خودرو های خودران – از تصور تا واقعیت : بخش اول

رانندگی با خودرو های خودران به سرعت در حال تبدیل شدن به یک واقعیت روزمره در زندگی ماست. افزایش استفاده از دستیار های هوشمند رانندگی و امکانات امنیتی این خودرو ها، باعث خودکار سازی بخش هایی از تجربه رانندگی و کاهش تعامل و قضاوت های نابجای انسان ها در رانندگی می شود.

امروزه فناوری کنترل پیشمایش سازگار یا ACC که با نام کروز کنترل هم شناخته می شود، و همچنین هشدار عبور از خطوط جاده به طور معمول در خودرو ها مورد استفاده قرار می گیرند. اکنون تکنولوژی های جدیدی برای پیش بینی سفر در حال معرفی هستند که خودرو می تواند وضعیت جاده را بررسی کند و بتواند سرعت و سایر تنظیمات حرکتی خودرو را برای کاهش آسیب و تکان های خودرو در بخش های ناهموار جاده و راحتی بیشتر سرنشینان، کنترل کند.

تا سال ۲۰۳۰، تا حدود ۱۵% از خودرو هایی که به فروش می رسند، به طور کامل خودران هستند. در نتیجه سرنشینان می توانند از سفری راحت تر و کم خطر تر بدون نیاز به رانندگی بهره ببرند و زمان بیشتری را به امور شخصی و کاری خود بپردازند.

مهم ترین المان ها برای سرعت بخشیدن به بازار این تکنولوژی، سنسور های پیشرفته، آنتن و فناوری های اتصال و انتقال داده هستند که باید با یکدیگر به صورت پیوسته کار کنند. این اجزا، محیط داخل و خارج خودرو را بررسی می کنند، و داده ها را دریافت کرده، بر اساس آن ها تصمیم گیری می کنند و در نهایت برای دستگاه هایی درون یا بیرون خودرو ارسال می کنند.

کاربرد ها و قابلیت هایی که سطوح مختلف خودرو های خودران را مشخص می کنند، بر اساس شبکه های درون خودرو (عیب یابی آنی خودرو و قابلیت های آنلاین)، اطلاع رسانی و قابلیت های امنیتی، دسته بندی می شوند. هر کدام از این حوزه ها، نیازمند تکنولوژی های به خصوصی در حوزه انتقال داده، معماری، طراحی ،استحکام و قابلیت اطمینان (مانند حفاظ الکترومغناطیسی یا EMI) و درجه امنیتی هستند که روی توسعه ی قطعات الکترونیکی خودرو تاثیر می گذارند.

این موارد، اصلی ترین اهداف شرکت های توسعه دهنده ی سیستم های خودرو های خودران هستند که برنامه های زمانی خود را بر اساس آن ها پیش می برند.

در بخش اول این مقاله با نحوه کارکرد خودرو های خودران، سطوح مختلف آن ها، قوانین و مقررات تنظیم شده، امکانات و قابلیت های این وسایل نقلیه آشنا می شویم.

مقدمه: صنعتی در تحول

یک روز در آینده ای نه چندان دور را تصور کنید …

هواپیمای شما در فرودگاه شهری که برای اولین بار از آن دیدند می کنید فرود می آید. هنگام ترک پایانه تصمیم می‌گیرید که قبل از رفتن به هتل شام بخورید. به تلفن هوشمند خود می‌گویید که یک رستوران ایتالیایی خوب و دنج را برای شما جستجو کند. در عرض چند میلی ‌ثانیه، دستگاه شما چند پیشنهاد براساس تاریخچه و تنظیمات شما ارائه می دهد.

شما اولین رستوران را از این لیست انتخاب می کنید، و چند دقیقه بعد یک خودرو دقیقاً مقابل شما متوقف می شود. در ها به طور خودکار باز می شوند و فضای شیک داخلی خودرو را نمایان می کنند. چهار صندلی یک نفره در کابین وجود دارد که همه آن ها خالی هستند.

