Conducerea autonomă (autonomous driving) este un termen încetățenit în vocabularul automotive curent. Deși nu am ajuns la o conducere autonomă totală, sistemele de conducere asistată (Driving Assistance) sunt aici, prezente în toate automobilele de zeci de ani, oferind baza de dezvoltare a mașinii complet autonome. Acest articol descrie tehnologiile de conducere asistată ce folosesc senzori ultrasonici în contextul conducerii autonome.
Conceptul de mașină autonomă este foarte nou comparativ cu cel de automobil clasic. Autonomia a devenit posibilă prin intermediul dispozitivelor moderne cu senzori, precum senzorii ultrasonici, video și RADAR, majoritatea fiind posibile datorită puterii de calcul ce poate fi integrată în/ și susținută de sistemele mașinii, ce poate rula algoritmi de tip deep learning. Mai mult, accesul la resursele Cloud pentru hărți sau pentru schimbul de date pentru învățarea algoritmilor sunt cruciale pentru o mașină complet autonomă.
O abordare clasică a conceptului de conducere autonomă este că sistemele de conducere asistată vor scuti conducătorul auto de sarcini din ce în ce mai complexe, până când acesta va deveni un simplu pasager [1][2]. De exemplu, pilotul automat (cruise control) pe un drum liber permite unui conducător auto să nu mai folosească pedalele. Sistemele de asistență la menținerea benzii (line assist) permit unui conducător auto să nu fie nevoit să țină mâinile pe volan. Sistemele de asistență în ambuteiaje (jam assit) permit păstrarea unei distanțe stabile față de mașina din față, conducătorul auto nefiind nevoit să se uite mereu la drum, în timp ce cele mai avansate sisteme de conducere asistată vor permite conducerea autonomă în condiții specifice: între două ieșiri de pe autostradă sau de pe alee în garaj - acesta din urmă fiind un scenariu complet autonom. Această abordare nu limitează opțiunile conducătorului auto, precum viteza maximă sau deplasarea pe drumuri ce nu sunt cartografiate, deoarece conducătorul va putea să oprească sau să anuleze orice funcție sau comandă autonomă.
La Centrul de Inginerie Bosch din Cluj, dezvoltăm sisteme ce pot atinge autonomie de până la gradul 3 în domenii precum senzori ultrasonici, soluții RADAR, camere video sau sisteme de control al direcției.
O abordare alternativă, diferită de cea menționată anterior, generată de cererea și chiar de entuziasmul pentru conducerea autonomă a determinat recent un avânt puternic pentru identificarea de soluții în ceea ce privește conducerea complet autonomă [3]. Spre deosebire de prima abordare, unde conducătorul auto nu este privat de funcționalitățile clasice cu care este deja obișnuit - precum viteza maximă sau manevrabilitatea - a doua abordare necesită acceptarea de concesii în ceea ce privește scenarii cu contexte predefinite sau chiar design de mașină, modificat de prezența unor senzori suplimentari.
În rândurile următoare, vom explora ce pot face senzorii ultrasonici pentru o mașină autonomă. Principiul folosit este acela al reflexiei undelor sonore în timp ce senzorii măsoară timpul de deplasare al undei acustice pentru a deduce distanța față de obstacolul din care se reflectă. Fiecare senzor poate genera o undă ultrasonică, iar apoi poate asculta ecoul reflectat. De asemenea, senzorii din apropiere pot asculta același ecou și astfel, pot determina o poziție mult mai precisă a obstacolului: un punct exact nu doar un arc de cerc, în planul orizontal. Pentru a populariza tehnologia senzorilor ultrasonici în automotive, Centrul de Inginerie Bosch din Cluj a creat cursuri universitare în colaborare cu Universitatea Babeș-Bolyai și Universitatea Tehnică, ambele din Cluj-Napoca.
