ماشین‌های خودران چگونه کار می‌کنند؟

هنگام نشستن ما انسان‌ها روی صندلی راننده، هم‌زمان با مشاهده محیط دوروبر اطلاعاتی را از محیط پیرامون به عنوان ورودی دریافت و آن‌ها را به منظور تصمیم‌گیری در مورد جهت چرخش فرمان و زمان ترمز گرفتن، پردازش می‌کنیم. یک ماشین خودران معمولا با دستگاه GPS، یک سیستم ناوبری اینرسی و طیف وسیعی از حسگرها تجهیز شده است. این ماشین‌ها اطلاعات مربوط به موقعیت جغرافیایی را از GPS دریافت می‌کنند و برای جانمایی خود از سیستم ناوبری و از اطلاعات دریافتی از حسگرها برای ساختن نقشهای داخلی از محیط اطراف، استفاده می‌کنند. به محض دریافت اطلاعات مربوط به موقعیت خودش بر روی نقشه داخلی، می‌تواند از آن نقشه برای یافتن مسیر بهینه، ضمن دوری از هرگونه مانعی، برای رسیدن به مقصدش استفاده کند. آنچه ما در اینجا توضیح دادیم، تنها یک توصیف بسیار سطح بالا در مورد نحوه کار کردن خودروهای خودران است.

ماشین های خودران که با نام «اتومبیل روباتیک» و به طور غیر رسمی با نام‌های خودرو بی‌راننده و خودرو خودران نیز شناخته می‌شود، نوعی وسیله نقلیه خودکار است که می‌تواند با قابلیت‌های یک خودروی سنتی، انسان‌ها را جابه‌جا کند.

این روزها ماشین های خودران (Self-Driving Cars) به موضوع محبوب رسانه ها و صنایع خودروسازی تبدیل شده و چندین سازنده با تست خودروهایشان نوید عرضه عمومی این سیستم را در آینده ای نزدیک داده اند، اما تعریف خودروسازان درباره رانندگی خودکار با هم متفاوت است.

برخی خودروهایی که هم اکنون در بازار موجودند، دارای سیستم کمک راننده Driver-Assistance Systems هستند که بخشی از فعالیت های رانندگی را در مقیاس محدود کنترل می کنند. اما این ویژگی با سیستمی که بتواند یک خودرو را از نقطه ای به نقطه دیگر و بدون درگیری هیچ انسانی منتقل کند، فاصله زیادی دارد.

برای روشن‌تر کردن موضوع در ادامه به دستورالعمل راهنمایی می پردازیم که در سال ۲۰۱۴ توسط انجمن مهندسین خودروساز (Society of Automotive Engineering) منتشر شده که در آن، سطوح مختلف رانندگی خودکار (از سطح صفر تا سطح ۵) تشریح شده است.

توجه داشته باشید تاکنون سطح پنجم Level 5 که همان سیستم کاملا خودران و بدون راننده است، قانونی نشده و خودروهایی که با این سیستم در دنیا حرکت می کنند، صرفا جهت آزمایش و با کسب مجوزهای لازم اقدام به این عمل می کنند و این نوع ماشین های خودران در هیچ جایی به فروش نمی رسند.

سطح صفر : بدون هیچ امکان رانندگی خودکار. در این سطح راننده مسئول کنترل فرمان، گاز و ترمز بوده و هم چنین باید محیط اطراف را نیز کاملا تحت نظر داشته باشد.

اکثر خودروهایی که هم اکنون در جاده ها تردد می کنند در این دسته جا می گیرند؛ حتی آن هایی که مجهز به سیستم های کمکی مانند هشدار نقطه کور یا احتمال تصادف از جلو هستند.

سطح یک : دارای تعداد محدودی سیستم کمکی رانندگی. در این سطح خودروها در شرایط مشخصی می توانند کنترل فرمان یا گاز و ترمز را داشته باشند ولی باز هم متکی به راننده هستند تا در صورتی که این سیستم ها از کار بیافتند راننده بتواند کنترل خودرو را در اختیار بگیرد.

خودروهایی که مجهز به سیستم کروز کنترل، سیستم ترمز اضطراری خودکار و سیستم پیشگیری خارج شدن از لاین هستند در این دسته جا می گیرند.

سطح دو : دارای سیستم های کمکی رانندگی بیشتر. مانند سطح اول، خودروها متکی بر نیروی انسانی (راننده) است تا در صورت از کار افتادن سیستم ها یا در شرایطی که خارج از توان ماشین باشد، کنترل را به دست بگیرد.

البته میزان عملکرد خودکار (بدون نیاز به انسان) در این سطح بیشتر است و شامل کنترل همزمان فرمان و گاز و ترمز می شود.

این سیستم ها برخی از وظایف خاص را مانند سبقت گرفتن در بزرگراه ها یا هدایت خودرو در ترافیک هایی که مدام باید خودرو توقف و حرکت کند را نمی توانند انجام دهند.

سطح سه : خودران شرطی. در این سطح خودروها توانایی انجام تمامی حالات رانندگی را دارند و همزمان می توانند محیط اطراف را تجزیه و تحلیل کنند ولی همچنان در صورت از کار افتادن سیستم نیاز به مداخله انسان جهت کنترل خودرو است.

بسیاری از خودروسازان قید این سطح را می زنند چرا که معتقدند اینکه شخص بعد از مدت طولانی تمرکز نداشتن روی فرایند رانندگی بتواند کنترل خودرو را مجددا و ناگهانی در دست بگیرد بسیار سخت است و می تواند تبعات خطرناکی داشته باشد.

آزمایش های محدودی که در این راستا انجام شده نشان می دهد، در چنین حالتی رانندگان آمادگی فایق آمدن بر چنین شرایطی را ندارند.

سطح چهار : تقریبا تمام خودران. برخلاف سطح سوم خودرو می تواند در صورت از کار افتادن سیستم یا بروز اختلالات فنی، بدون نیاز به نیروی انسانی خود را در منطقه ای امن متوقف کند.

مجموع توانایی انجام کلیه حالات رانندگی و کنترل شرایط مختلف باعث می گردد در این سطح، کنترل دستی غیر ضروری شود. اکثر پروژه هایی که توسط خودروسازان اعلام شده در حال تکمیل اند در این حوزه جا می گیرند.

شرکت فورد در نظر دارد تا سال ۲۰۲۱ ماشین های خودران بدون نیاز به کنترل دستی را تولید کند که در سرویس های اشتراک گذاری خودرو به کار گرفته خواهند شد. شرکت ولوو نیز وعده داده نسخه خودران مدل XC90 را تا همان سال روانه بازار کند.

این خودروساز سوئدی گفته است که ماشین های خودران دارای ویژگی کنترل دستی هم خواهد بود، چرا که به عقیده این شرکت مشتریان ممکن است بعضی موقع ها دوست داشته باشند خودشان رانندگی کنند!

آزمایش‌ها نشان می‌دهد بیشترین مسافتی که به طور مستمر توسط ماشین های خودران Waymo پیموده شده دو تا سه برابر مسافت پیموده شده توسط سایر خودروهاست. در واقع مسافت طی شده توسط بسیاری از خودرو های خودگردان این قدر کم است که حتی نمی‌توان آن را با یک عدد با معنی بیان کرد. تنها شرکت‌های Cruise، Nissan و Delphi توانسته‌اند یک عدد قابل قبول برای گزارش ارائه دهند.

هوش مصنوعی

بسیاری از تکنولوژیست‌ها در جهان، در مورد تأثیر هوش مصنوعی (Artificial Intelligence) بر اقتصاد اتفاق نظر دارند آن‌ها معتقدند که هوش مصنوعی، در آینده‌ای نزدیک، حدود 5 تا 10 سال آینده، تاثیر عمده‌ای بر اقتصاد خواهد گذاشت. در مورد این‌که شرکت‌ها برای توسعه هوش مصنوعی نیاز به سرمایه‌گذاری زیادی دارند، توافق شده است ، اما سوال نهایی این است که: مدل کسب و کار برای هوش مصنوعی چگونه است؟

رباتیک (Robotics) اولین چیزی است که به ذهن می‌آید، اما بازار آن به اندازه‌ای بزرگ نیست که بتواند چنین سرمایه‌گذاری بزرگی را توجیه کند. ربات چت‌ها (Chatbots) ممکن است بازار دیگری باشند، اما این بازار نیز به اندازه کافی نمی‌تواند چنین سرمایه‌گذاری بزرگی (که شاید برای توسعه آن به میلیاردها دلار نیاز باشد) را توجیه کند.  ما هنگام فکر کردن به اتومبیل‌، قضیه متفاوت است بازار خودرو، بازار بسیار بزرگی است و تقریبا هر فردی به آن احتیاج خواهد داشت. این یک پلت‌فرم ایده‌آل برای هوش مصنوعی است، زیرا اگر شما بخواهید یک ماشین خودران داشته باشید، به سنسورهایی نیاز خواهید داشت که جهان را به صورتی که واقعا هست بشناسد و خود را با ترافیک آن وفق دهد. به طور خلاصه، ما ماشینی نیاز داریم که بتواند رقیبی برای هوش انسان باشد. بنابراین، ما در اینجا، به طور جدی در پی کشف موارد استفاده از هوش مصنوعی همراه با مدل کسب و کار هستیم. از آنجا که ما اکنون یک مدل تجاری داریم که ممکن است سالانه میلیاردها دلار را از سراسر جهان جذب کند، این امر توسعه هوش مصنوعی را به طور کامل معنی می‌کند.

همین دلیل، ماشین خودران را به یک صنعت بسیار بزرگ تبدیل کرده است. این امر باعث جذابیت بسیار زیاد تقاضای جابه‌جایی شده است. هر سازمانی که در زمینه توسعه یا راه‌اندازی نرم‌افزار کار می‌کند، استارت‌آپ است، شرکت‌هایی نظیر اوبر (Uber)، گوگل (Google)، تسلا (Tesla)، اپل (Apple) یا هر شرکتی در صنعت خودروسازی، که در بخش خودروهای خودران شروع به کار کرده است.

هوش مصنوعی در ماشین‌های خودران

اجازه دهید ببینیم که چه نوعی از هوش مصنوعی برای ماشین‌های خودران مورد نیاز است و اینکه چرا از لحاظ فنی هیجان‌انگیز است. برای اینکه یک ماشین قادر باشد بدون راننده حرکت کند، ما باید سه ستون تکنولوژیکی را در نظر بگیریم:

1. احساس

بیایید با انسان‌ها شروع کنیم: همه ما حواسی مثل دیدن، شنیدن و لامسه داریم، که همه این حسها سیگنال‌هایی را دریافت می‌کنند و سپس این سیگنال‌ها را به مغز ارسال می‌کنند و بدن ما را وادار به انجام اقداماتی خاص می‌کنند. به همین ترتیب، ما باید در ماشین‌های خودران، سنسورهایی داشته باشیم که با استفاده از یک سری دوربین‌ و سنسورهای اضافی مانند اسکنرهای رادار، بتوانند 360 درجه را پوشش دهند. سپس اسکنرهای لیزری داده‌ها را از تمامی این سنسورها دریافت می‌کنند و با عبور از یک دستگاه محاسباتی بسیار قدرتمند برای ساخت یک مدل محیطی اقدام می‌کنند که بتواند:

• بگویید که هر یک از موجودیت‌های اطراف ماشین مانند پیاده‌روها، دوچرخه‌سواران، پیچ جاده، علائم، نمادها، موانع و غیره کجا هستند.
• بگوئید که این موجودات چه کاری انجام می‌دهند یا در چه وضعیتی هستند.
• در مورد مسیر بگویید، مانند این که آیا این مسیر، یک بزرگراه است.

2. نقشه‌برداری

نقشه‌برداری نباید با نقشه ناوبری (نقشه گوگل) اشتباه گرفته شود. در عوض، نقشه‌هایی وجود دارند که دارای وضوح بالا و جزئیات دقیق هستند. به محض اینکه وسیله نقلیه خود را با دقت بسیار بالا در این نقشه قرار دهید (در حدود 10 سانتیمتر)، شما همه چیز را در مورد مسیر جاده، مسیرهای قابل برنامه‌ریزی، محدود کننده‌های مسیر و غیره خواهید فهمید، تنها چیزی که در موردش نمی‌دانید مکان سایر استفاده‌کننده‌گان مسیر است. این داده‌ها توسط احساس (حسگرها) جمع‌آوری می‌شوند. بنابراین، چگونه قادر خواهید بود این نقشه‌ها را به شیوه‌هایی کارآمد و مقرون به صرفه، ایجاد و به‌روز کنید؟ این نقشه‌ها باید در زمانی بسیار کوتاه واقعیات را نشان دهند، بدین معنی که لحظه‌ی اعمال تغییرات محیطی، نقشه‌ها باید بلافاصله به‌روز شوند. نقشه‌های امروزی با چنین سرعتی به‌روز نمی‌شوند. این موضوع منجر به استفاده از انبوه‌سپاری (crowdsourcing) برای ساخت نقشه‌ها می‌شود. انجام این کار بسیار مشکل است، اما بسیار ضروری است. بدون این نقشه‌های دقیق، شما نمی‌توانید یک ماشین خودران را به‌طور مطمئن به کار اندازید.

3. سیاست رانندگی

این همان جایی است که باید اطلاعات جدی را در پلت‌فرم رانندگی تعبیه کرد. ماشین باید قادر به تشخیص عابر پیاده و سایر اشیای متحرک مشابه باشد و همچنین باید بتوانند تشخیص دهند که هر یک می‌خواهند چه کاری انجام دهند. خودروی خودران نه تنها باید سیاست رانندگی را درک کند بلکه باید واکنش‌ها را نیز تشخیص دهد. این تمام مواردی است که هنگام ورود به خطوط ترافیکی برای ساخت یک استراتژی لازم است. ذهن شما، به طور طبیعی این مهارت را فراهم می‌کند؛ این اغلب هم به آموزش رانندگی و هم به تجربه رانندگی نیاز دارد. این یک بحث پیچیده است و از آنجایی که در حال حاضر برای انسان‌ها دشوار است، برای کامپیوترها بسیار سخت‌تر خواهد بود، زیرا ما در مورد هوش گسترده‌ای صحبت می‌کنیم که شامل درک مواردی مانند “به کدام وسیله نقلیه اجازه حرکت داده شود”، “از کدام وسیله نقلیه فاصله گرفته شود”، “برای ادغام شدن با ترافیک چه مسیری برگزیده شود”، روبرو هستیم. همچنین، سیاست رانندگی با توجه به موقعیت مکانی تغییر می‌کند، چرا که ملاحظات ترافیکی از شهری به شهر دیگر متفاوت است. این باید زمانی که سیاست رانندگی به سیستم دیکته می‌شود در نظر گرفته شود.

خودران به عنوان سیستم چند عامله

ماشین خودران را می‌توان به عنوان یک سیستم چند عاملی شناخت. در واقع این مانند یک بازی است، زیرا ما در حال پی‌ریزی استراتژی هستیم و تصمیماتی می‌گیریم که به طور بالقوه رضایت‌بخش هستند، درست مانند یک بازی شطرنج، می‌توانیم در چند حرکت با دادن امتیاز و قربانی یک مهره،‌ کمی بعد وزیر حریف را بگیریم.

تکامل صنعت خودروهای خودران

از سال 2015 تا سال 2017 از کمک راننده استفاده شده است. کمک راننده یک فن‌آوری است که برای جلوگیری از تصادفات استفاده می‌شود. این تکنولوژی برای کمک به باقی‌ماندن یک وسیله نقلیه بدون دخالت انسان در داخل خطوط ترافیکی استفاده می‌شود. هنگام استفاده از این تکنولوژی، راننده هنوز هم باید هوشیار باشد. در اصل این نوع رانندگی، رانندگی مستقلی نیست، زیرا سیستم می‌تواند اشتباه کند. این ماشین‌ها آگاهی 360 درجه‌ای ندارند. و همه چیز را نمی‌بیند. این ماشین‌ها برای همه موقعیت‌های احتمالی تصادف طراحی نشده‌اند؛ به همین دلیل راننده باید هشدار بماند.

با شروع سال 2018، ما در مورد رانندگی بسیار مستقل (Highly Autonomous Driving) صحبت خواهیم کرد. این در واقع یک رانندگی با سناریوهای محدود و بدون دخالت انسان است، که فقط در بزرگراه‌های اصلی قابل استفاده است. رانندگی بسیار مستقل به این معنی است که راننده مجبور نیست چشم خود را در جاده بدوزد. این سیستم یک مهلت 10 تا 30 ثانیه‌ای را فراهم می‌کند تا راننده کنترل ماشین را به‌عهده گیرد و در صورت عدم وجود راننده، سیستم می‌داند چگونه ماشین را به طور ایمن به کناری هدایت کرده و آن را متوقف کند.

اقدام واقعی در سال 2021 شروع می‌شود. آنچه ما شاهد خواهیم بود به اصطلاح رانندگی کاملا مستقل (Fully Autonomous Driving) است. این نیز به عنوان “استقلال سطح 4” شناخته می‌شود، که در این سطح، اتومبیل‌ها قادر به رانندگی درون شهرها خواهند بود و تقاضاهای جابه‌جایی را  پوشش خواهند داد.