Кто придумал автопилот для авто
Наше автономное будущее: как появились беспилотные авто (9 фото + 1 видео)
Большинство современных автомобилей, если не рассматривать бюджетный сегмент, уже умеют ездить сами. Они держатся в полосе, тормозят при первой опасности, некоторые могут без помощи человека найти место на парковке и заехать туда. Главный фактор, пока еще сдерживающий автопроизводителей, — отсутствие законодательной базы. Проще говоря, пока не ясно, кто будет виноват в случае аварии. И пока не будет создан прецедент, водителям придется не просто сидеть за рулем, а еще и периодически доказывать машине, что он жив, здоров и способен контролировать ситуацию.
Первые попытки избавиться от шофёра были зарегистрированы еще в далеком 1925 году в США. Изобретатель Фрэнсис Гудина продемонстрировал первый автомобиль, который мог сам завести мотор и переключать передачи, поворачивать руль и даже гудеть. Демонстрационные заезды состоялись в Нью-Йорке, на Манхэттане. Газеты написали, что было впечатление, что машиной управлял призрак. Простые наблюдатели, не посвященные в суть эксперимента, и правда были поражены — открытый Chandler модели 1925 года ехал по мостовой, а за рулем никого не было! Некий намёк на то, что это не совсем простой кабриолет, все-таки имелся: за передним диваном была закреплена огромная ромбовидная железная рама-антенна. Но в 1925 году люди не были так осведомлены об электронике, поэтому на этот конструктивный элемент мало кто обратил внимание. Сам же виновник переполоха, господин Гудина, управлял «призраком водителя» по радиоканалу из седана с закрытым кузовом, ехавшего следом. Фактически, это был не беспилотник, а полномасштабная радиоуправляемая модель, но начало гонки за полной автономностью было положено. Увы, практического применения система Фрэнсиса Гудины не нашла. Пару раз его изобретение использовали в качестве аттракциона, но никто из автогигантов на эксперимент не обратил внимания.
В 1939 году в Нью-Йорке проходила Всемирная выставка, и один из павильонов был подготовлен с участием специалистов из General Motors и известного дизайнера Нормана Бел Геддеса. Речь идет о нашумевшей «Футураме». Кстати, именно в честь нее назван известный мультсериал Мэтта Гронинга. Тот павильон вошел в историю, как один из самых посещаемых — всего было продано около 5 миллионов билетов.
Газотурбинный Pontiac Firebird
Следующая попытка создать беспилотный автомобиль, датирована уже 1953 годом. Американская компания RCA построила миниатюрную модель, которая перемещалась по проводам, проложенным под асфальтом (руководил проектом инженер Лиланд Хэнкок). А уже в 1954 году были построены настоящие участки дороги на 77-м шоссе в Небраске, а за подготовку автомобилей, которые могли принимать сигнал от проводов, снова взялись специалисты из GM. Проект получил самую серьезную поддержку, и вплоть до 1960 года в разных штатах были построены несколько полигонов, где испытывали эту технологию.
Краткая история автопилота
Автопилот – это устройство или программно-аппаратный комплекс, который может вести вверенное ему транспортное средство по заданной траектории. История автопилота началась с поддержания определённого курса полёта, но со временем развитие технологии позволило сделать самолёты, которые могут сами садиться и взлетать, поезда, которые ездят без участия машиниста, и робоавтомобили, которые уже скоро могут стать обычным делом на дорогах общего пользования.
Кадр из фильма «Аэроплан»
Летательные аппараты
Первая разработка в области автоматизации управления самолётом была сделана в США в 1912 году компанией Sperry Corporation. Автопилот помогал автоматически удерживать курс полёта и стабилизировать крен. Гидравлический привод с блоком, получающий сигналы от гирокопаса и высотомера, был связан с рулями высоты и управления. Устройство назвали «гироскопическим стабилизирующим аппаратом», его впервые установили на самолёт Curtiss C-2 и показали на выставке во Франции 18 июня 1914 года.
В рамках демонстрации во время полёта оба пилота вылезли на крылья самолёта, чтобы показать способность летательного аппарата и продолжать полёт без ручного управления.
