История беспилотных автомобилей

Обещание беспилотных автомобилей сделать наши перевозки более безопасными, удобными и эффективными, безусловно, чрезвычайно привлекательно. Больше не нужно было бы концентрироваться на вождении, и у нас было бы больше времени для других занятий. Но множество других причин оправдывают исследования и разработки беспилотных технологий. Некоторые примеры включают в себя повышение производительности и доступности транспорта, обеспечение доступа к транспорту для людей с ограниченными возможностями, снижение загрязнения и выбросов выхлопных газов на 66 % и многое другое⁶.

Мечта об автономном вождении, вероятно, так же стара, как и сам автомобиль, но полная автономия по-прежнему остается одной из главных задач компьютерных наук и инженерии. В этой статье мы рассмотрим историческую подоплеку развития беспилотных автомобилей и многочисленные неудачи, высветившие проблемы автономного вождения.

Начало автомобильной промышленности

Хотя мы можем говорить о первых автомобилях вплоть до 18-го века, первой значимой вехой для целей этой статьи является 1886 год. В том же году Карл Бенц разработал первый автомобиль с бензиновым двигателем и двигателем внутреннего сгорания — «Бенц Патент-Моторваген Номер 1»⁸.
В 1908 году Ford Motor Company представила Ford Model T — первый автомобиль, серийно производившийся на движущемся конвейере⁴. Естественно, все эти автомобили и модели, представленные в последующие десятилетия, управлялись исключительно человеком-водителем.

Первые автономные шаги

Первая попытка автономного вождения была предпринята в 1925 году компанией Houdina Radio Control с «Американским чудом» — радиоуправляемым автомобилем, проезжающим через плотное движение на улицах Нью-Йорка. Технически этот автомобиль был без водителя, но им по-прежнему полностью управлял оператор в другой машине, следующей за автомобилем. Таким образом, несмотря на то, что это стало важным шагом на пути к созданию беспилотных автомобилей, это все еще далеко от того, что мы считаем полностью автономным вождением.

В течение следующих нескольких десятилетий другие следовали аналогичной идее простого управления автомобилем с помощью внешнего контроллера. Популярным подходом было встраивание в проезжую часть своего рода навигационной схемы. Первый образец такой системы наведения был выставлен на Всемирной выставке 1939 года, спонсируемой General Motors — их прототип управлялся с помощью магнитных тросов, встроенных прямо в дорожное полотно. Эта идея была продолжена многими исследователями, в т.ч. Лаборатории RCA на протяжении 1950-х годов прошли путь от управления миниатюрным автомобилем с помощью проводов, проложенных на полу лаборатории в 1953 году, до полноразмерных демонстраций в 1957 и 1960 годах.

В 1950-х и 1960-х годах GM продемонстрировала серию экспериментальных автомобилей под названием «Жар-птицы», которые, по описанию, имели «электронную систему управления, [которая] может мчаться по автомагистрали, пока водитель расслабляется».

Подобные эксперименты проводились в 1960-х годах в британской Лаборатории транспортных и дорожных исследований с Citroen DS19, представленным в 1970 году. Он мог пройти испытательный трек со скоростью 80 миль в час и, как ожидалось, предотвратил около 40 % аварий. , если бы развитие продолжилось. Это была одна из последних вех в технологии, основанной на инфраструктуре кабелей, встроенных в дорогу, поскольку финансирование этих экспериментов было прекращено к середине 1970-х годов, после чего были проведены предварительные исследования интеллектуальных систем. Университет штата Иллинойс.

На пути к реальной автономии

В течение 1980-х годов первые навигационные системы на основе машинного зрения были реализованы в трех крупных проектах. Первым транспортным средством, в котором использовалась эта технология, был проект Navlab Университета Карнеги-Меллона¹³, разработанный в период с 1986 по 1995 год. В последней итерации сообщалось о 98-процентной автономности на 2850 миль по США.
Вторым примером был роботизированный фургон Mercedes-Benz, который развивал скорость почти 60 миль в час на улицах без движения¹⁰. Впоследствии организация EUREKA провела крупнейший в истории проект RD в области беспилотных автомобилей, предоставив финансирование в размере 749 000 000 на проект Prometheus с 1987 по 1995 год³. Проект продемонстрировал несколько компонентов автономного вождения, таких как предотвращение столкновений, поддержка удержания полосы движения, а также системы информации о поездках и дорожном движении.
Другим примером того же десятилетия был ALV, или ALVINN (автономное наземное транспортное средство в нейронной сети)⁵, финансируемый DARPA и разработанный в 1988 году. дорожные изображения по командам транспортных средств, движущихся со скоростью до 19 миль в четыре.

Технологическая революция

В то время как развитие автономных транспортных средств постепенно прогрессировало по мере того, как системы становились все лучше и лучше, существуют три волны «технологической революции», которые имели особое значение для этой области.

Первая волна — навигационные системы и вызов DARPA

Первая волна была сосредоточена на использовании новых навигационных технологий, а именно глобальной системы позиционирования (GPS) и инерциальных измерительных блоков (IMU), разработанных на рубеже веков. Благодаря GPS автономные системы вождения могли определять положение автомобиля с точностью до одного метра — хотя это было невероятное достижение, этого было недостаточно для точного вождения и навигации в условиях дорожного движения. Это было улучшено с введением IMU, которые измеряют силы ускорения внутри автомобиля и повысили точность GPS-навигации до 5 см.

