Автопилот в автомобиле

Создание машин с автопилотом является очень перспективным направлением автомобилестроения. Все крупные игроки рынка так или иначе задействованы в развитии данного сегмента. Разработки в этом направлении представлены корпорациями Tesla, General Motors, Ford, Mercedes Benz, Volkswagen, Honda, Audi, Nissan, Toyota, BMW, Volvo. Есть среди производителей и российские компании - Яндекс, НАМИ (ФГУП НАМИ). Кто-то интегрирует простейшие элементы автопилотирования, например, круиз-контроль, экстренное торможение, отслеживание движения в рамках полосы, в собственные серийные модели. Кто-то занимается разработкой инновационных машин высокой степени автономности, способных без помощи водителя совершать обгоны, перестроения между полосами, самостоятельно передвигаться в условиях пробки. 

Сегодня мы расскажем, что из себя представляет автопилот и беспилотный автомобиль, назовём существующие уровни автономности транспортных средств, обозначим причины, которые тормозят создание абсолютных беспилотников и массовое их внедрение на общедоступные дороги.

Что такое автопилот в автомобиле?

Автопилот представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий транспортному средству передвигаться по определённой, заранее обозначенной траектории, в идеале без участия человека. Автомобиль, оснащённый автопилотом, именуется в русскоязычном пространстве беспилотным. Изначально термином "автопилот" обозначали системы, выполняющие роль интеллектуального помощника водителя. Они были задуманы для снятия части нагрузки с человека, управляющего транспортным средством (ТС). При этом комплексной задачи управления машиной без участия живого человека перед ними никогда не ставилось. Человек мог позволить себе довериться им на сто процентов, но всегда был обязан присутствовать в машине в качестве контролирующего, несущего ответственность за принятие решений. Современным автономным системам больше бы подошло название "самоуправляемые", self-driving. Самоуправляемая машина может быть как полностью беспилотной, так и пилотируемой человеком. В русскоязычном пространстве автомобили с разной степенью автономности принято называть просто "беспилотными", что не является полностью корректным и рождает некую путаницу понятий. 

Принцип работы автопилотируемых ТС базируется на масштабном сборе информации о дорожной обстановке и последующем её анализе. На основе полученных данных электронный мозг машины формирует наиболее приемлемый в конкретной дорожной ситуации вариант действий. Затем этот алгоритм либо предлагается водителю для принятия окончательного решения в качестве рекомендованного, либо реализуется автомобилем самостоятельно. 

Отслеживать дорожную ситуацию беспилотнику помогают установленные на нём специальные камеры, радары, лидары и сенсоры. Камеры изначально обнаруживают объекты по пути следования авто. Радары фиксируют препятствия и определяют их удалённость. Лидары, постоянно крутящиеся на 360 градусов лазеры, распознают объекты ещё более чётко. Соответственно, и расстояния до них будут определены лидаром с минимальными погрешностями. Датчики пассивного и активного типа отслеживают звуковые и электромагнитные волны, отражающиеся от поверхности объектов, окружающих автомобиль. Данные, получаемые посредством множества разных источников, формируют комплексное изображение. Беспилотник не просто определяет локацию окружающих объектов, но и считывает скорость и направление их движения. На основе анализа данных искусственный интеллект (AI) создаёт полноразмерную модель обстановки, проводит оценку безопасности движения и предсказывает возможное движение других автомобилей в потоке. После чего начинается проработка и планирование наиболее подходящего алгоритма действий автомобиля. Исходя из последнего, системе управления ТС рекомендуются или непосредственно отдаются определённые команды.

Какие виды автономности существуют? В чём их различия?

