Согласно отчёту банковского холдинга Morgan Stanley двухлетней давности, 2015 год должен ознаменовать вторую стадию проникновения технологии самоуправляемых автомобилей: ограниченное замещение водителя компьютером. По мнению авторов прогноза, на данном этапе серийные автомобили должны уметь самостоятельно ускоряться, тормозить и поворачивать, справляясь с движением в потоке и прокладывая самостоятельно дорогу, а также брать на себя значительную часть задач при парковке. Но похоже, что аналитики были слишком осторожны — появившийся в конце 2013 года «Мерседес-Бенц» S-класса умеет не только это, но даже самостоятельно обгонять — для этого водителю нужно всего лишь включить поворотник. И сейчас мы находимся в ожидании третьего этапа, на котором серийные автомобили научатся самостоятельно проезжать перекрёстки и пересекать пешеходные переходы. А параллельно идёт развитие полностью автономных прототипов, которые всё ближе и ближе к тому, чтобы превзойти людей в безопасности движения. В этом году они вышли с закрытых полигонов на дороги общего пользования. Вероятно, как раз сейчас мы стоим на пороге будущего, в котором машины будут передвигаться без непосредственного участия человека. Самое время оглянуться назад, чтобы понять, какими путями человечество пришло к этому рубежу.
Но прежде чем мы начнём, рассмотрим…
Вопрос терминологии
Название для автомобилей, способных передвигаться по дорогам общего пользования без водителя, устоялось далеко не во всех языках. Достаточно взглянуть на статью английской Википедии, чтобы увидеть, как много вариантов сейчас имеется в английском языке. Для заголовка статьи выбран термин autonomous car (автономная машина), а среди синонимичных вариантов приводятся driverless car (машина без водителя), self-driving car (самоуправляемая или самодвижущаяся машина) и robotic car (роботизированная машина). Более того, издание «Экономист» объясняет, что автономная и самодвижущаяся машина — принципиально разные понятия. Первое означает традиционный автомобиль с водительским местом, который способен полностью брать управление на себя, а второе — транспортное средство без органов управления. Разница, по крайней мере, для автопроизводителей, колоссальная. Автономные машины — это то, что они десятилетиями производят и продают, только с дополнительными возможностями, за которые можно просить больше денег. А вот появление самодвижущихся машин подразумевает рождение индустрии роботакси, что кардинальным образом изменит весь автомобильный рынок.
Терминологическая путаница — совершенно нормальное явление на данном этапе, ведь объект спора ещё не стал частью нашего быта. Какое-то название со временем должно вытеснить остальные, и вовсе не обязательно победителем окажется одно из перечисленных. Вполне может быть, что за автономными машинами в английском закрепится короткое и ёмкое слово robocar.
В русском всё ещё сложнее. Автономный автомобиль, автомобиль-робот, самоуправляющийся автомобиль, самодвижущийся автомобиль или просто автомобиль без водителя — вариантов, используемых в журналистике, литературе и речи, множество. Пожалуй, наиболее распространённый — беспилотный автомобиль — одновременно и самый неудачный. Действительно, почему он беспилотный? Ведь и в традиционных автомобилях пилотов тоже нет.
Название это возникло по аналогии с термином «БПЛА» — беспилотный летательный аппарат. «БПЛА» — очень точное название: это действительно летательный аппарат (самолёт, вертолёт или что-то иное), в котором, в противоположность традиционному аналогу, нет пилота. Более того, не просто нет, а не может быть — БПЛА изначально проектируются для выполнения задач, которые должны выполняться без пилота. Однако при переносе прилагательного из авиации в автопром смысл сильно исказился. Ведь в самоуправляющемся автомобиле водитель, как правило, присутствует, и даже может вмешаться в процесс. Просто теперь его участие в управлении автомобилем опциональное.
Поэтому для точности терминологии мы будем придерживаться названий «самоуправляемый автомобиль» и «автономный автомобиль», прибегая к варианту «автомобиль без водителя» для тех немногочисленных случаев, когда речь идёт о полностью самостоятельной машине. А «беспилотными автомобилями» пусть называются будущие спортивные болиды.
Попробуем теперь ответить на вопрос,
Как заменить водителя?
