Bezpieczna przyszłość w inteligentnych pojazdach

Typowe aplikacje

Przykładem mogą być poduszki powietrzne oraz systemy, które odpowiadają za automatyczną kontrolę otoczenia osób przebywających w pojeździe. Minimalizują one ryzyko poważnych urazów kierowcy i pasażerów, w czasie wypadku samochodowego. Wśród nich można wymienić odpowiednie ustawienie foteli, zagłówków oraz sterowanie napięciem pasów. Dodatkowo, oprócz najnowszych rozwiązań związanych z bezpieczeństwem, w samochodach wprowadza się coraz więcej urządzeń ułatwiających podróż, a także zapewniających pasażerom większy dostęp do informacji i rozrywki.

Producenci samochodów zazwyczaj oddzielali udogodnienia dla kierowcy, od systemów bezpieczeństwa. Coraz większa liczba nowych układów kontrolnych, takich jak na przykład te, które wykrywają obiekty wokół pojazdu, jest początkowo traktowana jako element ułatwiający prowadzenie w samochodach najwyższej klasy. Nowinki te jednak z czasem zaczynają odgrywać rolę systemów zwiększających bezpieczeństwo, tak jak np. było to z tempomatem, czy radarem parkowania.

Smutne statystyki

W 2004 roku w Unii Europejskiej odnotowano blisko 6,2 mln wypadków samochodowych, w których zginęło ponad 43 tys. ludzi, a rannych zostało około 2,8 mln. Według badań, najczęstszą przyczyną wypadków jest nieuwaga osób kierujących pojazdem. 80% kolizji było spowodowanych sennością lub korzystaniem z telefonu komórkowego, w ciągu trzech sekund przed zdarzeniem. W związku z tym, działanie systemu bezpieczeństwa w samochodzie nie może ograniczać się jedynie do zmniejszania skutków wypadków. W pewnym sensie elektronika w samochodzie musi być dodatkowym zmysłem kierowcy.

Działanie

Rys.1. Podział systemów bezpieczeństwa instalowanych w samochodach

Przykładem jest adaptacyjna regulacja odległości między pojazdami, w której wykorzystano czujnik radarowy. Umożliwia on utrzymanie bezpiecznej odległości od innych pojazdów. W ten sposób elektronika odciąża kierowcę od ciągłego analizowania warunków na drodze, a nawet zastępuje go w chwilach nieuwagi. System elektroniczny szybciej analizuje dane i może bardziej precyzyjnie, niż człowiek, zareagować na zmianę prędkości innych pojazdów. Kolejnym przykładem jest sytuacja, w której pojazd w trakcie gwałtownego manewru może wymknąć się spod kontroli. Wówczas większą stabilność zapewnia łączna analiza danych pochodzących z różnych źródeł, w tym układów ABS, kontroli trakcji i kąta znoszenia pojazdu. Wnioski wyciągnięte z odpowiednich pomiarów pomagają kierowcy w utrzymaniu kontroli nad pojazdem. Zadany kierunek jazdy jest porównywany z aktualną pozycją pojazdu. Zadanie to jest wykonywane poprzez powiązanie danych z czujników w kierownicy i w hamulcach z informacją z sensorów mierzących kąt znoszenia i przyspieszenie oraz obroty każdego z kół. Jeżeli zostanie wykryta różnica między poleceniem kierowcy i zachowaniem pojazdu system interweniuje. Droga jest korygowana poprzez przyhamowanie odpowiedniego koła, w zależności od tego, czy wystąpi nadsterowność, czy podsterowność.

Wnioski

Zadaniem elektronicznego systemu bezpieczeństwa jest zapobieganie wypadkom. Aby było to możliwe niezbędna jest implementacja funkcji pozwalających na rozpoznanie oznak zbliżającego się niebezpieczeństwa. Aktywne rozwiązania charakteryzują się tym, że rozpoczynają działanie w momencie, gdy nastąpi sytuacja zagrożenia. W takim wypadku decydujący jest przede wszystkim czas reakcji. Wykrycie potencjalnego zagrożenia musi wystąpić co najmniej na kilka sekund przed zdarzeniem. Aby móc interweniować adekwatnie do sytuacji program sterujący musi więc w odpowiedni sposób interpretować zachowanie kierowcy.

Fałszywy alarm

Ważne jest, aby sytuacje, w których układy bezpieczeństwa powinny zareagować były dokładnie zdefiniowane. Najczęściej są one przedstawiane w formie zestawu ściśle określonych warunków, które opisują zachowanie pojazdu w momencie wystąpienia niebezpieczeństwa. W przypadku systemów, które muszą przewidywać i rozpoznawać potencjalnie groźne sytuacje na bieżąco, niezwykle ważne, a zarazem bardzo trudne w realizacji jest to, aby były one w stanie poprawnie interpretować zachowanie osoby prowadzącej pojazd. Każdy fałszywy alarm zmniejsza znaczenie kolejnych generowanych ostrzeżeń. W takiej sytuacji system ostrzegania zostanie przez człowieka wyłączony, albo zacznie być ignorowany. Problem, jakim jest poprawność interpretacji planów kierowcy, najlepiej ilustruje algorytm detekcji martwej strefy, wykorzystywany w czasie wykonywania manewru parkowania. Jeżeli ostrzeżenia byłyby generowane za każdym razem, gdy jakiś obiekt znajdzie się w obrębie danej strefy, użytkownik z pewnością szybko wyłączyłby taki system. Program powinien ostrzegać kierowcę tylko wtedy, gdy zamierza on zmienić pozycję pojazdu w taki sposób, że zderzenie z wykrytym obiektem jest wysoce prawdopodobne. Komplikuje to zadanie, gdyż pojawienie się obiektu w strefie zagrożenia zderzeniem nie jest wystarczającą przyczyną do wszczęcia alarmu. Tak samo, włączenie kierunkowskazu nie jest wystarczającym powodem, aby móc ostatecznie stwierdzić, że nastąpi zmiana pasa. W związku z tym, poza czujnikami badającymi środowisko na zewnątrz pojazdu potrzebne są dodatkowe informacje, które ułatwią przewidywanie zamiarów kierowcy. Niezbędne dane zbierane są przez sensory rozmieszczone w wielu punktach pojazdu, takich jak na przykład kierownica, hamulec i kierunkowskaz. Za pomocą zainstalowanych wewnątrz pojazdu kamer, analizowane jest też zachowanie kierowcy mimo, że nie istnieją żadne formalnie zdefiniowane standardy określające jego interpretację. Algorytmy, które pozwalają przewidywać zamiary człowieka są przedmiotem badań oraz stanowią przeważnie własność i tajemnicę poszczególnych producentów.

Pomiary

W celu uzyskania wysokiej dokładności, układy elektroniczne w pojazdach pobierają dane z wielu czujników różnego typu. Każdy rodzaj sensorów ma jednak zarówno wady, jak i zalety. Wykorzystując różne rodzaje czujników i odpowiedni sposób przetwarzania odbieranych sygnałów, system jest w stanie podjąć lepszą decyzję. Stosuje się różne sensory analizujące otoczenie, w tym radarowe, LIDAR (Light Detection And Ranging), podczerwieni, ultradźwiękowe oraz wideo. Informacje pochodzące z sensorów opartych o opisywane technologie często pokrywają się mimo, że rozmieszczane są w różnych częściach pojazdu. Pozostałe czujniki rejestrują informacje na temat zachowania pojazdu. Wymienić warto takie urządzenia jak żyroskopy, akcelerometry, detektory położenia kierownicy i pedałów oraz czujniki obrotów kół. Kolejnym źródłem informacji o otaczającym środowisku są dane na temat pozycji samochodu. Pozyskiwane są one z użyciem cyfrowych map i nawigacji z zastosowaniem globalnego systemu pozycjonowania GPS, dostarczającego w czasie rzeczywistym aktualnych informacji na temat położenia pojazdu.

Czujniki w siedzeniach

Pojawienie się poduszek powietrznych znacząco wpłynęło na zwiększenie bezpieczeństwa pasażerów. Równoległe pojawił się inny problem. Otwarcie poduszki powietrznej może jednocześnie powodować dodatkowe obrażenia u ofiar wypadków, zwłaszcza, gdy pasażerem jest dziecko, a siła z jaką otwiera się poduszka jest zbyt duża. Konieczne jest więc dostosowanie tej siły do osoby, która ma być chroniona. Aby było to możliwe niezbędne jest pozyskanie szeregu informacji na temat osoby zajmującej siedzenie, w tym przede wszystkim jej wagi i wzrostu. Parametry te pozwalają na zakwalifikowanie pasażera do jednej z kategorii obejmujących dziecko, dorosłego oraz sytuację, gdy siedzenie jest puste. Wiedza na ten temat jest zbierana przez sensory rozmieszczone w siedzeniu, na przykład w postaci maty złożonej z wielu czujników, których liczba może przekroczyć nawet sto. Badają one rozkład nacisku pasażera na siedzenie oraz rozstaw jego stawów biodrowych, co pozwala na przyporządkowanie mu masy i zakwalifikowanie do odpowiedniej kategorii. W razie wypadku siła, z jaką zostaną otwarte poduszki będzie dopasowana do pasażera zajmującego siedzenie. W oparciu o te informacje sterowane jest również napięcie pasów.

Wielki brat

Rys. 2. Czujniki najczęściej stosowane w samochodach

Technologie czujników wideo są bezustannie rozwijane. Na przykład kamery, które pracują w szerokim zakresie dynamicznym barw (HDR - High Dynamic Range) pozwalają bardziej precyzyjnie rejestrować szczegóły w szerszym zakresie zmian jasności, niż klasyczne kamery. Sensory z możliwością rejestracji w HDR są ważnym elementem elektroniki samochodowej. Jest to spowodowane koniecznością pracy zarówno w ciemności, jak i w ciągu dnia. Czujniki HDR potrafią wykryć te szczegóły, które w jasno oświetlonej scenerii zostają rozmyte oraz te elementy, które są tracone, gdy pozostają w cieniu. Z tego względu technologia HDR najlepiej sprawdza się w sytuacjach, w których fragmenty oświetlone i zaciemnione występują jednocześnie. Inne dotychczas powszechnie stosowane rozwiązania, pozwalają na lepsze rozróżnienie poziomów jasności w przypadku scen, w których występuje bardziej równomierne oświetlenie.

Koalicja sensorów

Układy elektroniczne w samochodzie działają w oparciu o olbrzymią ilość informacji napływającą bezustannie z niezliczonej liczby czujników. Pociąga to za sobą konieczność skorelowania ze sobą różnych danych. Tak wiele wejść informacyjnych umożliwia elektronice samochodowej identyfikację pozycji pojazdu i jego drogi względem innych obiektów znajdujących się w jego pobliżu. Jednocześnie odbierając dane z dużej liczby sensorów należy liczyć się ze wzrostem wymagań dotyczących głównie oczekiwań wobec możliwości przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym oraz organizacji przepływu informacji w obrębie magistrali danych.

Wprowadzenie sieci komunikacyjnej wewnątrz pojazdu zmniejsza jego cenę i masę. Jest to możliwe dzięki redukcji lub wręcz całkowitemu wyeliminowaniu konieczności instalowania nadmiarowych czujników. Przykładem może być sytuacja, w której zarówno system sterowania napełnianiem poduszek powietrznych, jak i podwoziem, może korzystać z danych pochodzących z tego samego żyroskopu. Mogą one wykorzystywać te same sensory, aby zbadać stabilność pojazdu i w razie potrzeby podjąć odpowiednie akcje. Odpowiednia kombinacja i umiejętne skojarzenie ze sobą danych z różnych czujników może umożliwić eliminację niektórych z nich. Wówczas staje się możliwy tzw. „wirtualny” pomiar parametrów, których monitorowanie jest utrudnione, gdyż niektórych rzeczywistych sensorów nie da się umieścić w odpowiednim miejscu. Wirtualne czujniki, które obliczają parametry na podstawie wyników innych pomiarów, umożliwiają między innymi monitorowanie ciśnienia w oponach, badanie typu nawierzchni oraz tarcia.

Transmisja danych

Rys. 3. Asystent kierowcy wykorzystuje kamerę, która obserwuje oczy kierowcy i wykrywa potencjalnie niebezpieczne zachowania związane z zaśnięciem lub nieuwagą.

Inne protokoły stosowane w samochodach to światłowodowa magistrala transmisji danych MOST (Media-Oriented System Transfer) oraz standard D2B (Domestic Digital Bus).

Podstawową magistralą jest jednak wciąż magistrala CAN (Controller Area Network), która zastąpiła wiele rozwiązań stosowanych wcześniej przez różnych producentów. Implementacje standardu CAN umożliwiają transmisję w czasie rzeczywistym i charakteryzują się niskim kosztem oraz możliwością pracy w trudnych warunkach. W magistrali CAN zastosowano dostęp CSMA/CR (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Resolution). Dzięki umiejętnemu rozwiązywaniu konfliktów, które występują w momencie, gdy dostępu do magistrali zażądają jednocześnie dwa urządzenia, jej maksymalna przepustowość jest zazwyczaj w pełni wykorzystana. Maksymalna osiągalna szybkość transmisji w magistrali CAN to 1Mb/s. Czynnikiem ograniczającym ten transfer jest czas odpowiedzi danego urządzenia. Maksymalny czas oczekiwania w przypadku wiadomości o najwyższym priorytecie wynosi w przybliżeniu 150ms. Priorytet wiadomości zapisany jest w identyfikatorze w postaci wartości liczbowej. Im mniejsza jest ta wartość, tym wyższy jest priorytet wiadomości.

Za następczynię magistrali CAN uważa się rozwijany od 2000 roku standard FlexRay. Jest to sieć, która znajduje zastosowanie przede wszystkim w aplikacjach wymagających transmisji o dużej szybkości. FlexRay obsługuje dwa kanały komunikacyjne, z których każdy pracuje z szybkością 10Mbit/s. Ten standard jest więc stosowany zwłaszcza w takich sytuacjach, w których wymagania pod względem szybkości transferu znacznie przekraczają możliwości magistrali CAN. FlexRay może być również wykorzystana jako łącznik pomiędzy innymi sieciami. Dotychczas stosowane systemy transmisji w pojazdach działają w oparciu o asynchroniczny przesył danych, co przestaje się sprawdzać w obliczu coraz większej ilości danych odbieranych z czujników. W związku z tym rozpoczęto poszukiwania innego sposobu organizacji transmisji.

W wyniku porozumienia firm z branży zarówno motoryzacyjnej (BMW, DaimlerChrysler), jak i elektronicznej (Philips, Motorola) rozpoczęto prace nad nowym standardem opartym o transmisję synchroniczną. Dzięki temu sieć nigdy nie jest przeciążona. Podstawowym elementem dostępu jest okno czasowe, które składa się z obowiązkowego segmentu statycznego i opcjonalnego dynamicznego. Kanał statyczny jest używany do przesyłania informacji związanej z transmisją synchroniczną, która musi zostać skonfigurowana przed rozpoczęciem transmisji. Segment dynamiczny jest przeznaczony do przesyłania danych, związanych ze zgłoszonymi zdarzeniami, które pojawiają się w trakcie transmisji. Dostęp w segmencie dynamicznym przypomina metodę ważności priorytetów stosowaną w magistrali CAN. Sieć FlexRay może być organizowana na wiele różnych sposobów. Możliwa jest konfiguracja w topologii magistrali, gwiazdy oraz gwiazdy rozszerzonej, co jest niewątpliwą zaletą i daje większe możliwości producentom pojazdów.

Interfejs człowiek-maszyna

Największym wyzwaniem dla elektronicznych układów bezpieczeństwa jest implementacja HMI. Zadaniem tego interfejsu jest zapewnienie, aby zainstalowane w samochodzie systemy pracowały zgodnie z oczekiwaniami użytkownika. Dotyczy to zarówno rozwiązań odpowiadających za prognozowanie zachowania kierowcy, jak i tych związanych z aktywnym działaniem. Praca tych systemów może jednak przynieść pewne niezamierzone konsekwencje. W momencie, gdy staną się one bardziej niezależne osoba kierująca pojazdem zostanie automatycznie pozbawiona części kontroli nad autem. Z drugiej strony systemy, które są tylko częściowo niezależne mogą stanowić jeszcze większe zagrożenie, gdyż przyczyniają się do odwracania uwagi kierowcy. Czas reakcji człowieka w przypadku sytuacji wymagających podjęcia decyzji może się w takim czasie wydłużyć. Przykładem niebezpiecznych sytuacji jest przypadek, w którym istnieje poważne prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji. Może pojawić się konieczność podjęcia wyboru, w który z pojazdów lepiej uderzyć, aby uniknąć groźniejszego zderzenia. Problem jest jeszcze poważniejszy w sytuacji, gdy wybór taki ma być dokonany pomiędzy parą przechodniów. W związku z powyższym projektanci nie mogą pozwalać na podejmowanie wszystkich decyzji przez system kontrolny pojazdu dopóki nie będzie możliwości, aby mógł on odpowiednio zinterpretować wszystkie sygnały i dokonać poprawnego wyboru.

Interfejs HMI musi uwzględniać możliwości percepcyjne człowieka. Rozważyć należy sposób, w jaki są przedstawiane dane. Pomysł, aby prezentować wszystkie informacje na wyświetlaczu byłby kuszącą ideą, gdyby nie to, że stosowanie wyświetlaczy wymaga dużego skupienia uwagi. Ekran z informacjami wyświetlanymi w trakcie jazdy mógłby powodować zbyt duże rozproszenie kierowcy. Większa ilość informacji przekazywanych w tej formie wymagałaby od osoby prowadzącej pojazd przede wszystkim bardzo szybkiego interpretowania przedstawianych danych.

Podsumowanie

Najnowocześniejsze rozwiązania elektroniczne mogą oferować użytkownikom samochodów wiele wygody, ale najważniejszą sprawą jest wciąż to, jak sprawnie człowiek jest w stanie się z nimi komunikować. W końcu nawet zmienianie odbieranej stacji radiowej powoduje odwrócenie uwagi kierowcy od drogi. Rozwiązaniem tego problemu mogą być systemy reagujące na instrukcje głosowe.

Aktualnie dużą przeszkodę na drodze do upowszechnienia takich systemów jest wysoki koszt ich podstawowych elementów. W momencie, gdy ceny zaczną spadać lepsze i bezpieczniejsze implementacje będą coraz bardziej powszechne. Ważny jest także rozwój oprogramowania realizującego coraz bardziej złożone funkcje, a przez to zbliżającego systemy implementowane w pojazdach do urządzeń określanych mianem inteligentnych.

Monika Jaworowska