Уровни автономности машин с автопилотом определены международной организацией SAE International (Сообщество автомобильных инженеров). Учитывать их обязаны все производители беспилотников, вне зависимости от своего статуса, известности и масштабности реализуемых проектов. На сегодняшний день таких уровней автономности выделено 6: 

Уровень 0  —  No Automation: автономность в привычном понимании этого термина в ТС отсутствует. Водителю машины приходится самостоятельно контролировать работу рулевого колеса, газа и тормоза. Минимальный набор "помощников" в машинах нулевого уровня включает антиблокировочную систему ABS, противобуксовочную систему ASR, распределитель тормозных усилий EBD, систему помощи при торможении BAS, парктроник. При этом все решения по управлению машиной водитель принимает лично, все действия выполняет самостоятельно; 

Уровень 1  —  Driver Assistance: привычный многим круиз-контроль, который помогает водителю грамотно набирать скорость и уверенно тормозить при необходимости. Управление рулём (например, в момент парковки), набор и сброс скорости производится системой под обязательным строгим контролем человека. Если говорить более простым языком, в ТС с первым уровнем автономности мы видим совместное управление автомобиля человеком и электроникой. При этом руки водитель всегда держит на руле.

Уровень 2  —  Partial Automation: система берёт на себя функции контроля ускорения и торможения ТС. При этом человек в обязательном порядке должен быть включён в ситуацию. В любой момент он должен быть готов перехватить управление умного автомобиля. "Руки можно убрать" - по такому принципу работает легендарная Tesla. Второму уровню автономности соответствуют устанавливаемые в автомобиль системы помощи водителю ADAS (Advanced driver-assistance systems). 

Уровень 3   —  Conditional Automation: автопилот способен полностью управлять движением машины, контролируя работу всех её систем. При этом программно-аппаратный комплекс оставляет за собой возможность экстренной передачи управления человеку. По сути, человек может и не следить за дорогой постоянно. Производители беспилотника Audi A8 2018 года выпуска утверждают, что данная модель полностью соответствует третьему уровню автономности. Но официальных обзоров и релизов, подтверждающих эту информацию, в распоряжении автоэкспертов до сих пор нет. 

Уровень 4   —  High Automation: автопилот, наделённый теми же функциями, что и система третьего уровня, но способный справляться с большим количеством сложных ситуаций на дороге. Находясь в машине, водитель может в принципе не держать и даже не подстраховывать руль. Ему позволительно отвлекаться от управления машиной на достаточно длительный период времени. Если произойдёт что-то, с чем устройство не сможет справиться самостоятельно, ТС будет аккуратно припарковано на обочине. Его владелец будет своевременно уведомлён о сложившейся критической ситуации. Беспилотники 4 уровня нуждаются в предоставлении НD-карт местности. С ними ТС сверяется во время передвижения, попутно самостоятельно сканируя местность радарами и лидарами. Попадая в локацию, не зафиксированную на имеющейся карте, автопилот либо автоматически отключается, либо снижает свою функциональность до 3 уровня автономности. О наличии в модельном ряде беспилотных автомобилей 4 уровня заявляют такие производители, как Waymo или Aptiv. 

Уровень 5  —  Full Automation: автономия, возведённая в абсолют. В таких ТС руль может отсутствовать в принципе, так как даже косвенного участия человека в управлении машиной не требуется. Решения в сложившихся дорожных ситуациях, какой бы сложности они не были, искусственный интеллект принимает самостоятельно. Машине не требуется заранее подготовленных карт, её мозг анализирует дорожную ситуацию в процессе движения. Истинно беспилотное ТС должно не только уметь принимать решения сообразно конкретной дорожной ситуации, но и, самое главное, нести ответственность за безопасность движения. К созданию такого автомобиля стремятся лучшие умы человечества, однако на сегодняшний день он остаётся недостижимым эталоном. Примера идеально работающего автопилота 5 уровня пока не существует.

Плюсы и минусы автопилотов

К неоспоримым плюсам применения беспилотников относится: 

• возможность перевозить грузы в условиях повышенной опасности, среди которых могут быть техногенные и природные катаклизмы или военные действия; 
• экономия материальных средств при транспортировке грузов за счёт отсутствия необходимости выплачивать водителям зарплату; 
• экономия времени за счёт отсутствия необходимости водителю соблюдать требования организации труда и отдыха; 
• снижение потребления топлива за счёт оптимизации режима и манеры вождения; 
• минимизация ДТП, а также заметное снижение человеческой смертности в них; 
• заметное сокращение пробок на дорогах; 
• максимально эффективный контроль транспортного потока.

