństwa dzięki znacznemu skróceniu czasu reakcji wszystkich uczestników kolumny. Inną istotną zaletą jest zmniejszenie zużycie paliwa w wyniku obniżenia oporów powietrza i płynniejszej jazdy.
Wzajemna komunikacja aut terenowych w takim zsynchronizowanym bezprzewodowo konwoju ma inne zalety*. Pojazd prowadzący, pokonując jako pierwszy przeszkody, może przekazywać informacje o nich pozostałym autom, dzięki czemu mogą one lepiej przygotować swoje nastawy lub próbować trasy alternatywnej.
Pracuje już nad tym Land Rover, więc wydaje się, że sprawa będzie poważnie traktowana także przez innych producentów.
Komunikacja pomiędzy pojazdami pozwala na wymianę naprawdę istotnych informacji, bez nasilania informacyjnego szumu. Wprawdzie dostępne są w nawigacjach usługi pokazywania utrudnień drogowych, ale sieć pomiędzy samochodami może przekazywać wszelkie odczyty czujników. Bardzo sensowne jest więc – dajmy na to – przekazywanie na bieżąco ostrzeżeń o możliwości oblodzenia jezdni czy opadach śniegu. Wykorzystując te dane, służby drogowe mają wgląd w prawdziwą sytuację na drogach.
Jeszcze bardziej kusząca jest wizja integracji systemu sieciowego z infrastrukturą sterującą ruchem. Dzięki danym z poruszających się pojazdów teoretycznie możliwe jest stworzenie systemu prawdziwej „zielonej fali” reagującej na rzeczywiste potrzeby przepustowości ruchu drogowego.
Sieciowa współpraca pojazdów i drogowców może wznieść bezpieczeństwo na nowy poziom
Tempomat
Zanim dojdzie do takiego poziomu komunikacji dostępne są systemy mające na celu polepszenie bezpieczeństwa czynnego. Jednym z nich jest tempomat. Początkowo jego zadanie ograniczało się do utrzymania zadanej prędkości, ale teraz obrósł on w dodatkowe funkcje. Dzięki radarowi, który mierzy odległość i prędkość pojazdów (lub przeszkód) znajdujących się przed nim, możliwe jest uzyskanie informacji niezbędnych do utrzymania bezpiecznego odstępu. Nie wszystkie systemy działają wprawdzie w pełnym zakresie prędkości, ale celem jest uzyskanie bezkolizyjnej jazdy. Oznacza to, że wymagane jest nie tylko użycie automatycznej skrzyni biegów, ale także układu hamulcowego reagującego odpowiednio do potrzeb. Inna intensywność hamowania potrzebna jest do dostosowania prędkości w płynnym ruchu i inna w przypadku nagle pojawiających się zakłóceń. System musi więc bezbłędnie rozpoznawać nie tylko solidne przeszkody, ale także te nieprzewidywalne, np. pieszych.
Niezależnie do funkcji tempomatu dąży się do tego, by unikać zderzeń a nie tylko ograniczać ich skutki zmniejszaniem prędkości. W tym celu używane są hamulce przeciwuderzeniowe wykorzystujące czujniki wykorzystywane przez tempomat. To znacznie więcej niż asystent hamowania awaryjnego, który zwiększa skuteczność hamulców w przypadku wykrycia gwałtowniejszego niż normalnie nacisku na pedał hamulca.
W razie wypadku, uszkodzony pojazd jest automatycznie zatrzymywany przez hamulec pokolizyjny, by nie narazić się na kolejne zderzenia. Może się to też bardzo przydać w trakcie mniejszych kolizji wynikających z najechania z tyłu, by nie uderzyć w pojazdy stojące z przodu.
Systemy półautonomiczne potrafią aktywnie zapobiegać kolizjom zmianą toru jazdy
Znaki
Inną funkcją nowoczesnego tempomatu ma być zdolność do jazdy zgodnie z przepisami. Ważniejsza od sugestii otrzymywanych z nawigacji jest zdolność do odczytywania znaków drogowych. W realnym zastosowaniu (zakłócenia ze strony reklam, trudne warunki oświetleniowe, brud czy niejednoznaczne oznakowanie) widać, że sporo trzeba jeszcze poprawić, ale faktem jest, że w sprzyjających warunkach systemy tego typu działają całkiem sprawnie.
