Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Automaticky a autonomně řízená silniční vozidla

Automobilový průmysl nabízí četné inovace, mezi něž patří asistenční systémy řidiče a vozidla, řízení odpružení, autodiagnostika, zlepšení komfortu (řízení klimatizace, osvětlení, sedadel, zábavních prvků – infotainment) a řízení hnacího ústrojí vozidla, asistence při parkování, varování před kolizí, detekce chodců, kontrola hluku a vibrací a mnoho telematických funkcí (navigace, e-services apod.). Mezi perspektivní rozvíjející se oblasti patří elektronické řízení pohonu a brzdění (drive-by-wire, brake-by-wire). Aktivní mechanismus řízení je první krok k funkci steer-by-wire, což je elektronické řízení vozidla („řízení po drátech“). Sice ještě neumožňuje zcela autonomní jízdu, avšak zajišťuje korekční funkce a více pohodlí. 

Významný nárůst využití telematiky v dopravě klade stále větší požadavky na elektronické systémy ve vozidle i na dopravní infrastrukturu. Vše je děláno za účelem podpořit bezpečné a rychlé rozhodování řidiče. S tímto cílem byl také plněn úkol NextMAP (společná úloha ERTICA a společností Navigation Technologies, TeleAtlas, BMW Group, Daimler Chrysler, Jaguar, Fiat a Renault; 2000 až 2002). Předmětem úlohy bylo posoudit technickou a ekonomickou proveditelnost rozšířených formátů mapových databází a posoudit výhody pro vozidlové systémy ITS (Intelligent Transport Systems), zejména dopad na ADAS (Advanced Driver Assistance Systems). Dokument NextMAP rozšiřuje standard GDF (Geographic Data Files) o další aspekty využitelné v dopravně-telematických aplikačních programech. V tab. 1 jsou uvedeny aplikační programy, které tuto rozšířenou databázi využívají.

Dlouho trvající jízda v koloně na dálnici je pro člověka relativně jednoduchá, nudná regulační úloha, neboť nejsou využívány jeho schopnosti. Bylo by proto možné vyvinout regulátor, který vykonává tyto řidičovy úlohy:

–   dodržování stopy a regulace rychlosti,

–   dodržování vzdálenosti od pevných a pohyblivých překážek,

–   změna jízdního pruhu doprava při volném jízdním pruhu na dostatečné délce vpředu a vzadu,

–   změna jízdního pruhu doleva (předjíždění) při volném jízdním pruhu vpředu a vzadu a dostatečně větší rychlosti vzhledem k předjížděnému vozidlu.

Pro automatický provoz je tedy vedle udržování zadané rychlosti jízdy při uvažování dopravních značek (omezení rychlosti, zákaz předjíždění) nutné průběžné měření vzdálenosti k objektům ve třech jízdních pruzích (vlastním, levém a pravém), a to dopředu i dozadu. Řízené vozidlo musí poznat jiná vozidla řízená lidmi a brát na ně ohled. Technické řešení těchto problémů není jednoduché, ale je v zásadě možné.

Automatické dálnice

Automatizovaný dálniční systém (AHS – Automated Highway System) je projekt plnoautomatického řízení vozidel na dálnici v rámci ITS v USA. Šlo o úlohu, jejíhož řešení se účastnilo několik amerických univerzit a předních výrobců automobilů a letadel. Předpokládalo se, že vozidla budou vedena po virtuální (magnetické) koleji, budou se pohybovat v kolonách maximálně po dvaceti vozidlech a veškeré podélné řízení (rychlost a zrychlení) a příčné řízení (poloha a směr) budou automatické. Systém byl již několikrát předveden na různých dálnicích v USA, Evropě a v Japonsku. V červnu 2005 byla otevřena první automatická dálnice v USA (Turnpike, New Jersey).