Недостатками эксплуатации автопилотов признаются: 

• потеря человеком возможности самостоятельно управлять машиной, принимать собственные решения сообразно сложившейся дорожной ситуации; 
• утрата водителем ценного опыта управления ТС в критических дорожных ситуациях; 
• несовершенство и частый выход из строя программного обеспечения автопилотов; 
• потеря рабочих мест у людей, чья профессия была связана с вождением ТС; 
• неоднозначность этического выбора системы в экстренных дорожных ситуациях. Касаются они, например, вопроса о наиболее приемлемом числе жертв в случае неизбежного столкновения машины с препятствием.

Проблемы

Все автоконцерны, участвующие в активной гонке беспилотных технологий, в конечном итоге сталкиваются с одними и теми же проблемами. Они не позволяют лучшим инженерам и конструкторам создать 100% работающего решения, а потому и откладывают на неопределённый срок массовое внедрение автомобилей с автопилотом высшего уровня в жизнь людей. 

К числу главных сдерживающих факторов/проблем относятся:

Высокая стоимость лидара

Лидар представляет собой специальную установку, которая, постоянно поворачиваясь на 360∘, сканирует лазерным лучом окружающие автомобиль объекты. Мгновенно проведённый анализ позволяет системе максимально точно определить расстояние до каждой "затронутой" точки в пространстве. Стоимость одного лидара подчас превышает 0,5 млн. рублей. Для оснащения беспилотного автомобиля таких установок потребуется от двух до пяти. Заменить его более бюджетными системами, включающими в себя радары и камеры, не получится, так как уровень ориентации на местности в этом случае снизится в разы. Корректно вести ТС по заданной траектории без наличия полного спектра информации об окружающем пространстве автопилот не сможет в принципе. Решить проблему поможет разработка и внедрение в конструкцию более дешевого лидара или же использование в устройстве беспилотников твердотельного лидара, не способного совершать вращательные движения.

Искусственный интеллект (AI)

Алгоритмы работы искусственного интеллекта, являющегося без преувеличения "мозгом" беспилотного автомобиля, постоянно совершенствуются. Разработчики в постоянном режиме обучают автопилот максимально точно распознавать объекты, встречающиеся на его пути. Для этого в систему подгружаются невероятные по своему объёму базы данных. В идеале это должно свести к нулю ошибки AI в распознавании людей, животных, машин, дорожных знаков, светофоров, и в формировании адекватной ответной реакции на их появление в зоне видимости автомобиля. На практике же огрехов с распознаванием объектов у искусственного интеллекта ещё очень много, что подтверждает печальная статистика ДТП с их участием. 

Согласно отчёту Национального управления безопасности движения на трассах, в период с июля 2021 по май 2022 года на дорогах США произошло 392 ДТП с участием машин, в которых были активированы автопилоты разной степени автономности. На долю самоуправляемых автомобилей Tesla пришлось 273 инцидента, следующими в списке стоят бренды Honda и Subaru (90 и 10 случаев, соответственно). Самыми небезопасными беспилотниками, по мнению NHTSA, считаются модели Waymo. Ими было совершено 65 ДТП из 123 зафиксированных за указанный период. 

Важны здесь и вопросы этики. Например, каким окажется "осознанный выбор" системы, если на кону будет стоять сохранность автомобиля и жизнь человека (объекта из зоны видимости машины), предугадать до сих пор очень сложно.

Погодные условия

Практически все заявленные на авторынке беспилотники заметно снижают свою функциональность в условиях суровых погодных условий. Снегопад или сильный ливень буквально выбивает у них почву из-под ног. Это звучит неправдоподобно, но осадки мешают лучам лидара считывать пространство вокруг себя. Частицы воды буквально рассеивают лазерный луч, не давая ему достигнуть сканируемых объектов вокруг машины. Приятным исключением является детище университета MIT, который для своего уверенного передвижения во время сильного снега, например, научился использовать слепки дорожного полотна под кузовом.