В СССР к теме автопилотов проявлялся большой интерес, о чём говорит издание «Основы теории автоматического пилотирования и автопилоты. Сборник статей». В книгу вошли переведённые статьи «Общая теория автоматического регулирования», «Автопилот Сименса для самолетов», «Гиропилот Сперри» и другие, описаны принципы автоматического пилотирования и конструкции автопилотов. Ознакомиться с книгой можно на одном известном ресурсе, который уже второй месяц пытаются заблокировать на территории России.
Применение автопилота необходимо не только для того, чтобы снизить нагрузку на живого человека во время управления, но и для управления торпедами и ракетами, когда пилота внутри них нет и не может быть (исключение есть — тип японских торпед под названием кайтэн, которыми управляли смертники).
В 1947 году американский военно-транспортный самолёт Douglas C-54 Skymaster, построенный на базе пассажирского DC-4, перелетел через Атлантический океан под управлением автопилота. И взлёт, и посадка были осуществлены в автоматическом режиме.
Douglas C-54
Смысл автопилота состоит в том, чтобы система поддерживала правильную ориентацию аппарата. В случае с самолётом ориентация в пространстве определяется тремя углами. Это угол тангажа — угол между продольной осью летательного аппарата и горизонтальной плоскостью, угол рыскания — угол поворота корпуса в горизонтальной плоскости, и угол крена — он возникает при повороте самолёта вокруг продольной оси.
Для сохранения ориентации необходимо её определить, и в этом помог гироскоп. Американский лётчик Элмер Сперри использовал его, чтобы сначала просто стабилизировать самолёт, а затем и создать автопилот в начале 1920-х годов. Если первый автопилот мог сохранять заданный режим полёта, то последующие системы управляли рулями и двигателями самолёта и могли не только летать без участия лётчика, но и взлетать и садиться.
Тангаж, рыскание и крен
Отличный пример раннего автопилота — немецкая баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2», которую в конце Второй мировой войны принял на вооружение Вермахт. Ракета взлетала вертикально, после чего в действие вступала автономная гироскопическая система управления.
Но чрезмерное увлечение автопилотом привело к тому, что пилоты гражданской авиации в США стали допускать ошибки при ручном управлении. Они слишком полагаются на автоматику, и в результате исследований показывают неудовлетворительные результаты проверки лётных навыков. Это приводит к человеческим жертвам. Похожая проблема с автоматикой есть у офицеров военных кораблей флота США, они применяют GPS, но мало кто из курсантов умеет обращаться с секстантом.
И, конечно, существует огромное количество мультикоптеров и дронов других типов, которые способны работать как под управлением оператора-пилота, так и самостоятельно и при взаимодействии с другими аппаратами.
Рельсовый транспорт
В 1967 году в столице Великобритании открыли линию Лондон Виктория. Это была первая линия, на которой поезда управлялись с помощью системы Automatic Train Operation. После этого технологию ATO развивают, чтобы поезда могли ездить абсолютно без участия живых водителей в кабине или сотрудников на борту.
Королева Елизавета в поезде на линии Лондон Виктория, 1969 год
Разделяют четыре уровня «развитости» автоматизированных систем для рельсового транспорта. Одна из самых простых систем — это ATO в лондонской подземке, а самая сложная — в метро Копенгагена, где поезда движутся постоянно без водителей, сами открывают и закрывают двери, оперативно реагируют в экстренных случаях на, например, людей на рельсах. Кабины машиниста нет вовсе, и пассажиры наблюдают за движением через лобовое стекло. В центре управления работают всего пять операторов в смену, которые могут вмешаться в работу в экстренной ситуации, но по большей части контролируют работоспособность систем. Автоматика позволила перейти на круглосуточный режим работы, и метрополитен закрывается на одну ночь шесть раз в год для проведения капитального ремонта.
В 2016 году в Москве запустят три автоматических поезда на Кольцевой линии метро. Система будет отправлять поезда со станции после закрытия машинистами дверей и вести поезд по перегону с соблюдением графика. Важно при этом обеспечить безопасность не только пассажиров, но и людей, которые незаконно проникают в тоннели московского метро — за год происходит около восьмисот таких случаев, хотя благодаря введению интеллектуальной системы защиты, отслеживающих посторонних, количество таких случаев снижается. В любом случае в кабине будет нужен живой машинист.
