Современное состояние подходов к синтезу наземных беспилотных транспортных средств и основные проблемы концепции «беспилотный автомобиль» | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 апреля, печатный экземпляр отправим 10 апреля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №22 (417) июнь 2022 г.

Дата публикации: 04.06.2022

Статья просмотрена: 76 раз

Библиографическое описание:

Лось, А. В. Современное состояние подходов к синтезу наземных беспилотных транспортных средств и основные проблемы концепции «беспилотный автомобиль» / А. В. Лось. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 22 (417). — С. 91-94. — URL: https://moluch.ru/archive/417/92606/ (дата обращения: 28.03.2024).



В статье анализируется современное концепции синтеза беспилотных транспортных средств в Российской Федерации, классификационные проблемы устройств машинного зрения, проблемы и перспективы внедрения беспилотных наземных транспортных средств в зависимости от применения.

Ключевые слова: беспилотные наземные транспортные средства, устройства машинного зрения, интеллектуальны системы управления, робастное управление, адаптивная система управления.

Развитие спутниковых систем навигации (ориентации), исследований в области управления техническими системами, появление новых достижений в области исследования датчиковой аппаратуры и программирования позволило постепенно развиться проектам, связанным с созданием наземных беспилотных транспортных средств совместно с интеграцией в них решений, устройств машинного зрения и ориентации. Такие системы играют решающую роль в проектировании перспективных беспилотных транспортных средств (ТС). Говоря об автоматизации управления ТС, следует заметить, что успешность применения тех или иных систем зависит от специфики отрасли и условий работы ТС. Так, на данный момент широко применяются беспилотные летательные аппараты. Данная область требует совершенствования, однако существующие устройства в основном полностью работоспособны и точно выполняют поставленные при их проектировании задачи. В тоже время сейчас активно развивается сфера создания беспилотных наземных ТС. В данной области целесообразно выделить несколько направлений: ограниченное применение (промышленное — погрузчики, карьерные самосвалы и т. д., сельскохозяйственная техника, определенные маршруты специального назначения) и применение на дорогах общественного пользования (пассажирские и грузоперевозки). Обобщенно, архитектура беспилотного наземного ТС — это специальный программный софт и устройство машинного зрения (сенсоры). Так, для обеспечения полной автономности автомобиля во многих случаях обязательно применение лидаров, камер, радаров, ультразвуковых датчиков, системы навигации, специального софта обработки информации и центрального компьютера, одно из главных требований к которому — высокая производительность. Перечисленные устройства машинного зрения обладают рядом особенностей. Так, камеры позволяют получить высокоточное цветное изображение и увидеть даже мелкие детали, однако не определяют скорость движения и дистанцию. Их главный недостаток — зависимость от освещения. На данный момент развиваются технологии, позволяющие минимизировать данный недостаток и упростить другие устройства машинного зрения в рамках проекта. Лидары определяют форму объекта и расстояние до него, отличаются высокой стоимостью, в связи с чем требуют применения совершенствующих некоторые их характеристики устройств машинного зрения. Преимущества радаров — не высокая зависимость от погодных условий. Радары, применяемые в автомобилях, измеряют скорость и дальность объекта на расстоянии до 300м, однако точности данных недостаточно для определения типа объекта. Этот недостаток способен устранить 4D-радар, который в настоящее время разрабатывает ряд компаний (например, CognitiveTechnologies). Таким образом, можно выделить следующие тенденции развития: одни компании ищут пути снижения стоимости производства лидара, другие прогнозируют возможности альтернативных устройств.

Существует классификация устройств машинного зрения и ориентации по обобщенному принципу работы (излучение/поглощение сигнала) — это активные и пассивные устройства. К пассивным устройствам относят системы спутниковой ориентации (GPS, Глонасс) и камеры. Тогда как, среди активных устройств можно выделить следующие — это оптические устройства (технология лидар), ультразвуковые устройства (датчики) и радио — локаторы (радары, работающие в радиодиапазоне). Последние тенденции развития беспилотных наземных ТС говорят о перспективе широкого внедрения мобильных телематических систем — Wi-Fi, технологии мобильной связи, что говорит о стремлении отрасли к синтезу автономных интеллектуальных систем. Технологии мобильной связи возможно отнести как к пассивным, так и к активным. При этом, поиск оптимальных решений относительно целесообразности применения и комбинациях устройств машинного зрения создает основы для будущей корректировки данной классификации. Так на летательных аппаратах применяются пассивные радары, в тоже время, существуют концепции, связанные с нанесением, например, «активной» разметки при эксплуатации беспилотных наземных ТС. Безусловно, такие решения имеют какие-либо перспективы только при ограниченном применении на определенных («закрытых») маршрутах, однако, вероятно, в рамках определенного проекта данного назначения, способны несколько упростить систему устройств машинного зрения.