Картография

Для полноценной работы беспилотника его необходимо обеспечить высокоточными HD-картами. На них, помимо привычных для GPS-формата географических ориентиров и объектов инфраструктуры, нанесены границы дорог, расположенные в пределах заданного радиуса дорожные знаки, актуальная дорожная разметка и пр. Всю эту информации "собирают", ездя по улицам, а потом переводят в цифровой вид специализированные картографические автомобили. Интенсивное развитие беспилотников способствовало и развитию гонки картографии. Собственные картографические авто, оснащённые камерами и лидарами, отправили изучать и "оцифровывать" мир такие корпорации, как Here, TomTom, DeepMap, lvl5, Carmera, Google, Яндекс и др.

Инфраструктура

Для обеспечения адекватной работы автопилотов среднего и высокого уровня автономности требуется новая дорожная инфраструктура. "Умная среда" должна стать пространством, позволяющим беспилотным автомобилям общаться как с дорожными объектами (знаками, светофорами, зонами парковки и пр.), так и с другими автопилотами. В идеале новая дорожная инфраструктура должна поддерживать следующие алгоритмы взаимодействия искусственного интеллекта: 

• V2V (vehicle-to-vehicle), в рамках которого беспилотники обмениваются информацией напрямую друг с другом; 
• V2I (vehicle-to-infrastructure), позволяющий объектам дорожной инфраструктуры отправлять данные о себе автомобилю. Тот самый случай, когда дорожный знак или автобусная остановка сами будут оповещать автомобиль о своём расположении по пути его следования;
• V2P (vehicle-to-pedestrian), в рамках которого автопилот может общаться с рандомным человеком на улице. Распознавание человека в череде других "дорожных объектов" производится AI путём обнаружения у него смартфона.  

Понятно, что создание подобной "умной среды" на сегодняшний день возможно лишь в условиях какого-то ограниченной дорожной зоны. Адаптировать общедоступное дорожное пространство, особенно учитывая масштабы нашей страны, под нужды беспилотников пока невозможно.

Доверие людей

Исследования, проводимые международным агентством новостей и финансовой информации Reuters и международной исследовательской компанией Ipsos, показали, что уровень доверия людей к беспилотным автомобилям пока ещё недостаточно высок. Комфортно и спокойно чувствовали себя внутри автомобиля с высоким уровнем автономности всего 17% женщин и 38% мужчин. Поэтому автоконцернам, занимающимся разработкой и запуском автопилотов, помимо "умных" дорог нужно будет завоёвывать и человеческие сердца.

Законодательное урегулирование

Одним из самых важных факторов, тормозящих активный переход к массовому использованию беспилотников, является отсутствие должной нормативной базы, определяющей технологические и юридические понятия в данной сфере. На сегодняшний день нет чёткого понимания, как грамотно регулировать использование автомобилей с автопилотом на дорогах, как и на кого накладывать ответственность в случае ДТП с их участием. Именно поэтому крупнейшие производители официально выпускают автомобили с заявленным вторым уровнем автономности, хотя конкурентные преимущества моделей подчас удивляют самых искушённых автолюбителей. Объясняется это тем, что продавать "продвинутые ассистенты", но никак не автопилоты, рядовым гражданам можно законно, большими партиями, не боясь сложностей с сертификацией и регулирующими органами.

Законодательное регулирование эксплуатации автопилотов на дорогах

Дальше всех в вопросе разработки и составления нормативных документов, регулирующих использование ТС с автопилотом на дорогах общего пользования, шагнули США. Первый свод законодательных актов, касающихся беспилотников, их полноценного тестирования, безопасной эксплуатации и страхования, появился в этой стране ещё в 2011 в штате Невада. На сегодняшний день условия передвижения беспилотных ТС разного уровня автономности закреплены в США законодательно. 

Совсем недавно, 29 июня 2021 года, NHTSA обязало автоконцерны, производящие самоуправляемые машины, предоставлять информацию обо всех случающихся ДТП с участием своих автопилотов (2-5 уровень автономности). Развёрнутый отчёт о происшествии должен быть отправлен в ведомство в течение суток с момента аварии. Подобные отчёты должны обновляться каждый месяц. За несвоевременную отправку документа производителям беспилотников придётся заплатить штраф, превышающий 20 000 долларов за каждый день просрочки. 