Автомобили
Трендом нескольких лет подряд являются беспилотные автомобили. Началось всё гораздо раньше, с создания первого круиз-контроля, который также называют «автоспид» и «автодрайв». Всё, что он делает — это поддерживает постоянную скорость автомобиля, прибавляя газ при снижении скорости и уменьшая при увеличении, самостоятельно подтормаживает на спусках. Такие системы массово начали ставить на автомобили в 1970-х годах в США — благодаря наличию в стране длинных автомагистралей.
Изобрели их раньше — в 1940-1950-е годы в тех же штатах, компания American Motors. Их блок управления скоростью был предназначен для крупных авто с автоматической коробкой передач. В России впервые подобной системой оснастили ГАЗ-21 в 1956 году. «Ручной газ» работал так: во время движения нужно было вытянуть рукоятку, после чего можно убирать ногу с педали газа.
Адаптивный круиз-контроль поддерживает переменную скорость движения, подстраиваясь под среднюю скорость в потоке и постоянно соблюдая дистанцию между автомобилем и впереди идущим транспотным средством. Впервые эти системы стали ставить в конце 1990-х Mercedes-Benz, BMW и Toyota. Для адаптивной системы необходимо наличие исправных ABS и ESP, иначе система не будет работать.
Многие компании сейчас продолжают улучшать существующие технологии с целью сделать полностью автономные автомобили. В 2011 году Google пролоббировала закон штата Невада для того, чтобы на дорогах общего пользования можно было использовать беспилотные автомобили. В мае 2012 компания получила лицензию на беспилотники в Неваде, а в сентябре того же года власти Калифорнии легализовали авто с функцией автопилота. Подобные автомобили в теории способны сэкономить сотни миллиардов долларов в год, но не все видят в беспилотных автомобилях будущее — например, глава сервиса заказа такси Lyft от такого будущего открещивается.
В декабре 2014 года Google представила первую готовую версию автомобиля. До этого компания показывала макет с неработающими фарами. В Google уверены, что робомобили появятся на дорогах уже через два-пять лет.
Кроме Google над беспилотными автомобилями работает ряд крупных автопроизводителей. Например администрация шведского Гётеборга заказала у Volvo Cars сотню беспилотных автомобилей к 2017 году на сумму 56,3 миллиона евро. Беспилотные такси в стране планируют запустить власти Японии. Nissan хочет начать продажи беспилотных авто к 2020 году. Прототипы уже есть у Audi и Toyota, Tesla уже внедрила функцию автопилота в Model S, а Ford начал учить свои автомобили ездить в снегопад без участия водителя.
Для проверки ориентации автомобиля в пространстве, соблюдения знаков и определения участников дорожного движения автономный автомобиль использует массу поступающей информации. Это данные с установленного лидара — у Ford их сразу четыре, информация с камер и различных датчиков. Компьютер для автономных автомобилей разработала Nvidia.
Компании BMW, Honda, Volkswagen, Tesla и GM работают совместно с Mobileye — эта версия автопилота использует мобильный интернет и сенсоры, которые уже установлены на многих автомобилях. Mobileye разрабатывает системы безопасности для предотвращения столкновений. Осталось только научить беспилотные автомобили решать этические вопросы — например, как вести себя, когда авария с человеческими жертвами неизбежна, кем при этом нужно пожертвовать.
Над беспилотным грузовиком, способным передвигаться по российским дорогам и преодолевать, предварительно распознавая, неожиданные проломы и пробоины в асфальте сейчас работает «Камаз». В то время как с легковыми авто работают множество автопроизводителей, грузовиками занимаются единицы.
Так работает функция «Summon» в автомобиле Tesla Model S. Интересно, насколько удобно при развитии технологии в будущем в зоне погрузки Ikea «призвать» автомобиль, чтобы загрузить в него покупки.