وقتی وارد اتومبیل می شوید مودبانه به شما خوش آمد می گوید، در ها به آرامی بسته می شوند و سرعت خودرو تا حد مطمئنی افزایش می یابد. حالا شما می توانید استراحت کنید زیرا خودرو از بزرگراه به سمت رستوران مرکز شهر درحرکت است – همه این ها بطور کاملا خودکار اتفاق می افتند.

این پلتفرم و سایر فناوری های مشابه نشان دهنده تکامل نیاز های حمل و نقل بشر در آینده نزدیک است. این فناوری باعث رونق صنعت شده و غول های فناوری ، شرکت های نوپای جدیدی که خدمات و برنامه های اینترنتی و حمل و نقل را ارائه می دهند و ابزار جدید فناوری های جانبی مانند ADAS (سیستم های پیشرفته کمک راننده) و پشتیبانی سرگرمی و اطلاعات ، در حال پیوستن به این صنعت خودرو برای کمک به تغییر شکل چشم انداز حمل و نقل هستند.

رانندگان خودرو های خودران

خریداران اتومبیل های امروزی از سیستم های پیشرفته کمک راننده (ADAS) ، کنترل پیمایش سازگار (ACC) ، هشدار خروج از خط (LDW) ، تشخیص علائم راهنمایی و رانندگی (TSR) و دستیارهای هوشمند پرتو با دامنه نور (HBA) بهره مند خواهد شد، که طی سال های گذشته به طرز چشمگیری تکامل یافته اند. خودرو های پیشرفته دستیارهای خط محور (LCA) را با عملکرد ACC هوشمند ترکیب می کنند تا با محدودیت های سرعت سازگار شوند ، امکان تغییر در خط ایمن جاده و همچنین روشنایی نور بدون تابش خیره کننده (GFHB) ، ترمز اضطراری خودکار (AEB) را ارائه می دهند، تشخیص عابر پیاده (PD) و دستیاران پیشرفته شهری (ACA).

 مهندسان دائما در حال توسعه سیستم های ایمنی برای جلوگیری از تصادف یا محدود کردن برخورد ها هستند. سازمان های جهانی، دولتی و غیردولتی (NGO) به دنبال کاهش شمار تلفات و جراحات ناشی از عبور و مرور جاده ای هستند: رانندگی خودکار، راه حل صنعت برای رسیدن به تعداد کشته صفر است. در آینده، خودرو های خودران بدون احساسات و خستگی انسان ، قادر به ارزیابی دقیق ریسک و سازگاری مناسب رانندگی با هر موقعیتی خواهند بود.

خودرو های خودران با محاسبه کمترین نتیجه خطر، نسبت به افراد راننده، سریع تر به موقعیت های سخت واکنش نشان می دهند. پیشرفت در سیستم های محاسباتی قدرتمند ، همراه با یادگیری ماشین ، خودرو های خودران را قادر به ارائه یک رانندگی ایمن می سازد. تغییر سبک زندگی نیز نقشی اساسی در رانندگی خودکار دارد.

به عنوان مثال اهمیت داشتن یک ماشین شخصی در مناطق شهری در حال حاضر رو به کاهش است. اقتصاد به اشتراک گذاری، از جمله مدل های اشتراک خودرو، امروزه یک بازار رو به رشد است. در آینده ، رانندگی خودکار و حمل و نقل، بر اساس تقاضا اولین انتخاب در محیط های شهری خواهد بود که منجر به ظهور پلتفرم ها و خدمات تجاری جدید می شود.

وسایل نقلیه خودکار حجم عظیمی از داده ها را تولید می کنند. شرکت ها این داده ها را می گیرند ، تجزیه و تحلیل می کنند و از این اطلاعات برای توسعه خدمات و ویژگی های جدید استفاده می کنند. تا به امروز ، ماژول های telematic و واحد های دیگر، مانند سنسور های باران، قبلاً برای جمع آوری عوارض راهداری، خدمات ترافیکی آنلاین و پیش بینی هوا استفاده شده اند.