В августе 2022 года российский Минэкономразвития опубликовал свод правил эксплуатации беспилотных автомобилей. Затрагивают они как легковые, так и грузовые беспилотники. Действовать правила будут более, чем в 40 регионах страны. Документ устанавливает так называемый ЭПР (экспериментальный правовой режим) для эксплуатации самоуправляемых машин. Согласно ему, все ТС с автопилотом делятся на две большие группы: 

• транспортное средство, на водительском или переднем пассажирском месте которого постоянно находится водитель-испытатель; 
• транспортное средство, перемещающееся в полностью автономном режиме. Контроль над его движением удалённо выполняется оператором. 

Обязательным теперь считается оснащение беспилотника камерами, работающими в постоянном режиме и фиксирующими не только окружающую автомобиль дорожную ситуацию, но и действия водителя-испытателя. 

В документе прописаны моменты, касающиеся возможного попадания машин с автопилотом в ДТП. Каждый субъект ЭПР, решивший эксплуатировать самоуправляемое ТС, обязан застраховать его минимум на 10 млн. рублей. Любая авария с участником беспилотника обязана быть оформлена сотрудниками ГИБДД в строгом соответствии с ПДД. 

Площадками для тестирования беспилотных автомобилей в России выступают два города федерального значения (Москва и Санкт-Петербург) и 11 регионов страны. В число последних входят Московская, Владимирская, Самарская, Нижегородская, Новгородская и Ленинградская области, Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий автономный округа, Краснодарский край, Чувашия и Татарстан. 

Утверждение ЭПР сделало возможным использование беспилотных автомобилей в качестве такси. Экспериментальной зоной для тестирования был выбран городской район Ясенево в Москве. Беспилотные такси «Яндекс» здесь свободно курсируют между станциями метро «Ясенево», «Новоясеневская» и «Битцевский парк». 

Тестовая обкатка самоуправляемых автомобилей с водителем-испытателем в салоне разрешена также в городе Иннополис (Республика Татарстан) и на федеральной территории Сириус (Краснодарский край). Полностью беспилотные авто могут проходить испытания только на закрытых территориях Иннополиса и инновационного центра «Сколково». 

С 1 января 2023 года на территории России вступили в силу ГОСТы для беспилотных автомобилей с искусственным интеллектом, утверждённые Росстандарт ещё в конце прошлого года. Затрагивают они широкий спектр вопросов, от закрепления терминологии для документации и литературы, касающейся искусственного интеллекта на транспорте, до актуальных требований к алгоритмам обнаружения AI дорожных объектов, к работе системы прогнозирования и т.д.

Заключение

Автомобиль, оснащённый автопилотом, именуется в русскоязычном пространстве беспилотным. Хотя более корректным было бы назвать его самоуправляемым. Потому что последний может иметь как водителя-испытателя, так и работать полностью автономно. 

Беспилотник собирает информацию об окружающих объектах посредством камер, радаров, лидаров и сенсорных датчиков. Подробный анализ полученных данных позволяет не только воссоздать в автомобильном компьютере актуальную дорожную информацию, но и оценить безопасность движения ТС. Следующим шагом становится проработка и планирование поведения автомобиля. Алгоритм действия либо преподносится водителю в качестве рекомендуемого, либо реализуется искусственным интеллектом самостоятельно. 

Выделяют шесть уровней автономности машин с автопилотом - от полного её отсутствия до автономии на 100%, когда присутствия человека в момент передвижения по заданной заранее траектории не требуется вовсе. Машина сама принимает решение, сама выполняет, основанные на нём действия. Однако, ответственность за безопасность движения ТС в конечном итоге всё равно накладывается на человека. Да и полностью полагаться на логику, точность и этичность действий машины, не находящейся под управлением или контролем человека, не всегда корректно. Именно поэтому примера работающего автопилота 5 уровня автономности до сих пор не существует. 

Созданию и активному внедрению в жизнь людей автопилотов 5 уровня, помимо вопросов, касающихся искусственного интеллекта, мешает также высокая стоимость лидаров, неспособность беспилотников корректно функционировать в экстремальных погодных условия, необходимость создания специальных HD-карт, отсутствие в городах и странах умной инфраструктуры, проблемы с законодательным регулированием эксплуатации беспилотников и отсутствие доверия к ним у людей.