Automobily jsou stále častěji vybavovány tempomatem a antikolizním zařízením, které ovládá žádanou hodnotu rychlosti zadávanou tempomatu, jestliže se automobil příliš přiblíží k vozidlu jedoucímu před ním. Kdyby byla tato sestava doplněna zařízením pro vedení automobilu po virtuální koleji, vznikl by vlastně autopilot, který by vedl automobil v přímém směru a zabraňoval kolizi s vozidlem před ním. Je známo, že propustnost jednoho silničního pruhu neroste monotónně s rychlostí v něm jedoucích vozidel, ale vykazuje určitý extrém okolo rychlosti 75 km/h. Důvodem je konečná doba reakce řidiče (resp. jeho pásmo propustnosti), což nutí řidiče při větších rychlostech udržovat mnohem větší rozestup mezi vozidly. Jestliže bude řidič nahrazen automatickým zařízením, které bude udržovat směr a konstantní vzdálenost od předchozího vozidla, jde již o oblast automatických dálnic. Ze skupiny vozidel v daném okamžiku jedoucích stejným směrem se vytvoří kolona s minimálními vzdálenostmi mezi vozidly a vedoucímu vozidlu budou poskytnuty veškeré informace potřebné pro rozhodování o rychlosti a směru jízdy celé kolony. Jsou-li vytvářeny kolony z vozidel směřujících za stejným cílem, na silnice je vlastně přenášen princip známý z elektronické pošty. U elektronické pošty není účastníkovi pronajata celá linka jako u klasického telefonu, ale zpráva je rozdělena na pakety s adresou na základě protokolu TCP/IP, které samostatně putují právě volnými komunikačními linkami. Paketům v popisovaném případě odpovídají kolony vozidel pohybující se velkou rychlostí při minimálních vzdálenostech mezi vozidly. Kolona je virtuální a podle potřeb účastníků narůstá či se rozpadá (účastník může podle svého rozhodnutí kdykoliv vybočit do pruhu s klasickým řízením a opustit dálnici). Vedoucí vozidlo je ve stálém spojení s nadřazenou regulační vrstvou, která mu doporučuje nejvýhodnější cestu podle stavu dopravní situace v celém regionu. Jízda v koloně (platooning) má i další výhody. Jestliže vzdálenosti mezi vozidly v koloně nepřesáhnou polovinu délky vozidla, klesne čelní aerodynamický odpor o až 25 %, což znamená významnou úsporu paliv a méně exhalací.

Pro řízení takovýchto kolon (car platoons) je v regulační technice používáno označení inteligentní systém řízení. Struktura systému řízení automatické dálnice je znázorněna na obr. 1. Na nejnižší úrovni funguje regulační vrstva, která se skládá z regulátoru pro udržování směru a regulátoru pro udržování rychlosti vozidla, zachovávající konstantní vzdálenost mezi jednotlivými členy kolony. Zde je možné použít vybavení uvažované pro inteligentní automobil. Směr je udržován pomocí virtuální „koleje“, tvořené permanentními magnety umístěnými v povrchové vrstvě vozovky uprostřed jízdního pruhu, které jsou od sebe v podélném směru vzdáleny 1,2 m. Střídáním polarity jednotlivých magnetů může být vytvořen binární kód informující o měnících se vlastnostech silnice. Jako snímače se používají magnetometry v předním a zadním nárazníku. Vytvoření takovéto virtuální koleje je celkem nenáročné. Výstupním členem je servomotor řízení, který dodává přídavný moment k volantu (přídavný moment lze ručním řízením přemoci, což je chápáno jako signál k opuštění pruhu s automatickým řízením).

Regulátor rychlosti využívá radarové měření vzdálenosti od předchozího vozidla a jeho výstupy jsou žádaná hodnota rychlosti pro elektronický regulátor otáček motoru (předpokládá se, že vozidla mají automatickou převodovku) a žádaná hodnota brzdicího momentu pro elektronický regulátor brzdicího momentu, který se poněkud liší od klasického regulátoru, jenž využívá systém ABS.