Если коротко, требуется сделать две вещи. Машину нужно научить, во-первых, прокладывать маршрут, а во-вторых, успешно передвигаться по дорогам, в том числе в окружении других транспортных средств. Первой задачей всерьёз занялись относительно недавно, с появлением спутниковой навигации и электронных карт местности, и справились с её решением довольно быстро. А вот вторую решают уже много десятилетий, и до сих пор трудно сказать, позволяет ли нынешний уровень развития технологий выпускать полностью автономные машины на улицы.
Рассмотрим, какой функциональностью должны обладать системы, отвечающие за автономное передвижение, и когда эти системы впервые появлялись на автомобилях. Прежде всего — и это самое простое, — автомобиль должен уметь набирать и сбрасывать скорость, а также поворачивать. Для этого нужны модуль управления подачей топлива, приводы тормозов и руля. Не забудем и о задаче автоматического переключения передач, каким бы очевидным ни казалось нам сейчас её решение. Можно даже утверждать, что именно изобретение автоматической трансмиссии в 1921 году и её внедрение в серийные модели марки «Олдсмобиль» в 1939 году были одними из первых шагов к созданию самодвижущихся машин.
Помимо «рук» и «ног» робомобилю нужны «глаза» — камеры, позволяющие «видеть» дорогу, отмечать её границы, а также отдельные полосы движения, «читать» дорожные знаки и распознавать сигналы светофоров. С ними машина способна двигаться по пустой трассе. Для ориентирования в потоке тоже нужно зрение, но иное: расстояние до других машин лучше определять с помощью радаров и лидаров. Важно также собирать информацию о скорости движения автомобиля, угловой скорости вращения колёс, давлении в шинах, наличии осадков. И конечно, все системы должны быть подключены к компьютеру, который будет анализировать поступающую информацию и управлять движением. Он же отвечает за распознавание образов на изображениях, поступающих от камер.
Узнавание объектов и принятие решений — те самые проблемы, которые пока удерживают автомобили-роботы на полигонах. Прототипы, способные уверенно ездить по дорогам, существуют достаточно давно. Но прежде чем выпускать машины без водителей на улицы, нужно убедиться, что даже в самых сложных ситуациях управляемый компьютером автомобиль обеспечит не меньшую безопасность, чем живой человек.
Все остальные технические задачи уже решены. Посмотрим,
Как автомобили учились ездить самостоятельно
«Одно из самых поразительных творений современной науки будет продемонстрировано в следующую субботу. Автомобиль-фантом проедет по дорогам города без водителя и пассажиров», — писали американские газеты. Автомобиль без людей, без протянутых к нему проводов, самостоятельно проехал по улицам Нью-Йорка ещё в 1925 году — и, по-видимому, это был первый в истории пример автомобиля без водителя. Но управлялся он всё-таки человеком: компания Houdina Radio Control оснастила «Чандлер» двумя приёмниками радиосигнала, а ехавший за ним автомобиль — двумя передатчиками. Оператор, сидевший во второй машине, подавал команды, которые передавались по радио на первую машину, а электромоторы приводили в движение рулевое колесо, педали газа и тормоза, выжимали сцепление и переключали передачи.
Да, переключали передачи — как ни удивительно, автомобили научились ездить без водителя раньше, чем автоматические трансмиссии появились в серийных машинах. Вспомните об этом, садясь в следующий раз в свою машину с «автоматом».
Следующей задачей, за которую взялись инженеры, стало обеспечение возможности держаться дороги вообще без участия человека. В отсутствие камер, лазеров и компьютеров решение нашлось в виде бесконтактных электромагнитных меток, расположенных под поверхностью дороги. Проложенные под землёй провода служили антеннами для системы управления автомобилями, которая могла определять присутствие и скорость транспортных средств, а также посылать управляющие сигналы.
Работы в этом направлении велись в США в 1950-х годах, а в 1960 году была продемонстрирована возможность управления автомобилем подобным образом. Присутствующим журналистам даже предложили проехаться на самоуправляемых автомобилях. Тогда полагали, что технология будет массово внедрена к 1975 году.