Zmiany
Istotnym uzupełnieniem znaków pionowych są odczyty znaków poziomych i „odnajdowanie się” na drodze. Szeroko dostępny jest już asystent pasa ruchu, który ostrzega o zmianie pasa, mogącej stanowić zagrożenie. Za niebezpieczne uznawane jest nadmierne zbliżanie się do linii wyznaczających pas lub jej przekraczanie bez sygnalizacji kierunkowskazem. System może nie tylko wysyłać sygnały ostrzegawcze, ale i aktywnie korygować manewry. W bardziej samodzielnych systemach taka korekcja wspomaga pokonywanie zakrętów – jazda jest prawie autonomiczna.
Świetnym uzupełnieniem asystenta pasa ruchu jest monitor martwego pola. Wykrywa on obiekty znajdujące się właśnie w martwym polu widzenia lusterek bocznych i ostrzega przed nimi kierowcę, najczęściej sygnałem świetlnym na lusterku lub słupku A. Asystent ten działa cały czas, nie tylko podczas zmiany pasa.
Kolejnym systemem związanym ze zmianą pasów ruchu jest asystent ruchu poprzecznego. Jego zadaniem jest monitorowanie otoczenia pojazdu w trakcie wjazdu prostopadłego na jezdnię. Najczęściej taką sytuację mamy przy wyjeździe z parkingu, a szczególnie, gdy wyjeżdża się tyłem, a widoczność jest ograniczona. Jeśli nie ma się osoby do pomocy (co zresztą zaleca kodeks drogowy), wybawieniem może być właśnie ten asystent. Radary zamontowane z boku zderzaków mają wgląd w przestrzeń na odległość kilkudziesięciu metrów, co wystarcza, by ostrzec przed nadjeżdżającym autem czy rowerem.
Świetnym uzupełnieniem tego systemu są kamery, dające wgląd w sytuację dookoła pojazdu. Oprogramowanie składa obraz z – dajmy na to – 4 kamer, dając symulowany widok z lotu ptaka, ale spotyka się już kamery z lepszą lokalizacją daleko z przodu, na boku – właśnie pod kątem dostrzegania zagrożeń podczas prostopadłego włączania się do ruchu.
Kolejnym etapem do zapewnienia kierowcy widoczności niezależnie od warunków atmosferycznych są kamery pracujące w innych zakresach fal niż światło widzialne. Można spotkać się z rozwiązaniami wykorzystującymi noktowizory lub termowizję. Jest to jednak jeszcze zbyt droga sprawa, by była powszechniej stosowana.
Systemy wykrywania w ruchu aut, pieszych czy rowerzystów muszą działać skutecznie niezależnie od pory dnia
Systemy wykrywania w ruchu aut, pieszych czy rowerzystów muszą działać skutecznie niezależnie od pory dnia
Manewry
Nawet z najdoskonalszymi czujnikami i kamerami ciasne manewry parkingowe nie dla wszystkich są przyjemnością. Ale od czego są asystenci kierowcy? Wśród nich znajdziemy asystentów parkowania równoległego oraz prostopadłego. Do zadań kierowcy należy wolny przejazd obok odpowiedniego miejsca, tak aby system mógł ocenić ilość dostępnego miejsca, a po pozytywnej weryfikacji i zatrzymaniu uruchomienie procedury parkowania. Komputer przejmuje kierownicę, a kierowca operuje pedałami gazu i hamulca. W zależności od dokładności czujników i sprawności oprogramowania systemy tego rodzaju działają nawet lepiej od większości kierowców, którzy w najnowszych rozwiązaniach nie są już nawet potrzebni. Do parkowania wystarczy aplikacja na smartfonie! Ta możliwość nie ogranicza się już tylko do parkingów. Trwają zaawansowane prace nad możliwością kierowania aut w terenie właśnie za pomocą smartfona.
Postój w mieście ma przestać być zmorą kierowców dzięki autonomicznemu parkowaniu
Smartfon może być narzędziem do zdalnego kierowania – także w terenie
Wyższa szkoła jazdy to jazda z przyczepą. Wprawdzie od dłuższego czasu systemy ESC wyposażone są w programy jazdy z przyczepą, ale automatyczne manewry to sprawa ostatnich kilku lat. Podobnie jak w przypadku automatycznego parkowania wszystkim zajmuje się elektronika, kierowca musi tylko ustalić kąt skrętu przyczepy i kontrolować pedały gazu i hamulca.
Nawigacja i komunikacja
Kolejnym krokiem jest wykorzystanie odczytów nawigacji satelitarnej wraz z informacjami o bieżącym ruchu drogowym (wszystko za pośrednictwem Internetu). Przydają się one także w znalezieniu wolnego miejsca parkingowego. Karta SIM i łączność LTE wydaja się dziś nieodzownym wyposażeniem, a od przyszłego roku będzie ono już obowiązkowe. Wynika to z wymogu wyposażenia wszystkich nowych modeli w system eCall. Za jego pośrednictwem, w razie stwierdzenia przez oprogramowanie pojazdu wypadku (przez czujnik wstrząsów, opóźnień lub uruchomienie poduszek powietrznych), przekazana zostanie informacja uzupełniona o współrzędne i dane pojazdu oraz ilość osób mogących potrzebować pomocy.
Dane pochodzące z nawigacji są już wykorzystywane do przygotowywania optymalnych zastawów podwozia i napędu, jeszcze przed pokonaniem danego odcinka drogi. Dzięki temu, że system posiada informację np. o kształcie i profilu wysokościowym zakrętu, może przygotować na jego cały przebieg określone przełożenia skrzyni biegów i momenty ich zmian oraz np. sztywności podwozia dla poszczególnych kół.
Do dobrania najlepszych nastawów do realnego stanu nawierzchni stosuje się już czujniki zdalnie odczytujące nierówności przed ich pokonaniem.
Realia
Systemy wspomagające czy wyręczające kierowcę mają oczywiście swoją cenę. Wprawdzie systemy te mogą realnie polepszyć bezpieczeństwo, ale też spowodować rozleniwienie, które zwiększa możliwość wystąpienia ryzykownych sytuacji. O ile w idealnych warunkach coraz bardziej zaawansowane systemy działają sprawnie, to sprawy komplikują się, gdy czujniki muszą zmierzyć się z trudnymi warunkami atmosferycznymi, nieczytelnymi znakami czy śniegiem lub brudem. To, z czym można spotykać się w warunkach off-roadowych, jeszcze bardziej utrudnia działanie.
Powstają też pytania, kto weźmie odpowiedzialność za szkody w razie błędów ludzkich i maszyn. Obawy o totalną inwigilację trzeba porzucić i pogodzić się z tym, że producenci mają coraz większa kontrolę nad samochodem. Wystarczy przykład smartfonów, które wiedzą o nas wszystko, a mimo to uzależniamy się od nich coraz bardziej. Niestety, podobnie jak w przypadku smartfonów złożoność oprogramowania i łączności budzi niepokój o bezpieczeństwo. Już wiemy, że samochody można zhakować, a dalsze ich usamodzielnianie będzie powodować większe ryzyko.
Pierwsze próby z pojazdami autonomicznymi pokazały, jak wiele jest do zrobienia, by przystosować systemy obserwacji otoczenia do wymogów normalnej eksploatacji. Konstrukcje, które w 2004 roku konkurowały ze sobą na trasie wyścigu zorganizowanego przez wojskową agencję Darpa, obarczone były wielkimi rozbudowanymi kamerami, radarami i innymi czujnikami. Nieprzypadkowo też nośnikami tego ciężkiego i zachłannego na energię wyposażenia były naprawdę duże pojazdy. Dziś technologia umożliwiła taką miniaturyzację, że dopiero uważne przyjrzenie się detalom nadwozia pozwala odnaleźć ich lokalizację.
Hummer Sandstorm Ewolucja systemów autonomicznej jazdy jest wyraźnie widoczna – od wielkich i ciężkich czujników do nadających się do instalacji na zwykłym aucie
Poziomy autonomiczności pojazdów
0 – zero autonomiczności: wszystkie funkcje obsługuje kierowca
1 – wspomaganie kierowcy: jedna automatyczna funkcja, np. aktywne utrzymywanie prędkości
2 – częściowa autonomia: co najmniej dwie funkcje wspomagają kierowcę, np. automatyczne utrzymywanie prędkości i zadanego pasa ruchu
3 – warunkowa autonomia: większość funkcji jest zautomatyzowana, ale wymagana jest obecność kierowcy do ewentualnej interwencji
4 – autonomia: wszystkie funkcje są zautomatyzowane i w określonym czasie nie jest wymagana obecność człowieka
5 – pełna autonomia: automatyka może zająć się prowadzeniem przez cały czas, we wszelkich możliwych warunkach drogowych
autor: Michał Pierewicz, zdjęcia: producenci