داده های حرکتی ، تنظیمات شخصی و نمایه ها ، اگر با داده های دستگاه های هوشمند یکپارچه ترکیب شوند ، می توانند ارزش زیادی به تولیدکنندگان ، شرکت های بیمه و کل اکوسیستم خودرو بدهند.

در سمت مقابل، هزینه ای که مصرف کنندگان ممکن است بپردازند، اطلاعات شخصی، زمان و توجه است. با این حال، بسیاری بر این باورند که ارزش ایمنی و راحتی بسیار بیشتر از این نگرانی هاست. به زبان ساده ، چشم انداز تلفات ناشی از ترافیک یا صدمات جدی همراه با فرصت های ایجاد خدمات جدید و مدل های تجاری ، ورود وسایل نقلیه خودران را تسریع می کند.

بررسی قوانین و مقررات جهانی

ایمنی و قابل اعتماد بودن فناوری خودرو های خودران تنها بخشی از راه حل است. قسمت دیگر چارچوب قانونی است که اجازه فعالیت وسایل نقلیه کاملاً خودکار در ترافیک روزمره را بدهد. در حال حاضر قانون گذاری برای تطبیق این نوع جدید حمل و نقل و رفع چالش های احتمالی در حال سازگاری است. در اولین گام ، کنوانسیون ۱۹۶۸ وین در مورد ترافیک جاده ، که مقررات اساسی ترافیک در سراسر جهان را تنظیم کرده ، با توافق نامه جدیدی اصلاح شده است.

در حال حاضر این اصلاحیه به سیستم های وسایل نقلیه اجازه می دهد تا به طور خودکار عمل کنند ، به شرطی که رانندگان بتوانند در هر زمان آن را متوقف یا خاموش کنند. در نتیجه ، چندین دولت در سراسر جهان شروع به صدور مجوز به رانندگی خودکار برای اهداف آزمایشی در جاده های عمومی از شهرهای پرجمعیت تا بزرگراه های آزاد اتوبان آلمان کرده اند.

در سال ۲۰۱۴، انجمن مهندسین خودرو، یک سیستم طبقه بندی هماهنگ (J3016) را معرفی کردند که شش سطح خودکار سازی را برای هنگامی که راننده تصمیم به واگذاری کنترل به سیستم خودران می کند، تعریف می کند.

این سطوح دسته هایی را تعریف می کنند که از سطحی که در آن ” کنترل خودرو کاملا در دست راننده بوده و تمام فرمان های اصلی خودرو – گاز، ترمز و فرمان – در تمام لحظات در کنترل او می باشد” (سطح ۰) است تا سطحی که وسایل نقلیه کاملاً خودکار قادر به انجام “تمام عملکرد های حیاتی ایمنی و نظارت بر شرایط جاده در کل سفر” (سطح ۵) هستند. در شکل ۱ این موارد به طور کامل نشان داده شده است.

کلاس بندی خودرو های خودران
شکل ۱: سطوح اتوماسیون خودرو طبق انجمن مهندسان خودرو (SAE)

۶ عامل اصلی در رانندگی خودکار

رانندگی حالت خلبان خودکار و کاملاً مستقل چندین چالش فنی اصلی دارد. یکی از این چالش ها توانایی مدیریت و تحلیل مقدار زیادی از داده ها است. مثلا افزایش تعداد سنسورها در داخل و خارج از خودرو یک نمونه این چالش است که باید در نظر گرفته شود. مثال دیگر، تعداد زیاد کامپیوترهای قدرتمند پردازش عملکرد کنترل سطح بالا و الگوریتم های یادگیری ماشین است.

علاوه بر این، خودرو باید قادر به پردازش داده های جریان هوایی (OTA) برای خودرو به سمت عقب (V2B) ، خودرو به خودرو (V2V) ، خودرو به زیرساخت (V2I) ، خودرو به کاربر (V2U) و خودرو به زیرساخت ارتباطی (V2C) به طور قابل اعتماد و آنی. این عملکرد ها را با هم می توان V2X نامید.