Этого не произошло, но как раз в конце семидесятых появился, как считается, первый автономный автомобиль. Он был создан в 1977 году группой инженеров из Университета Цукубы, в которую входили Садаюки Цугава (Sadayuki Tsugawa), Теруо Ятабэ (Teruo Yatabe), Такэси Хиросэ (Takeshi Hirose) и Сюнтэцу Мацумото (Shuntetsu Matsumoto). Команда под руководством Цугавы оснастила автомобиль двумя камерами, изображение с которых обрабатывалось аналоговым компьютером. Скорость автомобиля достигала 30 км/ч.
Развитие самоуправляемых автомобилей в восьмидесятых тесно связано с именем Эрнста Дикманнса (Ernst Dickmanns), профессора Военного университета Мюнхена. Его команда создала систему, способную в режиме реального времени обрабатывать и интерпретировать информацию, поступающую с видеокамер. Производительность компьютеров того времени была совершенно не сопоставима с тем, что доступно сейчас, и для достижения результата изобретались и применялись оригинальные технические и программные решения. Например, платформа, на которой установлены камеры, совершала саккадические движения, чтобы сконцентрировать внимание на наиболее важных деталях окружающей обстановки.
Для экспериментов использовался пятитонный фургон «Мерседес», оснащённый системами привода органов управления, а также камерами и другими датчиками. Главным прорывом германской команды стало программное обеспечение, которое принимало видеоизображение в реальном времени и выдавало команды управления автомобилем.
В 1986 году автомобиль, получивший название VaMoRs, смог передвигаться полностью самостоятельно, а в следующем году удалось добиться автономного движения со скоростью до 96 км/ч.
Технологии Дикманнса достигли зрелости к середине девяностых. В октябре 1994 года на французской трассе A1 неподалёку от парижского аэропорта имени Шарля де Голля состоялась итоговая презентация в рамках европейского проекта Eureka Prometheus Project (PROgraMme for a European Traffic of Highest Efficiency and Unprecedented Safety — Программа европейского дорожного движения с максимальной эффективностью и беспрецедентной безопасностью). Два прототипа-близнеца на базе автомобиля «Мерседес-Бенц-500SEL»: VITA-2 компании «Даймлер-Бенц» и VaMP мюнхенского Военного университета — проехали в обычном плотном потоке более тысячи километров по трёхполосному шоссе, достигая скорости 130 км/ч. В рамках презентации удалось продемонстрировать движение по свободным полосам, поддержание дистанции до впередиидущего автомобиля, перестроения между полосами с пропуском проезжающих по ним автомобилей.
Осенью 1995 года состоялся ещё один масштабный тест. Автономный автомобиль совершил пробег через всю Германию — от Мюнхена до датского Оденсе и обратно. Благодаря отсутствию на германских автобанах ограничения скорости, робомобиль на отдельных участках достигал впечатляющих 175 км/ч. Средняя дистанция, которую машина проходила без перезапуска системы, составила 9 км, максимальная — 158 км. Более половины перезапусков не потребовали вмешательства человека. Автомобиль проехал самостоятельно 95% всего пути.
А чуть раньше, в июле 1995 года, в США состоялся аналогичный пробег, получивший название No Hands Across America («Без рук через Америку»). Дин Померло (Dean Pomerleau) из Института робототехники Университета Карнеги — Меллон и аспирант того же института Тодд Йохем (Todd Jochem) оснастили пятилетний минивэн «Понтиак Транс Спорт» (Pontiac Trans Sport) системой Navlab 5. Разработанная в стенах института система работала под управлением написанной Дином программы RALPH (Rapidly Adapting Lateral Position Handler), задача которой заключалась в интерпретации изображений с камер и информации от датчиков, а также управлении рулём. С 23 по 30 июля экипаж преодолел 4585 км от Питтсбурга до Сан-Диего. 98,2% пути автомобиль прошёл самостоятельно, однако из соображений безопасности компьютер управлял только рулём, а скорость контролировали испытатели.