Открытые вызовы и крупные соревнования являются важными факторами для дальнейших инноваций во многих областях исследований — например, вызов ILSVRC⁹, призванный стимулировать разработку и исследование методов распознавания изображений. Эквивалентом в области автономного вождения был Grand Challenge Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) в 2004 году. Первое соревнование проходило в районе пустыни Мохаве в США, и задача состояла в том, чтобы пройти 150-мильный маршрут. За первое место был предложен приз в один миллион долларов; однако ни одна из участвующих команд не завершила маршрут. Самое дальнее расстояние преодолел Humvee CMU, проехав всего 7,32 мили, прежде чем застрял на скале после поворота назад. Поэтому на следующий год был запланирован второй DARPA Grand Challenge — на этот раз пять команд сумели пройти маршрут автономно до конца.

Вторая волна — технические гиганты вступают в бой

С годами качество датчиков, используемых в транспортных средствах, резко улучшилось, а системы технического зрения стали все более и более популярными. Примерно в 2006 году были разработаны более совершенные системы LIDAR, значительно улучшены системы камер, и были представлены первые методы точной трехмерной реконструкции, которые помогли распознавать и находить препятствия. Эти технологии значительно продвинули исследования в области автономного вождения, и вскоре в эту область вошли крупные технологические компании. Например, в 2009 году Google начала тайно разрабатывать свой прототип под названием «Waymo». К 2015 году они сообщили об инвестициях в исследования и разработки в размере 1 миллиарда долларов. Недавно они также опубликовали масштабную реконструкцию Сан-Франциско из 2,8 миллиона фотографий с использованием техники, основанной на полях нейронного излучения (NeRF)¹¹. По сравнению с предыдущими методами крупномасштабной реконструкции Waymo добился превосходных результатов.

Многие крупные производители автомобилей, такие как GM, Ford, Audi, BMW, …, работают над беспилотными автомобильными системами с 2005 года. VisLab Intercontinental Autonomous Challenge (VIAC), автономно следуя за движущейся впереди машиной-поводырем. Были проведены дополнительные эксперименты на небольших геозонах с реальным трафиком, например, проект Stadtpilot, разработанный Брауншвейгским техническим университетом в 2010 году⁷. В том же году были подняты первые опасения, связанные с законами и этическими нормами — в частности, поверенный Департамента транспортных средств Калифорнии сказал, что «технология опережает закон во многих областях», ссылаясь на закон штата требует, чтобы транспортные средства постоянно находились под управлением человека¹².

Третья волна — технологическая революция

Следующей важной вехой развития, которую можно считать третьей волной технологической революции, стал 2012 год. С развитием методов машинного обучения, репрезентативного обучения и глубокого обучения самоуправляемые системы становились все более и более точными. Новые конкурсы и тесты позволили сравнивать различные технологии и методы единым образом, что дало стимул многим исследовательским группам продолжать разработку новых методов.

В 2014 году Mercedes-Benz представил свою модель S-класса, оснащенную такими функциями, как автоматическое удержание полосы движения, автономное рулевое управление, ускорение и торможение, а также предотвращение столкновений на высоких скоростях. В том же году Общество автомобильных инженеров (SAE) опубликовало таксономию, сравнивающую различные уровни технологий автономного вождения, создав пять категорий автономии¹¹. Согласно этой системе, S-класс достиг уровня автономии 2.

Самоуправляемая индустрия сегодня

Растущее участие крупных компаний в разработке определенных компонентов или полных систем для беспилотных автомобилей вскоре сформировало целую отрасль. Многие крупные компании, такие как Uber и Tesla, в 2015 и 2016 годах создали целые исследовательские отделы, наняв множество ученых и инженеров. К сожалению, разработка снова была отмечена неудачами, особенно в 2016 и 2018 годах, из-за двух аварий с участием автомобилей Tesla со смертельным исходом, что вызвало юридические вопросы и снизило доверие к технологии автономного вождения.

В 2017 году Audi объявила, что их новая модель A8 будет полностью автономной. В отличие от других автомобилей, не нужно будет проводить проверки безопасности, например касаться руля каждые 15 секунд. Если обратиться к таблице уровней автономии, это будет означать автономию уровня 3. Однако полностью система так и не была реализована, и в 2020 году Audi объявила, что систему активировать не собираются².

В 2020-х Tesla выпустила бета-версию своей системы FSD для небольшой группы тестировщиков в США. Mercedes-Benz получил одобрение Германии на автономную систему уровня 3, ориентированную на удержание полосы движения. Позже они запустили продажи своей системы Drive Pilot в Германии для моделей S Class и EQS, работающих на уровне 3.

Краткое содержание

В этой статье обобщены основные вехи развития автономных транспортных средств. Как мы видели, самостоятельное вождение имеет долгую историю. Люди начали думать о том, как сделать автомобили автономными раньше, чем можно было подумать. В течение последних десятилетий эта технология продолжала совершенствоваться и становилась все более и более надежной, пока в 2019 году не был представлен первый автомобиль, реализующий автономию уровня 3 для автомагистралей. В гонке за все больше и больше автономных автомобилей сейчас много игроков, в том числе известных, и Tesla и Waymo, похоже, лидируют. Но автономия уровней 4 и 5 остается недостигнутой и крайне сложной для реализации. Кроме того, несколько неудач снизили доверие к самостоятельному вождению и выдвинули на первый план этические и юридические проблемы. Беспилотное вождение — сложная, но многообещающая технология, и ожидается, что в ближайшие десятилетия она будет приобретать все большее значение.