شش عامل کلیدی برای مقابله با این چالش ها وجود دارد:

معماری

وسایل نقلیه جدید به زودی دارای معماری هایی خواهند بود که خوشه های با عملکرد بالا را در حوزه های عملکردی سازمان می دهند، همانطور که در شکل ۲ در زیر مشاهده می شود. این حوزه ها به صورت سلسله مراتبی از طریق دروازه مرکزی در ساختار ستون فقرات داده پرسرعت و سنسور ها و محرک های گروهی به دست می‌آیند. رانندگی خودکار به طور فزاینده ای ساختارهای مبتنی بر شبکه بیشتر و قابل اعتمادتری را می طلبد، که به معماری های اضافی و بلادرنگ نیاز دارد.

سیستم کنترل وسایل نقلیه خودران
شکل ۲: معماری بالقوه سیستم برای وسایل نقلیه متصل به شبکه

داده های پرسرعت

کامپیوتر هایی با کارایی بالا و تعداد فزاینده ای از سنسورهای ADAS ، مانند دوربین های استریو و / یا مونو با وضوح بالا ، RADAR و LIDAR و همچنین رابط های آینده انسان و ماشین (HMI) مانند صفحه های بزرگ ۴K / 8K یا نمایشگرهای سربالا (HUD) ، تعداد گره های داده پرسرعت را چند برابر می کنند. افزایش گره ها منجر به رشد بار های خالص داده ها برای هر لینک یا پیوند می شود که بسته به نیاز های مصرفی داده هر گره متفاوت خواهد بود.

علاوه بر این، چندین جریان داده موازی و دو طرفه باید در شبکه های سوئیچ شده مدیریت شوند در حالی که حاشیه ایمنی کافی را فراهم می کنند. بنابراین تولیدکنندگان باید در طراحی معماری های انعطاف پذیری برنامه ریزی کنند که به طور مداوم پهنای باند را برای لوله های داده نقطه به نقطه و ساختارهای شبکه توزیع شده افزایش دهد. پیش بینی می شود تا سال ۲۰۲۰، اتصال درون خودرو به نرخ داده های بیش از ۱۲ گیگابیت بر ثانیه نیاز داشته باشد.

اتصالات خارجی

همانطور که قبلاً اشاره شد، یک نیاز اصلی در رانندگی خودکار، توانایی گرفتن اطلاعات صحیح و کامل در مورد محیط اطراف است. به عنوان مثال، خلبان خودکار خودرو فقط در صورت وجود تمام اطلاعات لازم در مورد محیط اطراف خودرو، می تواند اعمالی مانند ترمز یا شتاب گیری صحیح را انجام دهد. علاوه بر فناوری سنسور، که محیط اطراف خودرو را تعیین می کند، اطلاعات اضافی فراتر از میدان دید راننده مورد نیاز است.

ارتباطاتV2X  (خودرو با همه چیز) به تبادل اطلاعات بین وسایل نقلیه و زیرساخت‌های ترافیکی مانند چراغ ها، علائم و عوارضی متکی دارد. به جای اینکه وسیله نقلیه سعی در شناسایی محیط اطراف خود داشته باشد، سنسورهای اطراف خودرو وضعیت خود را بیان می کنند. بنابراین ممکن است، در مراحل اولیه، یک اتومبیل خودکار بتواند موقعیت های خطرناک ترافیکی مانند وسایل نقلیه ساکن را در پشت ترافیک یا نزدیک شدن به وسایل نقلیه امداد و نجات شناسایی کرده و اقدامات متقابل مناسبی را آغاز کند.

