В первый испытательный парк вошли шесть машин Toyota Prius и одна Audi TT. В машины были установлены датчики, камеры, лазеры, специальные радиолокационные GPS-технологии. Автомобили могли взаимодействовать со средой, а не просто ехать по намеченному маршруту. Система отслеживала опасности и распознавала объекты (пешеходов, велосипедистов и другие машины) на расстоянии нескольких сотен метров. Водитель-испытатель все время находился в автомобиле, чтобы при необходимости взять управление на себя.
Исследования Google породили всплеск интереса к теме. Именитые компании увеличили инвестиции в технологическую и автомобильную отрасли, а вместе с тем возросло и число стартапов. По данным Брукингского института, американского аналитического центра, на разработку беспилотных автомобилей в период с 2014 по 2017 год было потрачено 80 миллиардов долларов. Возможно, это станет крупнейшей ошибкой капиталистов, по сравнению с которой финансовый пузырь «Компании Южных морей», тюльпанная лихорадка и ипотечный кризис в США покажутся довольно разумными.
Как обычно, оценки того, когда автомобили станут полностью автономными, оказались слишком амбициозными. Можно разобраться в причинах такого расхождения с реальностью, если посмотреть, как должны работать эти чудеса техники.
Чувство дороги
Дивный новый мир поистине умных машин требует разнообразных приборов, с помощью которых автомобиль пытается получить точное представление об окружающей обстановке.
Самыми дорогими и эффектными датчиками, которые производят специально для беспилотных машин, являются лидары (от англ. LiDAR, Light Detection and Ranging обнаружение и определение дальности с помощью света). Обычно их устанавливают на крыше. Эти системы посылают невидимые лазерные лучи малой мощности, которые, отражаясь от объектов, позволяют создать подробную и точную трехмерную карту окрестностей. Поле обзора может достигать 360 градусов. За счет мощных лазеров лидары пригодны для использования при любом освещении.
Ученые измеряют расстояние с помощью лазеров еще с 1960-х годов. Тогда группа ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) вычислила точное расстояние до Луны, измерив время, за которое свет долетает туда и обратно. В автомобилях лазеры впервые установили в 2007 году в ходе эксперимента компании Velodyne, производившей звуковое оборудование. Пять машин, на которые установили принципиально новые датчики, удачно справились с ориентированием в смоделированных условиях города.
В 2016 году лидар стоил около 75 000 долларов на автомобиль. К 2019 году его цена упала до 7500 долларов за флагманскую модель. Но стоимость должна стать еще ниже. В компании Ford рассчитывают, что лидар будет стоить приблизительно 500 долларов. Сейчас на большинстве автомобилей установлен один лидар, который создает панораму в 360 градусов или поворачивая всю систему лазеров, или быстро вращая зеркала. Многие исследователи считают, что главное условие для снижения стоимости создание твердотельных конструкций, где вращающиеся элементы сведены к минимуму или вовсе отсутствуют.
От зеркал получится отказаться, если заменить их на фазированные решетки, в которых используется ряд лазерных передатчиков. Когда все передатчики срабатывают одновременно, луч идет по прямой. Но если сместить фазы сигналов, то луч отклонится вправо или влево. Лидар на основе вспышки другое возможное решение. По принципу действия он напоминает фотоаппарат. Устройство выпускает один луч, который рассеивается и подсвечивает сразу всю область.
Слежение за дорогой с помощью лазеров.
Лидары становятся меньше и дешевле.
Затем сеть из крошечных датчиков регистрирует свет, который возвращается с разных сторон. Лидары такого типа хороши, потому что моментально охватывают всю область, но в то же время из-за этого появляется шум и картина становится менее четкой.
Но это не единственная проблема. Когда на большинстве автомобилей будут установлены лидары, они начнут создавать помехи друг для друга. Обычно система запускает прямой лазерный луч и использует сверхточные часы. Если лазеры на других машинах будут действовать в той же области, это нарушит их нормальную работу. Скептики также беспокоятся о том, справится ли система с плохими погодными условиями. Наконец, чтобы не нанести вред зрению человека, используются лазеры относительно малой мощности. Дальность луча равна примерно 150 метрам. Для ускорения и лавирования в потоке автомобилей нужен луч длиной по крайней мере 300 метров. Производители лидаров работают над увеличением частоты лазерного излучения, за счет которого получится усилить мощность. Благодаря этому луч будет простираться дальше видимого диапазона спектра. Вероятно, при совершенствовании системы удастся справиться и с другими недостатками. Технология уже неплохо работает в снег и дождь, а еще показывает хорошие результаты в избегании помех.
Лидар помогает машине «видеть» на коротких расстояниях, но для длинных дистанций требуется другое решение. И здесь на первый план выходят радары. На многих новых автомобилях уже установлены радиолокационные датчики, которые используются для адаптивного круиз-контроля, контроля слепых зон и автоматической системы аварийного торможения. Их поле обзора составляет примерно 10 градусов, а стоимость относительно невысока от 80 до 120 фунтов стерлингов за сенсор.
Главным преимуществом радаров традиционно считают способность воспринимать расстояние и скорость. Радар может измерить скорость на большом расстоянии. Это технология, которая отлично себя показала. Радар может распознать даже то, что находится за предметом. Его волны относительно длинные, поэтому появляются дифракция и отражение. За счет этих явлений можно «увидеть», что скрывается за другими объектами. На YouTube есть видео, снятое внутри движущейся машины, где показано, как информация с радиолокационного датчика приводит в действие систему автоматического экстренного торможения. Впереди не было ничего необычного, но через полсекунды машина перед нами врезалась в другую. Радар на нашем автомобиле смог распознать, что впереди резко затормозила вторая машина от нас. Благодаря этим данным сработали тормоза и аварию удалось предотвратить.
Основной недостаток радаров, из-за которого их необходимо дополнять другими датчиками, это невозможность восприятия в деталях. Все кажется размытым. Радары не могут отличить пешехода от велосипедиста, хотя способны распознать, движутся эти люди или нет. Лидар в Waymo может не только отличить одного от другого, но и указать, в какую сторону они направляются. Ультразвуковые датчики используются для определения позиции объектов, которые расположены близко к транспортному средству. Чаще всего они встречаются в виде датчиков парковки, издающих звуковые сигналы.
Их изобрели в 1970-е годы, а первой моделью машины массового производства, на которую их установили, стала Toyota Prius 2003 года. Такие датчики работают на расстоянии всего метров 10, но при этом они отличаются низкой стоимостью и оказываются крайне полезны при маневрировании на низкой скорости или в плотном потоке.
Камеры с высоким разрешением важный элемент оснащения беспилотного автомобиля. Они используются для распознавания светофоров, дорожной разметки, уличных знаков и других объектов, которые содержат зрительные ориентиры, но не более того. Камеры, в отличие от лидаров, различают цвета, а также разницу в текстуре. Если установить несколько камер, получится определить расстояние до предметов. Но чем дальше объект, тем менее точен расчет, поэтому для вождения на высокой скорости это не подходит. Стоимость камеры относительно невелика 150 фунтов стерлингов на автомобиль, но стоит учитывать, что ее работа зависит от условий освещения и видимости. Инфракрасное излучение способно в какой-то степени решить эту проблему.
Можно подумать, что для передвижения крайне важно наличие GPS. Но эта система работает точно лишь на расстоянии нескольких метров и не всегда исправно: сигнал прерывается рядом с высокими зданиями и в тоннелях. Именно поэтому использование GPS в автономных автомобилях носит ограниченный характер. Однако в сочетании с другими датчиками она может быть полезной. В МТИ, к примеру, сконструировали беспилотный Prius, который неплохо ориентируется на дороге с помощью лишь GPS, лидара и акселерометров.
Мозг автомобиля
Конечно, все описанные датчики оказались бы бесполезны, не будь устройства, которое анализировало бы поступающую информацию. Для обработки огромного количества данных (причем быстрой) требуется очень мощный компьютер, по характеристикам заметно превосходящий тот, что стоит у вас дома. Даже современные автомобили вроде Waymo каждые полминуты генерируют информацию объемом до 150 гигабайт. Этого достаточно, чтобы заполнить жесткий диск большинства ноутбуков. В час производится 19 терабайт информации. Автомобили должны хранить эти огромные объемы данных на случай последующих рассмотрений из-за аварий или споров. Все это влияет на потребление энергии: прототип расходует 5000 ватт (примерно столько же требуется 40 обычным ПК). Такой уровень потребления заметно сокращает количество топлива или время работы батареи. Представьте, что для экономии заряда придется отключить автопилот и взять управление в свои руки, иначе до места назначения вы не доедете. Не очень-то похоже на прогресс.