Podobný je systém automatického řízení vozidla Convoy. Tento systém může řidič kdykoliv použít, je-li vozidlo vybaveno náležitou technikou (kamera, snímače, ovládací prvky, řídicí jednotka) a silnice má vodicí jízdní pruh. Vodicí pruh je v tomto případě vytvářen s využitím zeleného dělicího pruhu, jehož šířka však musí být minimálně 4 m; v ostatních případech je nutné dálnici rozšířit (obr. 3).

Jakmile řidič dosáhl přiměřené pozice ve vodicím pruhu, předá spínačem (4) na obr. 4 řízení automatu. Jestliže vozidlo může převzít automatické řízení (např. dostatečně malá boční vzdálenost od vodicího zařízení pro snímače (3)), potvrdí vozidlo převzetí řízení (11). Vozidlo potom zvýší rychlost na určenou pro vodicí pruh (např. 130 km/h). Boční vzdálenost k vodicímu zařízení je určována snímači (3) a počítačem (6) je přiveden signál k servořízení (9). Optopilot (1) redundantně kontroluje celé přední pole, přičemž část výřezu obrazu může být prostřednictvím zpětného zrcátka nasměrována dozadu. Snímač odstupu (2) umístěný vepředu určuje volný prostor v jízdní stopě. Komunikační místa (4) a (5) (např. infračervené vysílače a přijímače) vyzařují identifikační kód, rychlost vozidla, zpoždění a popř. další údaje. Určí-li kamera (1) nebo snímače (2) překážku v nebezpečné vzdálenosti, začne prostřednictvím zařízení (6) krizové brzdění. Informace o tomto opatření je současně předána (4) a (5). Optopilot rozděluje zorné pole snímané kamerou do oblastí, které jsou následně analyzovány (úroveň jasu), a získané výsledky jsou předány řídicí jednotce.

Vývoj automatické dálnice pokračuje a v USA lze očekávat zavedení dalších úseků. Druhou cestou jsou pokročilé asistenční systémy. Asistenční systémy nenahrazují řidiče, pomáhají mu však v různých činnostech, které mohou dělat lépe či rychleji.  

Autonomní řízení silničních vozidel

Řidič ovládá vozidlo řízením, brzděním a zrychlováním. Nejnižší úroveň tvoří zpětnovazební a přímé řízení, kam patří zejména řízení směru, polohy, rychlosti a zrychlení automobilu. Vozidlo na zásahy řidiče reaguje, ale ne vždy tak, jak si řidič představuje. O pohybech vozidla je řidič informován; např. vizuálně o výchylkách ze směru. Kromě vizuálních informací dostává řidič ještě informace mechanické: vestibulární (zrychlení) a haptické (moment na volantu). Řidič tyto informace porovnává se zadanými požadovanými veličinami a pro docílení požadovaného směru své vozidlo neustále koriguje. Řidič, vozidlo a okolí, ve kterém se vozidlo pohybuje, tedy tvoří regulační obvod (obr. 5). V tomto obvodu má řidič funkci regulátoru a automobil je regulovanou soustavou. Vnější poruchy, které působí na vozidlo, často pocházejí z vozovky (trasa silnice, nerovnosti, příčný nebo podélný sklon, změna přilnavosti), kromě toho na vozidlo mnohdy působí i vliv bočního větru. Směr jízdy ovlivňují také vnitřní poruchy, jako např. rozdílné brzdné síly na levé a pravé straně vozidla. Nesouměrné brzdění ale vzniká také vnějším vlivem (rozdílnou přilnavostí vozovky v příčném směru). Určitému natočení volantu βv odpovídá např. určitá hodnota úhlové rychlosti otáčení vozidla okolo svislé osy ε. (tzv. stáčivá rychlost), která je odezvou systému vozidla (obr. 5). Princip automatického řízení vozidla označovaný Dual-Mode-Bus je znázorněn na obr. 6. Na obr. 7 je ukázán příklad elektronického řízení nákladního automobilu představeného v roce 1987 firmou Bosch. Vodicí kabel je zapuštěn do drážky v povrchu vozovky.

