About programming - Courses - Institute of Computer Science

3.3 Silmaring. Isejuhtiv auto

Tehnoloogia arengus on ikka olulisel kohal olnud idee, et masinad võiksid midagi inimese eest ära teha. Lisaks sellele, kuidas on masin tehniliselt ülesehitatud, on väga tähtis ka masina juhtimine. Viimastel aegadel on mitmetes valdkondades seadmete juhtimist püütud arvutile üle anda. Selles materjalis püüame saada ülevaate isejuhtivatest autodest.

(Kui teid ei häiri Tujurikkuja stiil, siis võiks alustuseks vaadata seda videot.)

TERMINOLOOGIAST JA KLASSIFIKATSIOONIST

Kasutame siin terminit "isejuhtiv auto". Levinud on ka termin "isesõitev auto". Tegelikult juba tähendabki "auto" eesliitena "ise". Sõna "auto" on siin lühendunud sõnast "automobiil", mis tähendab "iseliikuv". Kui 135 aastat tagasi oli väljakutseks sõiduk mootori abil mööda teid liikuma panna, siis nüüd on tahtmine juhtimine ka masinale endale usaldada.

Tegemist on väga aktuaalse teemaga. Näiteks teatati mõned aastad tagasi ka uudistes, et Eestis lubatakse teatud tüüpi isejuhtivad autod testimiseks teedele. 2017. aasta suvel sõitsidki Tallinnas isejuhtivad bussid. Ju paljud inimesed kaugemaltki käisid neid uudistamas nagu kümneid aastaid tagasi esimesi automobiile, tramme või auruvedureid. Käis ERR Ringvaadegi. Kuigi märgati mõningaid ohtlikke olukordi laabus kõik siiski sujuvalt. Isesõitvatest autodest on Tallinna Ülikooli professor Tõnu Laasi ühe minuti loeng. 2018. aastal sai valmis Eesti esimene isejuhtiv auto - isejuhtiv väikebuss nimega Iseauto. Tänaseks on ka Tartu Ülikooli isejuhtiv auto jõudnud linnaliiklusesse ja seda võib näha sõitmas Tartu kesklinnas (vaata sellest ka videot). Auto osales ka Rally Estonia katsel. Erinevalt tänavasõidust oli rallil aluseks inimjuhi sõitmise järgi salvestatud trajektoor ning kiiruseks maksimaalselt 65 km/h.

Isejuhtivaid sõidukeid saab juhtimise autonoomsuse järgi liigitada erinevalt. Meie toome siin Rahvusvahelise Autoinseneride Ühingu (SAE, Society of Automotive Engineers International) klassifikatsiooni, milles on eristatud kuus taset.

Tase 0 - Automaatne süsteem sõidukit ei juhi, aga võib juhti hoiatada.
Tase 1 - Automaatne süsteem aitab juhti erinevate abivahenditega, näiteks kiiruse hoidmisel, raja hoidmisel või parkimisel.
Tase 2 - Automaatne süsteem kiirendab, pidurdab, keerab rooli. Juht peab jälgima objekte ja sündmusi ning sekkuma, kui automaatne süsteem ei reageeri adekvaatselt. Kui juht võtab juhtimise üle, siis automaatne süsteem deaktiveerub.
Tase 3 - Automaatne süsteem suudab sõidukit juhtida teatud kindlates oludes (näiteks kiirteedel). Juht võib tegeleda muude asjadega, aga ta peab olema valmis juhtimise vajadusel üle võtma.
Tase 4 - Automaatne süsteem suudab sõidukit juhtida enamikes oludes. Erandiks võivad olla näiteks eriti keerulised ilmaolud. Inimene peab otsustama, kas on turvaline automaatsele süsteemile juhtimine üle anda. Kui ta otsustab seda teha, siis automaatne süsteem ise juhib ja inimese tähelepanu pole enam vaja.
Tase 5 - Inimene peab vaid sihtkoha määrama ja süsteemi käivitama. Kui sihtkohta on liikluseeskirjade järgi lubatud sõita, siis automaatne süsteem teeb ise otsused sinna jõudmiseks.