Взаимодействие автомобиля и системы управления, происходит с помощью специальных плат контроля, связывающихся с узлом. Для того, чтобы говорить более подробно о принципах работы и реализации беспилотной системы автомобиля, рассмотрим некоторые существующие наземные беспилотные ТС промышленного применения.

Целесообразно начать с совместного проекта КАМаз и Cognitive Pilot, который реализован на базе серийного грузового автомобиля КамАЗ-4308. Основные компоненты беспилотной системы — высокопроизводительный компьютер, видеокамеры, радары, лидары и ультразвуковые датчики, а также модули промышленной связи — Wi-Fi, 4G, радиопередатчики УКВ-диапазона. Данные датчиковой аппаратуры обрабатываются комплексом C-Pilot, что позволяет обеспечить достаточную точность навигации — ошибка до 2 см. Проект представлен в 2019г. и успешно прошел испытания на угольных шахтах. Однако применение данной модели на дорогах общественного пользования требует усложнения в конструкциях датчиковой аппаратуры, за которым следует существенное увеличение стоимости производства и обслуживания при эксплуатации. В связи с этим, данная модель актуальна при промышленном применении и совершенствование примененных в ней решений позволила развиться следующим беспилотным проектам КАМаз.

Иллюстрацией вышесказанного является плавный отказ Cognitive Pilot от данного проекта — в дальнейшем фирма ориентируется на агропромышленную отрасль, системы помощи водителю и отказ от применения лидаров, планируя возможность замены их функционала перспективной разработкой- 4Д радаром. Развитие беспилотных наземных ТС связано с развитием продвинутой системы помощи водителю (ADAS) и введению уровней автоматизации управления в соответствии со стандартами, разработанными Обществом автомобильных инженеров (SAE) и принятыми на государственном уровне во многих странах — таких уровней шесть и, начиная с 5-го, автомобиль считается полностью беспилотным.

В тоже время КАМаз, в результате сотрудничества с другими компаниями осуществил следующие проекты. НАМИ-КамАЗ-1221 ШАТЛ (слайд 7) является автомобилем с электрическим приводом. Для ориентации в пространстве использует данные камер, радаров, лидара на крыше и ультразвуковых датчиков, информация которых используется для принятия текущих решений управления — ТС имеет автономное оборудование. Предусмотрена возможность дистанционного управления посредствам передачи информации на сервер КАМаз (диспетчерский пункт) в реальном времени через пилотную сеть 5G. Это необходимо для решения более сложных задач и реализовано благодаря обеспечению быстрой синхронизации с диспетчерским пунктом.

Особенностью следующей модели КамАЗ-3373 Челнок является отсутствие кабины и электрический привод (запас хода 50 км, время зарядки 5 часов). Такое решение позволяет разгружать платформу с двух сторон и использовать её в закрытом помещении. Применение данной модели также промышленное, в частности она используется на собственном производстве КАМаз. На модели предусмотрена симметрия световых приборов и систем ориентации. Спутниковая система дублируется инерциальной, на случай потери связи со спутником.

Важное влияние на автоматизацию автомобилей оказывает концепция Connected Car — автомобиль с сетевыми возможностями. Такие автомобили также оснащены средствами навигации и ориентации, связью с интернетом. Автомобиль через сеть взаимодействует с окружающей средой и объектами: автомобиль-автомобиль (vehicle-to-vehicle, V2V), автомобиль — инфраструктура (vehicle-to-infrastructure , V2X) и автомобиль-пешеход (vehicle-to-pedestrian, V2P) и т. д.

Также, на стадии испытаний находится несколько проектов, заслуживающих внимания при освещении данной тематики: Volgabus MatrЁshka, BaseTracK ГАЗ Next Eva, SberAutoTech ФЛИП, беспилотный грузовик EvoCargo, проекты Яндекса, автоматизация серийных моделей. Таким образом, на данный момент проводятся испытания беспилотных наземных ТС с разными особенностями конструкции, системами питания и применения. Так, конструкция Volgabus MatrЁshka предусматривает три варианта применения — базовая версия с грузовым контенером, грузовая платформа и перевозка пассажиров (8–12 человек). Здесь ключевую роль в управлении играет оригинальная операционная система реального времени с телеметрией всех узлов автомобиля. Предполагается интеграция всех систем в одно приложение, которое будет отвечать за диагностику, управление и маршрутизацию перемещения. Другое решение автоматизации управления наземным ТС применено Группой ГАЗ — BaseTracK ГАЗ Next Eva, где полностью отказались от оптических средств ориентации. Беспилотное управление осуществляется системами высокоточного геопозиционирования и штатной системой помощи водителю ADAS. Технологии аппаратного и программного обеспечения предусматривают их установку на стандартное транспортное средство, здесь существуют проблемы, связанные с интеграцией предложенного модуля в систему автомобиля. Более того, программный комплекс софт для передвижения по виртуальному рельсу на данный момент, проходит доработку сценариев для различных сложных дорожных ситуаций.

Так, ещё один автомобиль с электрическим приводом — SberAutoTech ФЛИП способен передвигаться в полностью автономном режиме, но предусмотрена так же бесшовная интеграция в «умные дороги» стандартов V2V и V2X.

Обеспечение полного автоматического управления на дорогах общественного пользования требует более сложных технических решений. Так беспилотные автомобили Яндекса, Uber, Google, StarLine и др. более сложны с точки зрения взаимодействия системы управления с автомобилем и обеспечения машинного зрения, это связано с тенденцией к не сохранению места водителя функциональным. Например, устройства машинного зрения беспилотного автомобиля Яндекса — это 3 лидара, 5 камер, антенны GPS и мобильной связи, 4 радара, сенсоры контроля безопасности движения. Данные автомобили полностью автономны, то есть информация не передается на какой-либо диспетчерский пункт, а обрабатывается после поездки в центре управления, таким образом машинное обучение и управлением происходит, в том числе, с помощью нейросетей.

При получении точных координат использована технология Realtime kinematic. Для реализации данной системы на автомобиле Яндексом создан блок локализации GeoHub. В системе локализации использован модуль инерциальных измерений. Функционал модуля спутниковых сигналов заменяет двухдиапазонный приемник. Применение камер осоложнено следующими проблемами: мерцание источников светодиодного света, необходимость высокого динамического диапазона, наличие HDR (возможности совмещения кадров с разной освещенностью в один для получения более качественной картинки), обеспечение достаточного разрешение и частоты кадров, обеспечение несжатого видеопотока, удаление камер от приемного устройства. Для решения данных проблем применено устройства, которое будет работать с камерой по интерфейсу GMSL или FPD-Link.

Таким образом, важным моментом является разграничение концепций проектов относительно применения. Проведенный в статье анализ позволил сделать вывод, что на данный момент развитие беспилотных автомобилей идет практически в одном направлении и отличия связаны, в основном с особенностями конструкции, тогда как поиск оптимальных комбинаций устройств машинного зрения целесообразно сконцентрировать относительно применения ТС: ограниченного, где целесообразно оставить место водителя функциональным и ориентироваться на упрощение систем машинного зрения, например посредствам применения активной разметки, если речь идет о промышленном применении в закрытом помещении; применения на дорогах общественного пользования. Так как устройства машинного зрения, в свою очередь, требуют специальное программное и аппаратное обеспечение и применение тех или иных решений может быть осложнено взаимодействием с системой управления.

Проблемы и препятствия для внедрения беспилотных наземных ТС связаны с ключевыми технологиями отрасли: интеллектуальные системы управления в современных условиях имеют проблемы, связанные с задачей синтеза, имеющей ограничения и требования: программные (требуется единый технический стандарт по обмену данными и обеспечению их защиты, совершенствование алгоритмов и доработку сценариев), выбор способа обеспечения робастности, выбор критерия качества для проектирования оптимальных систем управления, система управления антенной.

В статье проанализировано современное состояние подходов к синтезу систем управления наземными беспилотными транспортными средствами.

Литература:

  1. Афанасьев В. Н. Математическая теория конструирования систем управления: Учеб. для вузов. / В. Н. Афанасьев, В. Б. Колмановский, В. Р. Носов. — з-е изд., испр. И доп. — М.: Высш. Шк., 2003. — 614 с.
  2. Вэй Ян Лвин, Щагин А. В. Адаптивная система автоматического управления движением // Современные информационные технологии и ИТ-образование «Механика и машиностроение» — 2012. С. 983–986
  3. Вэй Ян Лвин. Выбор и обоснование составных частей адаптивной системы автоматического управления автомобилем // Микроэлектроника и информатика-тезисы докладов секция-7 (2011г).
  4. Деменков Н. П., Микрин Е. А. Управление в технических системах: учебник / Н. П. Деменков, Е. А. Микрин. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. -452с.
  5. Интернет ресурс: Блог Яндекса [режим доступа: https://yandex.ru/blog/company/kak-vyglyadyat-bespilotnye-avtomobili-yandeksa-novogo-pokole]
  6. Интернет ресурс: официальный сайт Государственный научный центр Российской Федерации ФГУП «НАМИ», раздел «Проекты» [режим доступа: [https://nami.ru/]

7. Интернет ресурс: пресс центр ПАО Камаз [режим доступа: https://kamaz.ru/press/releases]

  1. Пантелеев А. В. Теория управления в примерах и задачах: Учеб. Пособие / А. В. Пантелеев, А. С. Бортаковский. — М.: Высш. Шк., 2003. — 583 с.
  2. Шурыгин Ю. А., Карпов А. Г. Современные проблемы теории управления. — Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2017. — 80с.
Основные термины (генерируются автоматически): машинное зрение, устройство, ADAS, GPS, автомобиль, общественное пользование, система управления, датчиковая аппаратура, мобильная связь, электрический привод.


Ключевые слова

адаптивная система управления, беспилотные наземные транспортные средства, устройства машинного зрения, интеллектуальны системы управления, робастное управление

Похожие статьи

Навигационные системы для систем автоматического...

Для обеспечения управления автомобилем без участия человека используются системы управления автомобилем, состав которых, например, для автомобилей корпорации Google следующий: − аппаратура приема (АП) сигналов спутниковых радионавигационных систем...

Применение автоматических выключателей в системах...

Применение автоматических выключателей в системах управления технологическими установками.

В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например...

Общие принципы построения навигационных систем...

Целью статьи являлся анализ принципов построения систем навигации на примере систем для подвижных наземных объектов и определение направлений повышения качества работы данных систем. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения публикаций связанных с...

Разработка портативной системы машинного зрения для...

− Инновационность: существующие системы машинного зрения, применяемые для детектирования событий, подсчета количества людей в кадре, идентификации объектов — имеют в основе свёрточные нейронные сети, которые, в свою очередь, требуют для работы...

Системы видеосопровождения для беспилотного летательного...

Целями для таких систем могут служить люди, летательные аппараты, автомобили и другая техника.

Система видеосопровождения (СВС), укрупненная функциональная схема которой показана на рис. 1, содержит электрические приводы отработки заданных угловых положений...

Системы навигации подвижных наземных объектов и их...

Целью статьи являлся анализ существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и сравнение их точностных характеристик. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких навигационных систем различных производителей и изучения...

Применение систем технического зрения в диагностике...

Огромный рост числа автомобилей заставляет задуматься об их качественном обслуживании, что гарантирует система технического зрения (СТЗ).

Библиографическое описание: Поезжаева, Е. В. Применение систем технического зрения в диагностике автомобилей при...

Современные системы коммерческого осмотра вагонов

Первые системы АСКО ПВ были разработаны в 1995 году. Они усовершенствовались и модернизировались, расширялся спектр функциональных возможностей системы. На сегодняшний день АСКО ПВ представляет собой комплекс устройств, предназначенных для...

Применение системы «ГЛОНАСС» на автомобильном транспорте...

Расширение возможностей общегородской системы автоматизированного управления

С 1 января 2012 года аппаратура ГЛОНАСС постепенно появляется на всем пассажирском

Также возможно выводить на экран расстояние до автомобиля, находящегося спереди, особенно...

Похожие статьи

Навигационные системы для систем автоматического...

Для обеспечения управления автомобилем без участия человека используются системы управления автомобилем, состав которых, например, для автомобилей корпорации Google следующий: − аппаратура приема (АП) сигналов спутниковых радионавигационных систем...

Применение автоматических выключателей в системах...

Применение автоматических выключателей в системах управления технологическими установками.

В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например...

Общие принципы построения навигационных систем...

Целью статьи являлся анализ принципов построения систем навигации на примере систем для подвижных наземных объектов и определение направлений повышения качества работы данных систем. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения публикаций связанных с...

Разработка портативной системы машинного зрения для...

− Инновационность: существующие системы машинного зрения, применяемые для детектирования событий, подсчета количества людей в кадре, идентификации объектов — имеют в основе свёрточные нейронные сети, которые, в свою очередь, требуют для работы...

Системы видеосопровождения для беспилотного летательного...

Целями для таких систем могут служить люди, летательные аппараты, автомобили и другая техника.

Система видеосопровождения (СВС), укрупненная функциональная схема которой показана на рис. 1, содержит электрические приводы отработки заданных угловых положений...

Системы навигации подвижных наземных объектов и их...

Целью статьи являлся анализ существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и сравнение их точностных характеристик. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких навигационных систем различных производителей и изучения...

Применение систем технического зрения в диагностике...

Огромный рост числа автомобилей заставляет задуматься об их качественном обслуживании, что гарантирует система технического зрения (СТЗ).

Библиографическое описание: Поезжаева, Е. В. Применение систем технического зрения в диагностике автомобилей при...

Современные системы коммерческого осмотра вагонов

Первые системы АСКО ПВ были разработаны в 1995 году. Они усовершенствовались и модернизировались, расширялся спектр функциональных возможностей системы. На сегодняшний день АСКО ПВ представляет собой комплекс устройств, предназначенных для...

Применение системы «ГЛОНАСС» на автомобильном транспорте...

Расширение возможностей общегородской системы автоматизированного управления

С 1 января 2012 года аппаратура ГЛОНАСС постепенно появляется на всем пассажирском

Также возможно выводить на экран расстояние до автомобиля, находящегося спереди, особенно...

Задать вопрос