Краткая история развития беспилотных автомобилей
В последнее время буквально каждый день выходит новость, так или иначе, связанная с беспилотными автомобилями. Все крупные автоконцерны активно занимаются разработками робомобилей и технологий для них. У многих людей может возникнуть ложное мнение, что история развития беспилотных транспортных средств берет свое начало в XXI веке. Однако мало кто знает, что первые попытки создания полностью автономного автомобиля были предприняты еще в 1980 году. Например, если зайти в архив статей The New York Times, то по запросу «unmanned vehicles», появится большое количество материала 15 летней давности.
Существуют разные данные, когда точно появились первые полностью автономные транспортные средства. Фактом остается то, что изначально все подобные разработки создавались для военных целей. В начале XX века стали вестись первые исследования в области беспилотных летательных аппаратов. Еще 1916 году Арчибальдом Лоу был создан первый дрон — самолет на радиоуправлении. Во время Первой мировой войны уже активно применялись воздушные торпеды и самоходные немецкие мины.
Впрочем, до середины XX века разработки в области беспилотных технологий носили скорее экспериментальный, чем практический характер, и, так или иначе, без непосредственного участия человека ни одна модель не обходилась. Беспилотные автомобили, как и летающие дроны, вначале были обычными прототипами на дистанционном управлении, и лишь постепенно становились автономными.
От научных экспериментов до робомобилей Google
Первые эксперименты по созданию беспилотной машины датируются началом 1960-х годов. В 1961 году студент Стэнфордского университета Джеймс Адамс в рамках своей научной работы создал прототип самоуправляемой тележки, более известной, как «Стэнфордская тележка».
Самая первая модель управлялась посредством передачи сигнала через кабель. Второй прототип Адамс уже сделал радиоуправляемым. В 1970-х годах математик Джон Маккарти усовершенствовал тележку, оснастив ее системой технического зрения, с помощью которого устройство могло частично автономно двигаться, ориентируясь на белую линию. Тележка также имела несколько камер, дальномер и четыре канала для сбора информации. Более того Маккарти были предприняты попытки создания трехмерного картографирования окружающей обстановки.
В последующие годы основные усилия инженеров в основном были направлены на разработку уже полностью автономного, а не дистанционного управляемого транспорта. На начальных этапах наибольших успехов добились ученые из США, Японии и Германии. Так, по утверждениям независимых экспертов, первый полностью автономный автомобиль удалось создать группе немецких исследователей под руководством пионера робототехники Эрнста Дикманса в 1980 году.
В середине 1990-х годов большой толчок к развитию беспилотных автомобилей дал прорыв в области искусственного интеллекта, нейронных сетей и машинного обучения. В 2004 году прошло первое в мире соревнование с участием роботов-автомобилей DARPA Grand Challenge, а еще спустя шесть лет Google протестировала свои первые робомобили. После этого идею создания беспилотных автомобилей подхватило большинство крупных автомобильных компаний. В настоящее время наиболее крупными игроками в этой сфере являются компании General Motors, Volkswagen, Audi, BMW, Volvo, Nissan, Google, Tesla Motors и другие.
Итоги и перспективы
Как можно наблюдать, большинство технологий, применяемых в современных беспилотных автомобилях (радары, лидары, различные датчики, системы спутниковой навигации, бортовые компьютеры, камеры и т.д.), были созданы еще более 20 лет назад. Тогда почему беспилотные автомобили до сих пор плотно не вошли в нашу жизнь? По сути, на этот вопрос ответил тот же Дикманс в одной из своих работ. Он сказал, что для того, чтобы робомобиль научился делать все то, что умеет делать профессиональный водитель, ему нужно научиться обрабатывать огромный объем информации и адекватно ее применять в сложной дорожной обстановке.
Поэтому, как полагают ученые, чем дольше автомобиль будет находиться в движении, тем он в большей мере будет получать и применять необходимую информацию. Например, в автомобиль Google перед поездкой заранее устанавливаются карты с маршрутами. Но что делать, если автомобилю придется передвигаться по незнакомым маршрутам? В компании пока не могут дать четкий ответ на этот вопрос. На помощь этой и не только проблеме пришли технологии больших данных, с помощью которых беспилотный автомобиль будет получать, и передавать большие объемы актуальной информации. Кроме того, для нормального функционирования робомобилей требуется существенно изменить дорожную инфраструктуру.
Несмотря на все сложности в интеграции беспилотных автомобилей в современную жизнь, существует одно большое преимущество, которое оправдывает все усилия и финансовые затраты. По официальным данным, в дорожно-транспортных происшествиях ежегодно погибает 1,3 млн. человек. Если в ближайшее десятилетие, доля беспилотных автомобилей составит хотя бы 10%, ежедневно удастся избежать тысяч смертей.
История беспилотных автомобилей
Прошлое беспилотных автомобилей не менее интересно, чем их будущее. Сегодня вопрос господства беспилотов на дорогах уже не обсуждается – он давно решен. Но еще каких-то 40-50 лет назад о том, чтобы передать управление транспортным средством роботу, не могло быть и речи. Эти идеи казались утопическими для всех, кроме пионеров беспилотного автопрома.
Как все начиналось
Все началось еще в далеких 30-х годах ХХ века, когда инженерам компании General Motors пришли на ум две гениальные для того времени идеи.
И хотя идеи были встречены скептически, они дали мощный толчок для развития технологий в нужном направлении.
Уже в 50-х технологи General Motors протестировали «умный» автомобиль Firebird II, который кроме новой системы торможения имел магнитные датчики и взаимодействовал с «умной» дорогой (с электро-кабелем под асфальтом). Версия №3 этого концепт-кара оснащалась первой системой автопилота, которая известна сегодня в качестве круиз-контроля. Эта система отвечала за удерживание постоянной скорости и значительно облегчала задачи водителя на дороге. Но до автопилота было еще далеко.
Первые беспилотные эксперименты
В историю беспилотных авто вошел 1961 год, когда учащийся Стэнфорда Джеймс Адамс создал и протестировал первую самоуправляемую тележку. Она управлялась обычным сигналом, посредством кабеля. Но уже второй прототип Стэнфордской тележки был радиоуправляемым.
Этот эксперимент не прошел незамеченным и в 1970-х годах известный ученый-практик Дж. Маккарти внес свои корректировки в устройство тележки, модернизировал ее с помощью системы технологического зрения. Теперь тележка могла передвигаться самостоятельно и ориентироваться при этом на линию белого цвета. Прототип также оснастили дальномером, видеокамерами и 4-мя каналами для сбора данных. Но и этого оказалось мало пытливому уму Маккарти – еще в 70-х он попытался создать трехмерное картографирование местности.
После успехов Маккарти усилия инженеров были брошены на создание 100% автономного транспорта без дистанционного управления. Ученые США и Японии добились значительных успехов, однако настоящий прорыв совершили немецкие исследователи во главе с Эрнстом Дикмансом.
«Умная» машина Дикманса
Это звание присуждается автоматизированному Mercedes-Benz Vario. Внушительные размеры этого фургона позволили поместить огромную компьютерную систему, и силиконовый мозг стал управлять передвижением 5-ти тонного железного монстра. Первый беспилотник Дикманса стал прототипом современных робокаров – здесь впервые были применены вычислительные механизмы и система имитации движения глаз. Эти инновации позволили сформировать модель обучения автомобиля, который самостоятельно оценивает ситуацию и принимает решения.
Автоконцерн Daimler-Benz обратил пристальное внимание на разработки Дикманса и запустил проект «Прометей», основной целью которого было усовершенствование беспилотников и достижение беспрецедентной безопасности на дорогах. Проект взял старт в 1987 году и за время его существования (8 лет) было потрачено больше 1 млрд долларов. «Прометей» вошел в историю как самый дорогой проект в сфере разработок робокаров ХХ века. Однако инвестиции были потрачены не зря.
Результатами проекта «Прометей» и разработками Дикманса воспользовались для серийного производства Mersedes-ов S-класса 1995 года. Эти машины были оснащены более продвинутой системой круиз-контроля, которая позволяла адаптироваться к средней скорости автомобильного потока и не нарушать дистанцию между авто.
Беспилотное настоящее
Перспективы беспилотного транспорта
О том, что искусственный интеллект отберет право у человека на вождение, говорят много и достаточно громко. Сегодня беспилотники признаны самым безопасным способом передвижения, а завтра они станут единственным выбором для человечества. Пройдет 10-20 лет и их господство станет тотальным.