مروری بر تاریخچه خودروهای خودران

اولین کنفرانس پیشرفتهای اخیر و روندهای آینده صنعت خودرو – مهر ماه 1399- دانشگاه علم و صنعت ایران

مروری بر تاریخچه هوشمندسازی وسایل حمل ونقل و اتومبیل های خودران

چکیده

موضوع اتوماسیون خودمختار مورد توجه و علاقه بسیاری از محققان بوده است و دستاورد های زیادی در این موضوع به دست امده است که هدف از این مقاله مروری بر پیشرفت ها و پروژه های مرتبط با این زمینه از گذشته تا اکنون است و در پایان به معرفی تعدادی از شرکت های فعال در این زمینه می پردازد. از سال 1920 به بعد، با ظهور خودروهای کنترل شونده رادیویی،شاهد تغیرات چشمگیری در زمینه خودرو های خودکار بوده ایم. در دهه های بعدی، خودرو های الکتریکی خودکار انگشت شماری در سطح جاده ها یافت می شدند. دهه 1980 اتومبیل های خودمختار با کمک دوربین های ثبت تصویر توانستند باعث نقطه عطفی در تکنولوژی این نوع خودرو ها بشوند و تا کنون ما شاهد استفاده شکل های مشابه یا بهبود یافته این دو مدل سنسور یعنی دوربین ها و سنسور های رادیویی در این خودرو ها بوده ایم. انواع گوناگون تکنولوژی نیمه خودکار در این خوردها اورده شده است که مهم ترین ان ها را می توان ترمز های خودکار و کنترل تطبیقی کروز نام برد.

مقدمه

خودروهای خودکار،خودروهایی هستند که برای کمک در فرآیند رانندگی به کار گرفته می شوند. انجمن مهندسان خودرو (SAE) سطوح مختلفی از قابلیت های خودکار را تعریف کرده است ; ازسطح بدون ویژگی های هوشمند سازی (سطح ۰) گرفته تا اتوماسیون کامل (سطح ۵ – که معمولاً به آن خودروهای خودران یا خودمختاریا بدون راننده گفته می شود). اما از واژه اتومبیل خودران و هوشمند عموما برای سطوح بالاتر اتوماسیون، مثلا سطح 3 به بالا استفاده می شود. در این مقاله تمرکز ما بر روی خودراهای خودکار سطح بالا(خودران ها) می باشد . انتظار می‌رود که وسایل نقلیه مستقل رهبری تحول در زمینه حمل و نقل را برعهده بگیرند و خود باعث تغییرات بسیار بزرگی در عرصه حمل ونقل شوند . در حالی که مزایا و مشکلات مربوط به این فناوری هنوز با جدیت زیادی مورد ارزیابی قرار گرفته ، اما مشارکت فعال شرکت‌های بزرگ فن‌آوری و تولید کنندگان خودرو و رقابت آن ها  برای ساخت اولین خودروی عملیاتی ، با صرف هزینه های زیاد، سال‌ها است که ادامه دارد . برای مثال شرکت فورد یکی از کمپانی های فعال در این زمینه است که با صرف هزینه های زیاد به دنبال جاری کردن این فناوری و خودروهای خودکار تا سال 2021 می باشد. هم چنین شرکت های زیادی برای رسیدن به این هدف در کنارهم فعالیت و همکاری میکنند ، مثلا کمپانی BMW با شرکت intel و Mobileye برای تولید خودروهای خودران، تا سال ۲۰۲۱ به صورت مشترک هم‌کاری می‌کند.

علاقه شدید جامعه جهانی به وسایل نقلیه مستقل حاکی از آن است که این سیستم‌ها در نهایت وارد بازار خواهند شد. با این حال، پرسش هایی از قبیل آن که چه زمانی و همچنین چگونگی عرضه این خودروها دارای اهمیت بالایی است . علاوه بر این، سوال مهم دیگری که در این زمینه مطرح است  این است که این خودرو ها چه تاثیراتی بر دنیای حمل و نقل خواهد داشت؟ مطالعات تحقیقاتی بیشماری در رابطه با خودروهای بدون سرنشین منتشر شده‌اند . بخشی از این تحقیقات امکان سنجی علمی و عملی استفاده از این خودروها را بررسی کرده اند. گروهی به رشد و توسعه دانش خودروهای خودمختار پرداخته اند و موضوع مورد بحث برخی از مقالات مدل های کسب و کار، چگونگی تاثیر این فناوری بر حمل و نقل و هم چنین سیاست کلی در مورد خودروهای هوشمند است. محققان پیش بینی می کنند که تا سال 2025 تقریباً 8 میلیون وسیله نقلیه خودران کاملا هوشمند و نیمه هوشمند در جاده ها مشاهده خواهیم کرد.

1- مروری بر تاریخچه مهم ترین پروژه ها و آزمایشات در مسیر رسیدن به اتومبیل هوشمند(خودران) از گذشته تا کنون

1478:  در سال 1478 لئوناردو داوینچی توانست یک چرخ دستی خودران را طراحی کند که دارای دو فنر متقارن بود و قادر بود تا 130 فوت ( معادل حدودا 40 متر) را در مسیری از پیش تعیین شده حرکت کند . هم چنین با داشتن سیستمی شبیه به دیفرانسیل قابلیت چرخش در زاویه های مختلف را نیز داشت.

1868: در سال 1868 رابرت وایتهد (Robert whitehead) با توسعه اژدر خودران دارای سیستم های هدایت اولیه مشهور شد. این سیستم به اژدر اجازه می داد تا مسیر و عمق خود را ثابت نگه دارد.

1933: شرکت   Sperry Gyroscope سیستم های خلبان خودکار را برای هواپیماهای دوربرد اختراع کرد. ژیروسکوپ بخشی جدایی ناپذیر از سیستم بوده و در فناوری امروز نیز به همین ترتیب باقی مانده است.

1945:  وکیل رالف تیتور در رانندگی هنگام صحبت کردن سرعت خودرو را کم و هنگام گوش دادن سرعت را زیادتر می‌کرد که این‌کار باعث نارحتی تیتور می‌شد.، به همین دلیل او که یک نابغه نابینا بود در سال 1945 برای مقابله با رانندگی ضعیف وكیل خود ، سیتم کنترلی كروز را اختراع كرد. اختراع وی رانندگی با اتومبیل را هموارتر کرد و در سال 1958 ( در کرایلسر ایمپریال)تجاری شد.

1961: در یکی از مسابقات فضایی دانشمندان در مورد چگونگی کارکرد سفینه های بدون سرنشین بر روی ماه تأمل کردند. جیمز آدامز ، دانشجوی مهندسی استنفورد ، ایده کنترل از راه دور یک سفینه فضایی بر روی ماه را مطرح کرد که The Cart نامیده می شود. این تجهیزات مجهز به دوربین هایی بود که هنوز هم در فناوری وسایل نقلیه خودران امروزی نقش زیادی دارند.

1977: اولین تلاش شناخته‌شده برای ساخت یک وسیله نقلیه مستقل در سال ۱۹۷۷ انجام شد. تحقیقات پروژه توسط آزمایشگاه مهندسی مکانیک Tsukuba در ژاپن انجام شد. ماشین به دو دوربین مجهز بود ، با دنبال کردن نشانه‌های خیابانی سفید عمل می‌کرد و قادر به رسیدن به سرعت ۲۰ مایل بر ساعت بود.

1980s: پیشرفت مهم در وسایل نقلیه مستقل در دهه ۱۹۸۰ با کار Ernst Dickman و تیم او در Bundeswehr Universität در مونیخ انجام شد پس از ۸ سال توسعه ، یک دستگاه ون خودران معرفی شد. کامپیوترها پدال گاز، ترمز، دوربین‌ها و فرمان را کنترل کردند. کامپیوترها دوربین‌هایی را کنترل می‌کردند که می‌توانستند حرکت کنند و در نتیجه قابلیت دید بیشتری را فراهم کنند. ون کاملا هوشمند و خودران بود ومی توانست به سرعت ۹۷ کیلومتر در ساعت در یک اتوبان خالی دست یابد.

1995: Enteral Dynamics در سال ۱۹۹۵ هواپیمای بدون سرنشین Predator MQ -1 را که نوع دیگری از وسایل نقلیه مستقل می باشد ایجاد کرد،. این پهباد مجهز به فن‌آوری‌هایی مانند دوربین‌های تصویربرداری حرارتی و رادارها می باشد که در حال حاضر نیز در خودروهای مستقل کاربرد دارند و مرتبا به روزرسانی می شوند.

1990s: در دهه ۱۹۹۰، قابلیت اساسی برای سیستم‌های اتوماسیون خودرو در اروپا، ژاپن و ایالات‌متحده به ترتیب توسط برنامه های PROMETHEUS (بزرگترین پروژه خودروهای مستقل تا کنون در اروپا) ، AHSRA (انجمن تحقیقات سیستم پیشرفته کنترل کروز در ژاپن) و برنامه AHS (سیستم خودکار بزرگراه در آمریکا) به نمایش درآمد.

PROMETHEUS: نمونه اولیه با سرعتی بیش از ۱۱۰ مایل در ساعت در آلمان ساخته شد. برخلاف سایر خودروهای مستقل ، اتومبیل‌ها در ترافیک رانندگی می‌کردند و مانورهای لازم برای عبور از ماشین‌های دیگر را اجرا می‌کردند.

AHSRA:  در این پروژه ۳۸ خودرو، اتوبوس‌ و کامیون‌ ، سیستم ایده‌آل برای کاهش تصادفات جاده ای را با استفاده از اطلاعات پویا و دینامیک و سیستم‌های کمکی نشان داده‌اند. دستگاه اتوماسیون به کار رفته در این پروژه از سنسورهای مغناطیسی که بر روی جاده به کار رفته بودند استفاده می‌کرد.

AHS: این پروژه که در کالیفرنیای امریکا به انجام رسید با حرکت 20 اتومبیل کاملا مستقل و خودران در یک اتوبان به نمایش گذاشته شد.

2000-2002: این پروژه که توسط شرکت Car Sense انجام شد بر سرعت کند رانندگی با موقعیت‌های پیچیده تری مانند ترافیک فشرده تمرکز دارد. در این پروژه طیف وسیعی از حسگرها شامل تصویر دوربین استریو، لیزرها و رادارها را به کار برده شد.

2001-2004: پروژه arcosکه با هدف کاهش تصادفات تا ۳۰ % و رانندگی خودکار ایمن و با تمرکز بر روی محور های زیر در فرانسه انجام پذیرفت.

1.کنترل فواصل بین خودروها

2.پرهیز از برخورد با اشیا ثابت یا آرام

3. جلوگیری از خروج از مسیر

4.هشدار دادن به سایر وسایل نقلیه

2001-2005: هدف اصلی این پروژه چهار ساله که در آلمان انجام پذیرفت بهبود جریان ترافیک و ایمنی خودروهای مستقل با استفاده از سیستم های هوشمند و کاربرپسند (user friendly) بود. نتایج و نمونه های اولیه این پروژه در آوریل 2005 در آلمان مورد تست قرار گرفت.

2004-2013: آژانس پروژه های پیشرفته دفاعی آمریکا darpa( Defence Advanced Research Projects Agency) سلسله چالش هایی را برگزار کرد و مخترعان فناوری وسایل نقلیه خودكار را با ارائه جایزه برای وسایل نقلیه ای كه می توانند خود را به یك سفر 150 مایلی(تقریبا 240 کیلومتر) بیابانی بروند ، به چالش كشید. اگرچه هیچ شرکت کننده ای در این چالش پیروز نشد ، اما چالش های بعدی در سال های بعد ، مخترعان و مهندسان را ترغیب کرد تا خودروهای خودرانی بسازند که قادر به انجام این چالش شدند   این چالش ها صرفا به سفرهای بیابانی ختم نشد و در زمینه حرکت در محیط های شهری همراه با ترافیک و هم چنین کارهای نظامی ادامه پیدا کرد .

2015: در سال 2015 ، کمپانی تسلا Autopilot را معرفی کرد که یک برنامه کمک راننده پیشرفته بود و قادر به کنترل مسیر حرکت ، کنترل تطبیقی کروز کنترل ، تغییر مسیر بدون کمک راننده ، پارکینگ خودکار (بدون کمک راننده) وهم چنین فراخواندن ماشین توسط کاربر بود.

2015: دانشگاه میشیگان محدوده ای به نام M city را راه اندازی کرد ، مکانی برای آزمایش فناوری اتومبیل های خودران که توسط شرکت موتور فورد مورد استفاده قرار میگیرد.

2- بررسی چند شرکت و کمپانی فعال در زمینه اتومبیل های خودران

2-1 Ford

فورد در سال 2017 به این خاطر که پرشی در تولید خودروهای هوشمند داشته باشد فناوری هوش مصنوعی Argon را به قیمت 1 میلیارد دلار خریداری کرد . فورد یک شرکت فرعی مخصوص برای خودروهای هوشمند خود بنا نهاده و تا سال 2023 تعهد3 میلیارد دلار سرمایه گذاری کرده است. فورد اعلام کرده که تا سال 2021 یک وسیله کاملا خودران و بدون نیاز به راننده را وارد بازار خواهد کرد . فورد همچنین یک شرکت اسرائیلی، SAIPS، که یک شرکت هوش مصنوعی است و بر یادگیری عمیق متمرکز شده است و دارای تکنولوژی Nirenberg Neuro-science می باشد را خریداری کرد که در آن‌ها وظایف بینایی سیستم مانند جهت یابی ، اجتناب از برخورد و تشخیص چهره انجام می‌شود. علاوه بر این ها ، فورد در یک شرکت در برکلی کالیفرنیا سرمایه‌گذاری کرده‌است که می تواند نقشه‌برداری سه‌بعدی را برای فورد انجام دهد . فورد برای جمع آوری داده ها ، نقشه برداری و تست وسایل نقلیه از سال 2019 چندین دستگاه خودرو هوشمند را به چندین شهر مختلف در آمریکا از جمله میامی و واشنگتون و … فرستاده است.

2-2 Tesla

تسلا شرکتی است که در زمینه خودروسازی و انرژی فعالیت میکند و بیشتر به خاطر خودروهای الکتریکی اش شناخته می شود. تسلا پرچمدار توسعه وسایل نقلیه خودران شده است، و با گذاشتن برنامه autopilot خود بر روی مدل های مختلف محصولاتش ، به تجاری کردن این فناوری روی آورده است .autopilot  یک سیستم پیشرفته کمک به راننده است که سطح سوم ( از پنج سطح) خودروهای هوشمند را در اختیار کاربر قرار می دهد و با به کارگیری 8 دوربین و 12 سنسور اولتراسونیک و هم چنین مجهز بودن به هوش مصنوعی قادر است نیازهای زیادی را برطرف سازد. تسلا در جدیدترین محصولاتش به سمت رانندگی کاملا هوشمند و بدون هیچ گونه دخالت توسط راننده حرکت کرده است و ادعا کرده تا اینده ای نزدیک تمام مدل های  S, X و 3 مجهز به fully self-driving(فناوری رانندگی کاملا هوشمند) خواهند بود.

2-3 Waymo

Waymo یک شرکت زیر مجموعه گوگل است که در زمینه خودرو های هوشمند وخودران فعالیت می کند.این شرکت با 10 میلیون مایل(تقریبا 160 میلیون کیلومتر) تجربه جابه جایی توسط خودروهای هوشمند و هم چنین 6 میلیارد شبیه سازی دراین زمینه با تجربه ترین شرکت در زمینه خودروهای هوشمند می باشنداین شرکت به کمک هوش مصنوعی و هم چنین یادگیری ماشین(machine learning) و ارتقای از طریق این 2 توانسته است خودروهای هوشمند خودرا به کار بگیرد . Waymo بین سال های 2010 تا 2017 حدود 340 اختراع درباره این خودروها به ثبت رسانده است. هم چنین در فوریه 2020 از اولین خودرو تجاری خود را که کاملا هوشمند و بدون راننده پشتیبان کار می کرد رونمایی کرد. Waymo one یک سامانه تاکسیرانی کاملا هوشمند است که روند کاری آن همانند تاکسی های اینترنتی می باشد اما تاکسی ها کاملا بدون راننده بوده و هوشمند هدایت می شودWaymo via یک حمل و نقل باری هوشمند است و از فناوری مربوط به خودروهای هوشمند برای ماشین های سنگین و جابجایی بار استفاده می کند. این روش ها در دو ایالت کالیفرنیا و آریزونا در حال تست است و بنابر ادعای این شرکت به زودی به تگزاس و نیو مکزیکو هم خواهد رسید .  در 25 ژوئن امسال نیز Waymo از همکاری خود با کمپانی Volvo برای به کارگیری فناوری های رانندگی هوشمند خود بر روی ماشین های این کمپانی خبر داد.

مجتبی زارع ^1* ، علی افضل آقایی نایینی²

1 کارشناس مرکز نوآوری و شکوفایی گروه صنعتی پارت لاستیک، مشهد، ایران

2 کارشناس مرکز نوآوری و شکوفایی گروه صنعتی پارت لاستیک، مشهد، ایران

*پست الکترونیکی نویسنده مسئول: mojtaba.zare4568@gmail.com