Стоимость оборудования и ПО составила всего 20 000 долларов — совсем ничего по сравнению с 800 млн ЭКЮ, которые составили бюджет европейского проекта «Прометей». Впрочем, в эту сумму не включены годы работы над пятью поколениями системы Navlab и над программными комплексами: до появления в 1995 году RALPH использовалась система ALVINN (Autonomous Land Vehicle In a Neural Network), которая использовала для принятия решений искусственную нейронную сеть. Сердцем системы стал компьютер с 32 Мб памяти и процессором microSPARC 50 МГц, по производительности аналогичный 486DX2 66 МГц. К нему подключалась единственная цветная камера Sony DXC-151A с разрешением 640×480, GPS-приёмник и волоконно-оптический гироскоп. Любопытно, что GPS-приёмник использовался для определения скорости и направления движения, но не координат — в те годы точность GPS для гражданских лиц была загрублена.
Конечно, из этого не следует, что в европейской программе миллионы были выброшены на ветер. Несмотря на то, что созданию пятого поколения Navlab предшествовал десяток лет исследований, а результаты обоих испытаний выглядят схожими, проект Померло предоставлял совсем иной уровень автономности по сравнению с европейским «Прометеем». Если пробег по Германии демонстрировал уверенное движение по трассе без перекрёстков и пересечений дорог, то поездка Померло и Йохема была, по сути, испытанием усовершенствованного круиз-контроля, который умел поворачивать руль, удерживая машину внутри линий разметки. Вряд ли такой эксперимент завершился бы успехом в Германии, на дорогах которой разница в скоростях движения машин может превышать сотню километров в час.
Последующие двадцать лет ушли на совершенствование алгоритмов. Автономные машины стали намного умнее и куда более уверенно принимают верные решения в сложных ситуациях. Но пока полностью самоуправляемые автомобили лишь готовятся к серийному производству, мы наблюдаем, как…
Компьютеры забирают работу у водителей
Прогресс наступает с двух сторон. Полностью автономные машины набивают шишки на полигонах, а на серийных автомобилях появляются всё более изощрённые электронные системы, упрощающие работу водителя и перекладывающие её на свои плечи. А началось всё, пожалуй, в 1992 году в Японии, когда «Мицубиси» выпустила первый в мире автомобиль с технологией определения расстояния до находящегося впереди объекта.
«Мицубиси Дебонэйр» был оснащён системой предупреждения о расстоянии Distance Warning. Она использовала лидар для определения расстояния до впередиидущего автомобиля и в случае опасного сближения предупреждала водителя.
В 1995 году та же «Мицубиси» применила на модели «Дайаманти» (Mitsubishi Diamante) систему Preview Distance Control, использующую лазерный луч. Новая система уже умела управлять подачей газа и переключать передачи. А в 2000 году «Тойота» оснастила свою модель «Селсиор» (Celsior) системой лазерного круиз-контроля, которая впервые использовала тормоза. Ещё через четыре года тойотовцы выпустили модель «Краун Маджеста» (Crown Majesta) с доработанной системой ACC (Adaptive Cruise Control), использующей радар и цифровую камеру. Если впередиидущий автомобиль остановился, она предупреждала водителя и использовала тормоза для полной остановки — впервые в мире.
Описанная технология известна как адаптивный, или автономный круиз-контроль. Её задача — поддерживать постоянную скорость на трассе, но, в отличие от обычного круиз-контроля, учитывать также дополнительные факторы, и самое главное — более медленные автомобили. Параллельно ей развивалась технология предупреждения о столкновениях. Система, препятствующая столкновениям, активна не только при включённом круиз-контроле, но и в остальных режимах движения (если водитель её не отключил принудительно), и реагирует не только на автомобили, но и на пешеходов и прочие препятствия. Её задача — смягчить последствия столкновения, если водитель по каким-то причинам не может предпринять адекватных мер.
Первым в мире серийным автомобилем, оснащённым активной системой смягчения столкновений, стала «Хонда Инспайр» (Honda Inspire) в 2003 году. Разработанная «Хондой» система торможения для смягчения последствий столкновения CMBS (Collision Mitigation Brake System), распознав опасность столкновения, пытается предупредить водителя. Сначала раздаётся звуковой сигнал, а на панели приборов появляется команда «Тормози!», затем автомобиль сбрасывает газ и начинает лёгкое притормаживание, отдаляя момент удара. Одновременно ремень водительского кресла несколько раз дёргается. Если водитель не отреагировал и на это, у всех ремней безопасности выбирается свободный ход и начинается торможение. Сильное, но не экстремальное, — с ускорением 0,6 g, то есть примерно на 60% от максимально возможного.