Pro veřejnou městskou dopravu byl firmou MAN vyvinut autobusový dopravní systém, který se nevztahuje jen na dopravní prostředek (autobus), ale zahrnuje také další složky (jízdní dráha, zastávky, provoz). K bočnímu vedení, tzv. držení stopy, je použit kabel uložený asi 30 mm pod povrchem vozovky. Autobus má dvě antény a jeden řídicí počítač. V oblasti hydrauliky jsou vedle sériového servořízení nutná dvě nezávislá řídicí ústrojí pro elektronické udržování stopy. Z bezpečnostních důvodů je zařízení redundantní. Třetí elektronický kanál kontroluje oba trvale zapojené okruhy řízení (obr. 8).

Vzhledem k velké provozní spolehlivosti automatické regulace v porovnání s lidskou regulací vzroste bezpečnost, ale poklesne silniční kapacita. Řidič by mohl využitím své inteligence přemýšlet o předjetí okolních automaticky řízených vozidel. Proto by mohl vzniknout problém akceptovatelnosti takovéhoto kombinovaného provozu.

Schéma vozidla s automatickou regulací podélného pohybu (jízda v koloně, nouzové brzdění při náhlé překážce) je na obr. 9. Samotným měřením odstupu lze zjistit zpomalení vedoucího vozidla ve vozidle následujícím jen s dlouhou časovou prodlevou. Tuto prodlevu lze podstatně omezit přenosem dat. Zpomalení změřené v prvním vozidle je přenášeno rádiovou nebo optickou cestou na následující vozidla a tam ihned předáno regulátoru zpomalení, který řídí škrticí klapku a brzdný tlak. Tak je možné koordinované brzdění kolony (udržování konstantního odstupu mezi vozidly). Vhodnými snímači (několikapaprskový impulzní laser) nebo vyhodnocením obrazu kamery je možné bezpečně rozpoznat i různé překážky.

Koncepce k automatickému vedení vozidla v příčném směru vychází z regulačního chování řidiče. Podle toho je úloha příčného vedení rozdělena na:

–   řízení směru, které vozidlo vede v přibližném směru silnice,

–   regulování jízdy ve stopě k dodržení dané šířky jízdního pruhu.

Povel k nastavení úhlu řízení se tedy skládá z řídicí části (vstupem je zakřivení silnice a rychlost jízdy) a z regulované části (vstupem je boční odchylka). Ke zjištění boční odchylky pro regulaci stopy jsou na přídi a zádi vozidla ultrazvukové senzory k měření boční vzdálenosti od vodicí laťky. Pro řízení směru je ze souboru dat řídicího počítače vybrán průběh křivosti silnice. Zařízení znázorněné na obr. 11 je redundantní systém k vyhodnocení obrazu s digitální CCD kamerou. Jako akční člen funguje frekvenčně řízený krokový motor, který prostřednictvím ozubeného hřebenu pohání hřídel volantu. Rovnice řízení a algoritmus regulace jsou řešeny v ústřední řídicí jednotce CPU (Central Processing Unit).

V roce 2005 vyhlásila agentura DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) závod automatických automobilů. Závod probíhal v kalifornské poušti na trati dlouhé 175 mil a závodu se zúčastnilo několik desítek soutěžních týmů převážně z univerzit, ale také několik výrobců automobilní techniky. Závod vyhrálo družstvo studentů s konvenčním terénním automobilem Volkswagen Tuareg, který byl doplněn příslušnými snímači a navigační a regulační technikou. Při hledání technického řešení návrhu takového automatického zařízení lze jistit, že ve většině případů je nejvýhodnější cestou napodobování činnost lidského řidiče.

Vize o automatické jízdě vozidla (autonomní řízení, automatizovaná jízda) se podle prognóz stane skutečností kolem roku 2020.

Literatura:

[1] VLK, F.: Asistenční a informační systémy. Automobilová elektronika 1. Nakladatelství a vydavatelství Vlk, Brno, 2006.

[2] VLK, F.: Systémy řízení podvozku a komfortní systémy. Automobilová elektronika 2. Nakladatelství a vydavatelství Vlk, Brno, 2006.

[3] VLK, F.: Podvozky motorových vozidel. 3., aktualizované vydání. Nakladatelství a vydavatelství Vlk, Brno, 2006.

[4] Bosch: Technical Instruction Booklet. Studijní materiály pro automechaniky. Stuttgart, 2002 až 2007.

[5] Bosch: Safety, Comfort & Convenience Systems. Stuttgart, 2006.

[6] Bosch: Automotive Electrics /Automotive Electronics. Stuttgart, 2007.

[7] Bosch: Automotive Handbook. Stuttgart, 2011.

[8] VLK, F.: Lexikon moderní automobilové techniky. Nakladatelství a vydavatelství Vlk, Brno, 2006.

prof. Ing. František Vlk, DrSc.

Obr. 1. Automatizovaný dálniční systém AVSS11 (USA)

Obr. 2. Struktura vozidla pro provoz na automatické dálnici

Obr. 3. Automatizovaný dálniční systém Convoy (ATZ 1988/9)

Obr. 4. Vybavení vozidla pro automatické řízení systémem Convoy

Obr. 5. Regulační obvod řidič-vozidlo při udržování přímého směru jízdy

Obr. 6. Schematické znázornění automatického řízení nákladního automobilu (ATZ, 1978, č. 2)

Obr. 7. Schematické znázornění nejdůležitějších částí elektronické regulace příčného vedení autobusu MAN (ATZ, 1979, č. 5)

Obr. 8. Schéma elektronického udržování stopy autobusu MAN (ATZ, 1989, č. 2)

Obr. 9. Vozidlo s automatickou regulací podélného pohybu

Obr. 10. Vozidlo s automatickou regulací příčného pohybu

Obr. 11. Schéma zařízení optopilot pro měření odstupu impulzním laserem a kontrolu jízdního pruhu prostřednictvím CCD kamery

Obr. 12. Jedna z prognóz vývoje autonomního vozidla (zdroj: Bosch)

 

Tab. 1. Aplikační programy využívající rozšířenou databázi NextMAP

(dostupné na <www.cdv.cz/itsrevue/index.php?its=archiv-clanku/projekt-nextmap>)

Podélné řízení vozidla

adaptivní řízení (ACC)

automaticky kontroluje rychlost vpředu jedoucích vozidel a odstupu od nich

adaptivní řízení nastavení světlometů

dynamicky ovládá světlomety

varovné rychlostní systémy

varují před průjezdem zatáčkou nepřiměřenou rychlostí

zlepšení dohlednosti

systémy zlepšují dohlednost v nepříznivých světelných a klimatických podmínkách

vizuální a akustická signalizace řidiči

systémy poskytují vizuální a akustické informace varující před výskytem potenciálně nebezpečných míst

varovné protikolizní systémy

varují řidiče před možností kolize

Příčné řízení

vozidla

varování před změnou směru

varují řidiče před nezáměrnou změnou směru

asistent „držení jízdní stopy“

napomáhá řidiči zachovat jízdní dráhu vozidla

asistent změny směru

informuje řidiče o vozidlech v sousedních jízdních pruzích

Tab. 2. Roztřídění asistenčních systémů řidiče motorového vozidla (podle NEUNZIG, D.: Fahreassistenz auf dem Weg zur aktiven Unfallvermeidung. Forschungsgesselschaft Kraftfahrwesen mbH. Aachen, 2004)

 

Úroveň navigace

Úroveň vedení vozidla

Úroveň stabilizace

Informace a výstrahy

navigační systém

asistence při změně jízdního pruhu

 

Závazné pokyny

 

rozeznávání dopravních značek

 

Zásahy do řízení

 

 

řízení dynamiky vozidla

Převzetí řízení

 

automatické zabránění kolizi