Inglise keeles saab sellest klassifikatsioonist ja üldse isejuhtivatest autodest lugeda näiteks vikipeediast.

Tasemetega 0 ja 1 sõidukid on juba küllaltki tavalised. Väga paljudel uutel sõidukitel on vastavad omadused juba standardvarustuses või lisana paigaldatud. Tasemetel 2 ja 3 on küll päris palju juhtimist juba inimeselt masinale läinud, aga siiski on juht endiselt oluline ja peab olema valmis vajadusel juhtimise üle võtma. Just sellise taseme sõidukite testimine on Eesti teedel lubatud. Tähele tuleb aga panna, et juht ei pea tingimata ise sõidukis viibima. Kõrgemate tasemete isejuhtivate sõidukite kasutamine (ka testimine) Eesti teedel praegu lubatud pole. Nendel tasemetel on inimese roll juhtimisel praktiliselt puudub. Sellest võib natuke pikemalt lugeda siit.

ERINEVATE TOOTJATE AUTOD

Nagu sageli tehnika arengus, püüavad erinevad tootjad paralleelselt oma tooteid arendada. Nii on ka isejuhtivaid või sellele püüdlevaid autosid katsetatud erinevad tootjad. Vast kõige tuntumad on Tesla Autopilot ja Waymo (varasemalt Google'i auto).

Olenemata tootjast on isejuhtival sõidukil vaja saada ümbritseva kohta infot, mida muidu saab inimjuht põhiliselt nägemise abil. Tehnilised seadmed (nt kaamerad, radar, LIDAR (laserskaneerimise seade)) võimaldavad tegelikult veel paremat ülevaadet, kui inimene silmaga näeks. Peale selle saavad sõidukid GPS-seadme abil täpse info oma paiknemisest. Erinevatest seadmetest saadud andmete abil on automaatsel juhtimissüsteemil väga hea ülevaade lähemast ja ka veidi kaugemast ümbrusest.

Järgmine joonis annab ülevaate sellest, kuidas Google'i auto (nüüd Waymo) käitub, kui teele satuvad erinevad takistused, näiteks sõidukid, jalakäijad ja jalgratturid.

Allikas: http://www.latimes.com/la-sci-g-google-self-driving-car-20140528-htmlstory.html

Selleks, et saada veel paremini aru, kuidas seesugune auto töötab, vaadake järgmist videot.

Waymo varasem mudel nägi välja selline:

See mudel kujundati just selliseks munajaks, et maksimeerida laser- ning radarsensorite vaadet. Autod on ka 100% elektrilised, mis teeb nad tavapäraste autodega võrreldes keskkonnasõbralikumaks. Täislaetuna suudab auto sõita 160 km ja suurimaks kiiruseks on 40 km/h. Õnnetuse korral aitavad kahjusid minimeerida vahuga täidetud kaitseraud (foam bumper) ja painduv esiklaas (flexible windscreen). Sõiduvahendil puuduvad pedaalid ja rool. Selle asemel on autos START ja STOP nupp, kaks turvavöödega istet, ruum sõitjate asjade jaoks ning ekraan, millel kuvatakse sõidumarsruut. Kui sõit on läbi, tuletab auto meelde, et juht midagi autosse ei unustaks.

Google'i auto kasutab asukoha tuvastamiseks GPSi ja lähiümbruse uurimiseks radareid, lasereid ja kaameraid. Nii saab vältida inimestele otsasõitmist ja tagada reisijate turvaline väljumine autost. Google'i autol on erinevat tüüpi sensoreid:

Katusel pöörleb LIDAR-kaamera, mis kasutab 64st laserist koosnevat komplekti, et mõõta kauguseid erinevatest objektidest. Andmete põhjal koostatakse 200 meetri ulatuses 3D-kaart, võimaldades autol näha ohte. Kaamera pöörleb 360-kraadi ulatuses ning suudab lugeda kuni 1,3 miljonit näitu sekundis.
Tavaline kaamera on suunatud läbi esiklaasi ning otsib samuti läheduses olevaid riske (jalakäijad, jalgratturid, mootorsõidukid) ning loeb liiklusmärke ja tuvastab valgusfooride värve. Kaameral on 50-kraadine nähtavusala ning see on täpne kuni 30 meetri kaugusel olevate objektide leidmisel.
Kaitseraudadele on paigaldatud radarid, mis jälgivad teisi sõidukeid auto ees ja taga.
Auto tagaosas paikneb antenn, mis võimaldab kasutada GPSi.
Ühele tagarattale on kinnitatud ultrahelisensor, mis jälgib auto liikumist.
Autos on veel altimeeter (kõrgusmõõdik), tahhomeeter (pöördeloendur) ja güroskoop (suuna määramiseks), et anda veelgi täpsemad andmeid auto kohta.

Google'i tarkvara töötleb sensoritest saadud infot (kuni 1 GB sekundis), et koostada auto asukoha kaart.

Allikas: http://www.latimes.com/la-sci-g-google-self-driving-car-20140528-htmlstory.html

Auto meenutab välimuselt koaalat.

Järgmine joonis näitab Waymo uuema mudeli andurite paigutust:

Allikas: https://blog.waymo.com/2020/03/introducing-5th-generation-waymo-driver.html

Waymo andurikomplekt koosneb järgmistest osadest:

360-kraadise vaateväljaga lidar katusel. Võimeline tuvastama kuni 300 m kaugusel olevaid objekte;
kaheksa kaamerat katusel, kombineeritud 360-kraadise vaateväljaga. Võimelised tuvastama jalakäijaid ja liiklusmärke kuni 500 m kauguselt;
neli lühimaalidarit suunaga ette, külgedele ja taha;
neli lühimaalidaritega kombineeritud kaamerat;
ettepoole suunatud stereokaamera;
ettepoole suunatud kaugradar;
radarid ees ja taga külgedel, et tuvastada objekte pöörangutel ja reavahetustel.

Waymo andurikomplekt on mitmekülgne ja kallis. See on omane kõigile 4. taseme autonoomsust sihtivatele firmadele.

PLUSSID JA MIINUSED

Toome välja isejuhtivate autode levikuga seotud võimalikud positiivsed ja negatiivsed muutused. Positiivsena võib märkida järgmist.

Liiklusseisakute vähenemine - automaatse süsteemi reaktsioon on võrreldes inimestega kiirem.
Reisijad on vabastatud sõiduki juhtimiskohustustest, võimaldades neil kaasreisjatega segamatult suhelda või hoopis muud vajalikku toimetada.
Sujuvam sõit - isejuhtiv auto ei tee järske manöövreid.
Kuna autol pole liikumiseks tarvis juhti, saab seda kutsuda ükskõik, kuhu vaja (nt saaks kasutada taksona või rendiautona).
Väheneb vajadus liikluspolitsei ja liikluskindlustuse järele.
Reisijad võivad olla alaealised, pimedad, hajevil, joobes jne.
Autovarguste vähenemine, kuna autodel on juhi tuvastamise võimalus.

Isesõitvate autode kasutuselevõtuga kaasnevad ka võimalikud negatiivsed aspektid:

Tarkvaras võib esineda vigu.
Kasvab küberrünnakute oht.
Auto asukohta on võimalik alati tuvastada, millega võib kaasneda privaatsuse vähenemine.
Eetilised väärtushinnangute küsimused: kui sõiduki tarkvara peab vältimatu kokkupõrke korral valima kahe halva valiku vahel, siis kuidas valida? Näiteks on olukord, kus satutakse suure kiirusega liiklema rahvarohkel alal ning auto peab otsustama, kas sõita otsa mitmele inimesele või vastu kiviseina. Esimesel juhul vigastataks rohkem inimesi, teisel juhul saaksid viga autos olevad reisijad. Kuidas peaks auto käituma?

Vaadake videot ning saage teada, mida arvavad inimesed Google'i autost peale esimest sõitu.