Чуть раньше серийные автомобили научились держаться полосы. И снова пионерами были японцы. «Ниссан Сима» (Nissan Cima) 2001 года умел корректировать положение руля, если машина начинала уходить за линию разметки. А пассивная система, умеющая лишь предупреждать водителя, появилась в 1992 году на уже упоминавшемся «Мицубиси Дебонэйр».
Относительно недавно машины научились смотреть не только вперёд, но и по сторонам. Технология, снимающая информацию с дорожных знаков, впервые появилась на новом БМВ 7-й серии в конце 2008 года. Она умела считывать ограничения скорости и выводить актуальное значение на спидометре и проекционном дисплее. Система распознавала дорожные знаки, не только установленные на обочине, но и размещённые над дорогой.
Водителю эта технология дала не очень много — информация об ограничениях скорости есть и в электронных картах, используемых для навигации. Но карты можно использовать лишь до тех пор, пока данные об ограничениях скорости являются рекомендацией для водителя. Но если в автомобиле используется адаптивный круиз-контроль, полагаться только на карты нельзя. Они могут оказаться устаревшими — пусть даже всего на сутки — и не располагать данными о вре́менных знаках, которые сопровождают, например, дорожные работы.
А вот информация, получаемая с камеры, является актуальной, и может быть использована системой адаптивного круиз-контроля. Благодаря взаимодействию этих двух технологий автомобиль способен самостоятельно сбрасывать скорость на участках с более жёстким ограничением и восстанавливать её, когда ограничение снято. Принимается во внимание также информация о погоде: если установлен знак «ограничение 40 км/ч в дождь», электроника предупредит о таком ограничении водителя и снизит скорость только во время дождя. Система контроля за знаками может учитывать также ограничения, действующие в течение определённого времени суток, и даже наличие прицепа-автодома: для оснащённых такими прицепами машин могут действовать свои ограничения.
Помощь водителю не сводится к оперативному управлению автомобилем: разгону, торможению, удержанию на полосе, перестроениям и парковке. Электроника взяла на себя и более глобальную задачу — составление маршрута, и сейчас спутниковая навигация в машинах кажется абсолютно привычным делом. Первым автомобилем с GPS-навигацией стала «Мазда Эунос Космо» (Mazda Eunos Cosmo), вышедшая в 1990 году.
Любопытно, что геопозиционирование в автомобилях появилась заметно раньше, причём спутники не использовались вовсе. Первая коммерческая система геопозиционирования, получившая название Electro Gyrocator, была разработана «Хондой» в сотрудничестве с «Алпайн» (Alpine Electronics, アルパイン株式会社) и рядом других компаний, и как следует из названия, использовала для определения местоположения гироскоп. Перед поездкой водитель доставал из альбома прозрачный лист с картой местности, отмечал на ней конечную точку пути и устанавливал карту в устройство так, чтобы светящаяся точка указывала на текущее местоположение. Маршрут приходилось составлять самостоятельно.
Система устанавливалась на автомобили «Хонда Аккорд» (Honda Accord) и «Хонда Вигор» (Honda Vigor) в 1981 году, но не снискала большой популярности. Цена составила 300 000 иен (около 2700 долларов США), что увеличивало стоимость машины примерно на четверть.
Что дальше?
Таким был путь, которым технология самоуправляемых автомобилей подошла к сегодняшнему дню. В настоящее время работу над машинами, способными ездить самостоятельно, ведут десятки автомобильных компаний, от признанных мировых лидеров до таких заводов, как ГАЗ и КамАЗ. К ним спешат присоединиться монстры IT-индустрии, желающие передела рынка.
Что происходит в этой области прямо сейчас? Какие планы у автомобильных брендов и на что надеются новые игроки? Что мешает вывести самоуправляемые автомобили на улицы немедленно, и действительно ли они безопасны? Заглянуть в будущее всегда интереснее, чем узнать прошлое. Но ответы на эти вопросы — тема отдельной статьи.