یک پیش شرط اساسی برای رانندگی خودکار ایمن، انتقال بلادرنگ داده ها است. فقط در این صورت است که راننده یا خلبان اتوماتیک می تواند به موقع به خطرات احتمالی پاسخ دهد. استانداردهای رادیویی سلولی فعلی مانند LTE تاخیر ۳۰ تا ۴۰ میلی ثانیه دارند. در نتیجه، آن ها برای حمایت از این نیاز کافی نیستند. برای رانندگی کاملاً خودکار، توسعه دهندگان بر روی نسل بعدی ارتباطات سیار ۵G و فراتر از آن، تمرکز کرده اند. ۵G با نرخ داده بالاتر تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و تاخیر بسیار پایین تر توصیف می شود. انتظار می رود ۵G از سال ۲۰۱۹ برای پیاده سازی در دسترس باشد.

قابلیت اعتماد

حسگر های قابل اعتماد و انتقال داده در هر شرایطی ، به ویژه در محیط های سخت ، الزامی است. راه حل، سیستم های اتصال بسیار عالی در سطح خودرو است که حتی پس از هزاران هزار ساعت کار، کمترین احتمال خرابی را دارند. تولیدکنندگان باید با یک شریک مطمئن و باتجربه همکاری کنند که راه حل های کاملی از سیستم را با استفاده از رویکرد طراحی سیستم جامع توسعه دهد. این رویکرد باید شامل طراحی سیستم مکانیکی و الکتریکی، راه حل های مهندسی فرآیند و اتوماسیون همسو و روش های جدید تولید باشد.

ایمنی

یکپارچگی داده ها در کاربرد های ایمنی عملکردی یک الزام اجباری برای رانندگی خودکار است: چرا که جان انسان به آن وابسته است. به همین دلیل، ضروری است که تولید کنندگان از انتقال داده ایمن در سطح لایه فیزیکی و بالاترین حفاظت ممکن در برابر اطلاعات نادرست در محیط‌های نویزی استفاده کنند. این نیاز یا الزام به این معنی است که پلتفرم های سیستم باید مقیاس پذیر و مدولار باشند و راهکارهای ایمنی EMI را ارائه دهند. این شامل قابلیت های حفاظت شده قابل تعویض و همچنین بدون حفاظت یا نوری برای راهکار های ایمنی EMI کم خطر یا EMI می باشد.

طراحی

روند ساخت سنسور ها و محرک های کوچک تر و تعداد زیادی پیوند متصل به کامپیوتر های متمرکز با کارایی بالا یا خوشه های دامنه ، راه حل های اتصال کوچک و کاملاً یکپارچه در سطح خودرو را می طلبد. پلتفرم ها باید مقیاس پذیر و مدولار باشند و امکان سفارشی سازی اجزا به خواسته های نصب شده را ارائه دهند. این پلتفرم باید از راه حل های ترکیبی با داده های سرعت بالا یا سرعت پایین یا پورت های انتقال توان در یک نوع بدون محافظ یا محافظت شده مطابق با هر شرط طبقه بندی حفاظت از آب پشتیبانی کند.

عوامل اصلی در رانندگی خودکار
شکل ۳: شش نیاز اتصال به رانندگی خودکار

خصوصیات کاربردی خودرو های خودران

الزامات رانندگی خودکار، عملکردها ، سطوح ایمنی و معماری جدیدی را تعریف می کند. در سطح معماری ، تنظیمات بلادرنگ ، کیفیت داده ها و سرعت مورد نیاز برای هر پیوند باید مشخص شود. خصوصیات هر لینک ممکن است بسته به عملکرد و سطح ایمنی گره های متصل متفاوت باشد. با وجود این تغییرات، همه پیوند ها ویژگی های مشترکی را نشان می دهند و می توان آن ها را در سه دسته زیر گروه بندی کرد، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است.

خصوصیات عملکردی خودرو های خودران
شکل ۴: برنامه ها و نیاز های سیستم

شبکه های درون خودرویی

لینک شبکه درون خودرویی، راه حل های مقرون به صرفه ای هستند که می توانند در معماری شبکه توزیع شده با حجم داده های متوسط و تأخیر کم مورد استفاده قرار گیرند. اترنت خودرو به دلیل انعطاف پذیری و مقیاس پذیری، تمرکز اصلی شبکه های درون خودرویی است. سیستم های فراگیر می توانند قدرت راه حل های شبکه را نشان دهند. آن ها روشی مقرون به صرفه و مقیاس پذیر برای ایجاد انواع مختلف سیستم با پیکربندی برای چهار دوربین ارتباطی متصل به هم ارائه می‌کنند.