Paljudel kaasaegsetel autodel on olemas mõned isejuhtiva auto omadused:

Adaptiivne püsikiirusehoidja - hoiab eelmääratud sõidukiirust ja tänu radarile suudab tuvastada ees sõitvat sõidukit. Süsteem valib sobiva sõidukiiruse, arvestades ees sõitva sõiduki kiirust ja pikivahet.
Sõidurea hoidja - süsteemi eesmärk on jälgida teekatte märgistust ning hoiatada juhti märguandega, kui sõiduk ületab oma sõiduraja piire.
Parkimisabi süsteem - abistab juhti parkimisel või pargib täiesti iseseivalt.

HUVITAVAID FAKTE ISESÕITVATE AUTODE MAAILMAST

Viimasel viiel aastal on mitmed suured autotootjad püüdnud arendada uusi isesõitvaid sõidukeid. Autode ehitamisel pööratakse tähelepanu tehnoloogiatele, mis muudaksid autonoomsed sõidukid liiklejatele väga turvaliseks. Samuti peetakse oluliseks masinate disaini ja kasutamise mugavust.

Esimene liiklusõnnetus Google’i isesõitva autoga

Esimene liiklusõnnetus, mille põhjustas Google’i isesõitev auto, toimus 14. veebruaril 2016, valentinipäeval, Silicon Valleys California osariigis, kus toimus kokkupõrge isesõitva auto ja bussi vahel. Lexus SUV, millele oli paigaldatud vajalikud andurid ja kaamerad iseseisvaks sõitmiseks, tuvastas teel takistuse ja sõiduk eeldas, et aeglustuv linnaliinibuss laseb auto kõrvalolevasse sõidurajale. Sama arvas ka Google’i autos kaasasõitev testsõitja. Paraku arvas bussijuht, et Google’i sõiduk jääb oma sõidurajale. Selle arusaamatuse tagajärel pööras Google’i masin bussi teele ette kiirusega 24 km/h. Õnnetuse videot saab vaadata siit.

Tesla sammud isesõitvate autode arengus

Maailma üks suuremaid elektriautode tootjaid Tesla on viimastel aastatel panustanud ka iseseisvate autode tehnoloogia arendusse. Tesla kasutab nutitelefoni rakendusi Summon ja Smart Summon, mille abil on võimalik pelgalt nupule vajutades auto iseseisvalt ära parkida, kusjuures juht ise ei pea autos olema. Selline funktsionaalsus on Tesla mudelitel X SUV, S, Y ja 3. Tesla autod on poolautonoomsed, mis tähendab seda, et juhil on kontroll masina üle, kuid teatud tegevusi suudab sõiduk ka iseseisvalt sooritada. Näiteks suudab auto iseseisvalt sõidurida vahetada. Selleks on sõidukile paigaldatud erinevad andurid, radar, GPS ja kaamerad. Lisaks rakendatakse Tesla sõidukites masinõppe algoritme, mille tulemusena autod “õpivad”, kasutades sensoritelt saadud informatsiooni ja kaardistamisel analüüsitud andmeid. Autod suhtlevad omavahel juhtmevaba võrgu abil, saates üksteisele uusi “õpitud” teadmisi.

Isejuhtimine vs. juhiabisüsteemid; Tambet Matiisen (Tartu Ülikool)

Tartu Ülikooli Isejuhtivate sõidukite labori tehnoloogiajuht Tambet Matiisen võtab järgnevas Tehisintellekti algkursuse jaoks tehtud videos kokku kaks isejuhtivate autode peamist suunda. Miks on mõned isejuhtivad autod varustatud paljude sensoritega, aga teistele piisab ainult kaamerast? Video segitab, mille poolest erinevad Tesla ja Waymo (Google’i isejuhtiva auto) eesmärgid isejuhtimises. Saab näha ka nende kahe ettevõtte lahendusi sõitmas. Lõpetuseks näete ka Tartu Ülikooli isejuhtivate sõidukite labori autot ise Tartu kesklinnas navigeerimas.

ALLIKAD

Materjali esialgse variandi koostasid Ingrid Patte ja Merlin Saulep. Täiendatud ja kohendatud kursuse korraldajate poolt.

< eelmine

3. OSA sisukord

järgmine >

About programming 2022/23 spring