Senzorii ultrasonici pot fi considerați ca fiind primul sistem de conducere asistată. Se regăsesc în producția de serie a mașinilor de la începutul anilor '90 cu aplicabilitate în parcarea asistată. Un sunet (clinchet) repetitiv cu durată și frecvențe variabile indică distanța față de cel mai apropiat obstacol din spatele sau din fața vehiculului. La Bosch, numim acest produs de bază pentru conducerea asistată Park Pilot, este disponibil din 1991, inițial ca o opțiune aftermarket, deci de îmbunătățire a unor opțiuni de bază.
Momentan toate proiectele de serie au senzori ultrasonici, asamblați doar pe bara de protecție din față și din spate. Această dispunere lasă zone neacoperite de senzorii ultrasonici pe lateralele mașinii, ceea ce poate fi problematic când manevrele se desfășoară în spații strâmte. De aceea, sistemele mai avansate de park pilot pot monitoriza obstacolele identificate cu senzorii față sau spate relativ la unghiul de rotire a vehiculului și la viteză. Conducătorul auto este avertizat în privința obstacolelor ce depășesc bara de protecție în limita de siguranță, dar, din cauza unghiului de virare, acestea se pot afla pe un traseu de coliziune cu lateralul vehiculului. Un alt nume mult mai sugestiv pentru această funcționalitate este Driving Tube.
După ce am fost informați în legătură cu limitele spațiului de parcare, primul nivel de automatizare se regăsește în funcțiile Park Assist. Acest lucru vine cu o serie de variante în funcție de celelalte capabilități ale vehiculului. De exemplu, cea mai simplă funcție de asistență la parcare este frânarea automată la apropierea prea mare de o margine. Totuși, dacă mașina are sistem de virare electric, funcția Park Assist poate prelua manevrele de virare efectuate de șofer. Mai mult, dacă Park Assist are acces la transmisie și la motor, atunci poate realiza o parcare autonomă totală. Poate chiar finaliza o manevră de parcare inițiată de conducătorul auto. Desigur, pentru toate aceste lucruri, mașina are nevoie de o generație mai nouă de senzori ultrasonici, ce au rază suficientă pentru a identifica și cartografia locul de parcare.
Una din primele aplicații driverless (fără șofer) este Home Zone. Aceasta permite mașinii să intre într-un loc de parcare, un garaj sau chiar să conducă de una singură pe un drum învățat anterior - de exemplu, de la intrarea din stradă până în garaj - toate fără un conducător auto la bord. Totuși, regulile curente impun supervizare din partea conducătorului auto și mijloace de a opri manevrele imediat dacă acest lucru este necesar.
Cea mai avansată funcționalitate de parcare disponibilă este Valet Parking. Vehiculul poate conduce și parca într-un lot de parcare în mod total automat fără supervizare. Acest lucru implică un grad mare de comunicare între mașină și mediul înconjurător. Lotul de parcare trebuie echipat cu senzori și infrastructură de comunicare între mediul înconjurător și mașină.
Serviciile de parcare asistată au intrat în era IoT (Internet of Things): imaginați-vă că puteți vedea, în timp real, care loc de parcare de pe marginea drumului este disponibil lângă destinația dumneavoastră. Singura condiție este ca o mașină conectată la Cloud să treacă pe lângă acel loc de parcare. Bosch lucrează la astfel de sisteme în care mașinile, dotate cu sisteme de parcare automată, scanează continuu locurile de parcare disponibile. Informația este apoi încărcată în Cloud și pusă la dispoziția celor ce caută un loc de parcare.
Aplicațiile cu senzori ultrasonici nu se opresc la parcarea asistată. Deși cele mai multe scenarii compatibile cu senzori ultrasonici presupun viteză mică datorită razei mici de acțiune, există o aplicație, împrumutată de la RADAR, ce nu are aceste constrângeri. Funcțiile Side View Assist sau Blind Spot Detection au fost dezvoltate inițial cu date de intrare de la senzori RADAR. Totuși, după ce raza de acțiune a senzorilor ultrasonici a ajuns la aproape 10 metri, această funcționalitate poate fi implementată cu tehnologie ultrasonică mai ieftină. Mai mult, utilizând sisteme ultrasonice, această tehnologie poate fi implementată chiar și pe motociclete.
Acesta este termenul pe care îl folosim pentru a aborda aplicații ce merg dincolo de ceea ce poate oferi o tehnologie bazată pe un singur tip de senzori. În arhitectura automotive, de obicei, fiecare sistem hardware ce are nevoie de procesare digitală are propriul său computer sau unitate de control electronic (electronic control unit - ECU). De exemplu, toți senzorii ultrasonici sunt conectați la un ECU ce gestionează logica acestora. Dacă luăm în calcul aplicația de parcare automată ce folosește doar senzori ultrasonici, ne putem imagina că va fi destul de dificil ca mașina să fie parcată într-un loc de parcare marcat cu vopsea. Pentru a realiza acest lucru, unul dintre primele proiecte de fuziune au combinat informația de la senzorii ultrasonici cu informația de la camerele video de proximitate.
În contextul actual, omniprezența dispozitivelor cu senzori ne-au determinat, în mod eronat, să le considerăm ca ceva dat, ceva normal, ceea ce face mai dificilă înțelegerea detaliilor tehnice și a provocărilor întâlnite în realizarea lor. Ca să menționăm doar o provocare legată de hardware ce dă mari dureri de cap multor oameni, aducem în discuție ringing effect. Aceasta este vibrația nedorită a membranei unui senzor, vibrație ce persistă după ce semnalul acustic este generat și poate interfera cu detecția undei reflectate. Principala limitare a acestui artefact ține de distanțele minime ce pot fi măsurate.
O provocare importantă la nivel de software, de exemplu, este întâlnită la funcția Side View Assist, în a face diferența între o mașină situată în unghiul mort, trecerea pe lângă un parapet sau poziționarea în paralel cu un autocamion. Pentru a gestiona acest lucru, software-ul embedded trebuie să segmenteze informația primită în cât mai multe obiecte diferite, să monitorizeze mișcările lor relative și să compare vitezele lor relative cu viteza mașinii.
Totuși, cele mai dificile situații de abordat se află la nivele inferioare din punct de vedere software, referindu-ne aici la nivelul care analizează informația brută primită de la sistemele fizice: ecourile. Ultima generație de senzori ultrasonici Bosch poate seta un nivel prag adaptiv pentru a livra informații doar pentru ecourile relevante. Acest nivel prag variabil este influențat de factori precum zgomotul cauciucului la viteză mare sau pe drum umed sau de artefacte precum rampe, drum sau suprafețe zgrunțuroase. Toate aceste situații trebuie identificate dinamic. Fiind în imposibilitatea de a anticipa precis toate scenariile ce pot apărea, folosim machine learning și rețele neuronale pentru a lărgi aplicabilitatea acestui concept de nivel prag adaptiv. Acest lucru înseamnă că folosim tehnici de deep learning pentru procesarea ecourilor.
În concluzie, anticipăm un viitor în care mașina autonomă se va baza pe trei tipuri de senzori pentru interpretarea mediului înconjurător: senzori ultrasonici, RADAR și cameră video. Cu toate că senzorii ultrasonici pot fi folosiți în special pentru detecția pe distanțe mici, marele avantaj asupra RADAR este prețul mult mai mic al sistemului fizic. Comparat cu o cameră video, acesta oferă fiabilitate mai mare în raport cu nevoile de procesare.
[1] Mihai Bărbulescu, Tim Lagerburg, Albert Laszlo; "Vehicule autonome - simţ, gândire, acțiune" , Today Software Magazine 86 (2019)
[2] Cătălin Golban; "Viziune artificială pentru conducerea automata", Today Software Magazine 74 (2017)
[3] Bosch and Daimler are working together on fully automated, driverless system
de Andra Chicoș
de Iulia Creta , Bogdan Barza