ساخت این شبکه های درون خودرویی با اتصالات و سیم کشی سازگار با اترنت، از بروزرسانی نرم افزار OTA پشتیبانی می کند و مزایایی را برای خدمات و تعمیر و نگهداری ایجاد می کند. انتظار می رود مقدار داده ای که یک اتومبیل خودکار تولید می کند چند ترابایت در روز باشد. در نتیجه، وسایل نقلیه به شبکه های خود نیاز دارند تا بیشتر شبیه یک شبکه مبتنی بر اترنت مرکز داده باشند.

اطلاع رسانی

لینک های اطلاعاتی ملزم به کارایی بهینه برای نرخ داده بالا و جریان داده همزمان با هم در چندین دستگاه هستند. در نتیجه، لینک های مناسب باید برای خصوصیات یکپارچگی سیگنال بهینه در فرکانس های بالا طراحی شوند. به طور معمول، لینک های اطلاعاتی به عنوان اتصالات نقطه به نقطه (به عنوان مثال لینک های نمایشگر برای داشبورد با وضوح بالا ، تابلو های کنترل یا HUD ها و در پیکربندی باس حلقه) استفاده می شوند.

در آینده، پروتکل های باز، مانند پل صوتی تصویری (AVB) ، ممکن است اجرای توپولوژی های شبکه خودرو را امکان پذیر کنند. آن ها تضمین خواهند کرد که جریان های داده چندگانه به موقع در سراسر دستگاه‌های مختلف در دسترس قرار می گیرند.

ایمنی

لینک های ایمنی شامل الزامات دیگری است که برای تحقق ADAS امروزه و برنامه های رانندگی مستقل یا خودکار در آینده بسیار مهم است. این نوع لینک باید سطوح ایمنی عملکردی بالا و قابلیت‌های محاسباتی بلادرنگ را تضمین کند. علاوه بر این، حجم بالای داده باید منتقل شود، زیرا داده های سنسور، در درجه اول دنباله‌های تصویر بزرگی که توسط دوربین های با وضوح بالا بدست‌آمده، بدون فشرده سازی با نرخ تازه سازی بالا تحویل داده می شوند.

امروزه لینک های ایمنی با استفاده از فناوری های اختصاصی انتقال داده ، به صورت لوله‌های داده نقطه به نقطه بزرگ طراحی می شوند. هنگامی که وسایل نقلیه خودران به واقعیت بازار تبدیل می شوند، معماری‌های ایمنی عملکردی نیز مورد نیاز خواهد بود. توپولوژی ایمن و زائد مبتنی بر سیستم های باس حلقه یکی از راه حل های ممکن است. علاوه بر این، فناوری های شبکه بلادرنگ با تأخیر کم و قابلیت دسترسی بالا نیز مورد نیاز خواهد بود. پیاده سازی پروتکل باز شبکه حساس به زمان (TSN) یکی از راه حل های ممکن است.

در بخش دوم، با انواع سنسور ها، آنتن ها و اتصال دهنده ها در خودرو های هوشمند آشنا خواهیم شد.

بیشتر بخوانید :

منبع TE

درباره‌ی امیر اقتدائی

همچنین ببینید

خودرو های خودران چگونه کار می کنند

خوردو های خودران چگونه کار می کنند؟

وقتی درباره ماشین خودران فکر می کنیم، اغلب اوقات این طور تصور می شود که می خواهیم از نقطه A به B برویم؛ بدون آن که خودمان پشت فرمان ماشین بنشینیم. اما به درستی، چه چیزی یک وسیله نقلیه معمولی را تبدیل به یک وسیله نقلیه خودران می کند؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *