Poziomy gotowości technologii AI w automobilności

Jak przedstawiono wcześniej, przy ocenie poziomów gotowości technologicznej (TRL) AV, konieczne jest wprowadzenie wymiaru ogólności, aby przedstawić warstwy technologiczne w odpowiednim kontekście i w pełni. Autorzy raportu postulują zarazem zachowanie ostrożności podczas kojarzenia i interpretowania TRL przypisanego do każdego poziomu automatyzacji, ponieważ zawsze będzie on zależeć od konkretnej funkcji, która została zautomatyzowana, i jej działania projektowej domeny (np. system automatycznego parkowania na poziomie 4 dla warunków dziennych, który staje się Poziomem 3 dla warunków nocnych). Proponowane jest zatem wprowadzenie wymiaru ogólności, reprezentującego coraz większe warstwy zaawansowania technologicznego. W tym przypadku ogólność można bezpośrednio powiązać z poziomem automatyzacji. Wreszcie TRL są ekstrapolowane dla każdego poziomu poprzez identyfikację konkretnych systemów automatyzacji sterowników i ich obecnych poziomów dojrzałości.

Przypomnijmy, że TRL (ang. technology readiness levels), czyli poziomy gotowości technologicznej służą do definiowania stopnia zaawansowania technologii oraz umożliwiają dokonanie porównania stanu zaawansowania prac nad technologiami. Pionierem zastosowania metodyki TRL była w latach 80-tych XX w. amerykańska agencja NASA. Zastosowanie tej metodyki pozwala określić dojrzałość technologiczną produktu od fazy koncepcyjnej do gotowego rozwiązania, mającego zastosowanie w praktyce. Można zatem porównać poziom technologiczny z zupełnie różnych dziedzin. Komisja Europejska podobnie jak i polskie instytucje, w tym Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości i Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, opiera ocenę projektów o metodologię TRL. Założeniem jest określenie jak blisko lub daleko jest dany produkt/usługa od wdrożenia.

• Poziomem 1 określa się fazę koncepcyjną danego rozwiązania a przez Poziom 9 należy rozumieć poziom pełnej gotowości technologicznej umożliwiający zastosowanie technologii w warunkach rzeczywistych. Zastosowanie tej skali umożliwią również ocenę jakie prace w obszarze walidacji zostały już zrealizowane, a jakie muszą zostać wykonane, aby w przyszłości wprowadzić produkt na rynek. Poziom 1 - najniższy poziom gotowości. Stanowi punkt wyjścia do prowadzenia dalszych badań i rozwoju pomysłu. Na tym poziomie powstają wstępne założenia i koncepcja przyszłej technologii.
• Poziom 2 to etap formułowania koncepcji technologicznej. Poziom ten stanowi punkt wyjścia do procesu tworzenia innowacji. Zostaje zdefiniowany problem, a opracowane założenia mają charakter planowany.
• Poziom 3 - osiągany jest w momencie gdy zostaje przeprowadzony eksperymentalny dowód potwierdzający przyjętą tezę. Na tym etapie wykonywane są badania analityczne i laboratoryjne.
• Poziom 4 – osiągnięty zostaje wtedy, gdy przeprowadzane są pierwsze próby opracowania i testowania prototypu w warunkach laboratoryjnych będącego wynikiem połączenia technologii wcześniejszych etapów.
• Poziom 5 – to poziom walidacji technologicznej opracowanego prototypu w środowisku zbliżonym do rzeczywistego.
• Poziom 6 - największy skok technologiczny w stosunku do poziomu 5. Opracowana technologia zostaje zaprezentowana i przetestowana w warunkach rzeczywistych. Na tym etapie można już mówić o prawdopodobieństwu stworzenia końcowego produktu w rzeczywistości, który będzie spełniał swoje zadania.
• Poziom 7 - to moment demonstracji opracowanego prototypu w otoczeniu operacyjnym. Test umożliwia przeprowadzenie poprawek i dalszy rozwój technologii.
• Poziomie 8 – to gotowość technologiczna stanowiąca końcowy etap rozwoju technologii. Na tym etapie zakończono proces dowodowy w zakresie działania technologii w rzeczywistości. Testy zakończone zostały pozytywnym wynikiem. Na tym etapie opracowana zostaje finalna wersja dokumentacji technicznej, szkoleniowej i serwisowej.
• Poziom 9 – to najwyższy poziom gotowości technologicznej. Opracowana technologia działa a powstały produkt jest gotowy do produkcji i sprzedaży na skalę przemysłowa.

Wiele złożonych problemów – na wstępie rozdziału 4.1. niniejszy raport stwierdza, że wiele systemów sztucznej inteligencji POJAZDÓW AUTONOMICZNYCH to bardzo złożone systemy, które współdziałają w bardzo złożonych środowiskach z niemal nieskończoną różnorodnością możliwości. Muszą radzić sobie z wieloma problemami o różnym charakterze, wymagającymi różnych podejść i wyrafinowanych rozwiązań. Sztuczna inteligencja jest kamieniem węgielnym w większości z nich (jak już wspomniano, AV można zdefiniować jako zestaw wielu złożonych, wzajemnie powiązanych systemów opartych na sztucznej inteligencji, ucieleśnionych w postaci samochodu). Raport wskazuje, że z jednej strony całość czynności prowadzenia pojazdu można podzielić głównie na trzy zadania lub poziomy prowadzenia pojazdu: strategiczny (planowanie), taktyczny (manewrowanie) i operacyjny (sterowanie). Stosując podejście odgórne, najpierw mamy poziom strategiczny, który obejmuje planowanie podróży lub zadania (np. dokąd się udać, trasa do obrania, możliwość bezpiecznego zatrzymania się w dowolnym momencie itp.). Po drugie, mamy poziom taktyczny, który obejmuje manewrowanie pojazdem w ruchu drogowym podczas podróży ograniczonej przez bezpośrednio panujące okoliczności, w tym omijanie przeszkód, akceptację odstępu czasu/odległość, skręcanie, zmiany pasów ruchu, wyprzedzanie, wybór prędkości itp. Wreszcie, poziom operacyjny reprezentuje działania kontrolne niskiego poziomu, takie jak kontrola boczna i wzdłużna w celu utrzymania pozycji pasa ruchu w ruchu lub unikania przeszkód lub niebezpiecznych zdarzeń. Należy zauważyć, że tylko zadania taktyczne i operacyjne podlegają automatyzacji (zawartej w DDT), ponieważ plany strategiczne muszą być zawsze wyprowadzane z poleceń i celów użytkownika. Chociaż w przypadku niektórych systemów automatyzacji jazdy plany strategiczne, takie jak synchronizacja, planowanie trasy lub wybór miejsca docelowego, mogą być również zautomatyzowane, cele takiej automatyzacji będą zawsze określane i ostatecznie kontrolowane przez użytkowników.

W dalszej części omawiany raport stwierdza, że wyżej wymienione zadania związane z kierowaniem mogą być powiązane z pięcioma głównymi poziomami lub warstwami technologicznymi, które AV muszą rozwiązać, aby osiągnąć wysoki poziom automatyzacji: (1) lokalizacja, (2) (dynamiczne) rozumienie sceny, (3) (lokalne) planowanie ścieżki, (4) sterowanie poprzeczne/wzdłużne oraz (5) interakcja użytkownika. Pierwsze dwie warstwy można rozpatrywać łącznie w ramach tzw. warstwy percepcyjnej, ale w niniejszym raporcie są one rozpatrywane niezależnie. We wszystkich tych komponentach technologicznych rola AI jest dominująca, a w niektórych przypadkach nieodzowna.

1.Lokalizacja: jeden z najbardziej krytycznych etapów AV polega na jego dokładnej lokalizacji (pozycja i kurs) we współrzędnych globalnych, na poziomie pasa (z maksymalnym błędem kilku centymetrów) oraz w ulepszonej cyfrowej lub wysokiej rozdzielczości. Stosowana jest tu mapa wysokiej rozdzielczości (HD) zawierająca pełne informacje semantyczne i geometryczne wszystkich statycznych elementów sceny, w tym sygnalizacji świetlnej, znaków drogowych, przejść dla pieszych, pasów, układu ulic, skrzyżowań, rond, parkingów, terenów zielonych itp. Gdy V2I jest dostępne, mapy te mogą również zawierać dynamiczne informacje w czasie rzeczywistym, takie jak pogoda i warunki drogowe (np. wypadki, korki itp.) oraz stan sygnalizacji świetlnej. Aby proces ten był jak najbardziej stabilny, coraz ważniejsze staje się połączenie czujników, w tym GNSS, bezwładnościowych jednostek pomiarowych (IMU), kamer, LiDAR, radarów, ultradźwięków, WiFi i drogomierzy kołowych. Rola dokładnych map HD, w tym cyfrowych, wizualnych czy map 3D, jest krytyczna i pomimo wysokich kosztów i trudności skalowanie, mapowanie regionów za pomocą wielu czujników oraz w różnych warunkach pogodowych i oświetleniowych, jest jednym z najważniejszych obszarów rozwoju i innowacji we współczesnym krajobrazie POJAZDÓW AUTONOMICZNYCH. Problem lokalizacji można opisać następująco. Konwencjonalny GPS podaje pierwszą przybliżoną lokalizację, co pozwala wytyczyć obszar wyszukiwania na mapie. Na podstawie mapy (cyfrowej, wizualnej lub zasięgowej) tego obszaru oraz na podstawie danych zebranych przez czujniki (np. IMU, kamery, LiDAR) stosuje się różne techniki dopasowywania mapy w celu dokładnego ustalenia pozycji i kursu pojazdu na mapie. Podstawową ideą jest znalezienie podobieństw między tymi a priori dokładnymi mapami i aktualnymi danymi z czujników. Chociaż tradycyjnie techniki te nie opierały się na uczeniu się, podejścia oparte na danych stają się coraz bardziej powszechne.

Przypomnijmy, że satelitarny system pozycjonowania, określany również skrótem GNSS (od Geolokalizacji i Nawigacji przez System Satelitarny) to zestaw komponentów opartych na konstelacji sztucznych satelitów, umożliwiający dostarczenie użytkownikowi za pomocą małego przenośnego odbiornika jego pozycji 3D, prędkości i czasu 3D. Ta kategoria systemów geodezyjnych charakteryzuje się precyzją metryczną, zasięgiem globalnym i zwartością sieci terminali, ale także wrażliwością na przeszkody występujące między terminalem odbiorczym a satelitami. Niektóre regionalne lub globalne systemy zwiększania zasięgu i niezawodności, bezpłatne lub płatne, zwiększają niezawodność systemu i poprawiają wydajność (DGPS, EGNOS, Assisted GPS (A-GNSS) itp.). Obecne systemy są bardziej bezpośrednio skierowane dla użytkownika: satelita przesyła sygnał zawierający jego pozycję i dokładny moment transmisji. Ten komunikat jest nałożony na kod, który zawiera odniesienie do czasu. Synchronizację sygnału zapewniają zegary atomowe na pokładzie każdego satelity. Odbiornik porównuje czas przybycia z własnym zegarem ze wskazanym czasem transmisji iw ten sposób mierzy odległość od satelity. Pomiary te są powtarzane na wszystkich widocznych satelitach i umożliwiają ciągłe obliczanie pozycji. Każdy pomiar odległości, niezależnie od używanego systemu (konstelacja niska lub geostacjonarna lub lokalna latarnia morska) umieszcza odbiornik na sferze wyśrodkowanej na nadajniku. Dzięki zastosowaniu co najmniej trzech emiterów sfery te mają jeden punkt przecięcia. Ta generalnie prosta zasada jest jednak w praktyce bardziej skomplikowana:

• lokalny zegar odbiornika rzadko ma precyzję atomową, dokładne są zatem tylko różnice czasu, co wymaga czterech radiolatarni lub satelitów, aby ustawić punkt zamiast trzech (jeśli znana jest wysokość, wystarczą trzy radiolatarnie);
• odbiorniki są ruchome, dlatego pomiary są przeprowadzane w różnych punktach;
• fale radiowe mają nieznacznie zmienną prędkość w zależności od skrzyżowanych warstw jonosferycznych.

Odbiornik integruje więc te różne błędy, wykorzystując poprawki i pomiary z różnych satelitów lub radiolatarni, a następnie techniki integracji i filtrowania, takie jak filtry Kalmana, w celu uzyskania najbardziej prawdopodobnego punktu i jego szacowanej precyzji, prędkości, a także czasu uniwersalnego.

W zastosowaniach wymagających absolutnego bezpieczeństwa punktowego (lądowanie na ślepo, antykolizja itp.) sygnały nawigacyjne uzupełniane są sygnałem tzw. „integralności”, który umożliwia wyeliminowanie dowolnego pomiaru z nadajnika przy chwilowym lub długotrwałym błędzie. Ten sygnał integralności jest, w przypadku obecnego GNSS, dostarczany przez system rozszerzający, który monitoruje stan satelitów w czasie rzeczywistym (jak europejski system satelitarny EGNOS, który został opracowany specjalnie dla lotnictwa cywilnego, ale który może w określonych warunkach , świadczyć również usługi żeglugi morskiej lub lądowej).

Dodajmy też, że IMU (ang. inertial measurement unit) jest jednostką do nawigacji inercyjnej wyposażoną w jeden lub wiele trójosiowych żyroskopów i trójosiowych przyspieszeniomierzy. Rozwiązanie to pozwala na dokładne śledzenie orientacji obiektu w dwóch osiach. Pomiar azymutu odbywa się metodą zliczeniową, przez co podatny jest na zjawisko dryfu. Ten rodzaj naprowadzania jest używany głównie w pociskach dalekiego zasięgu (balistyczne i manewrujące), wystrzeliwanych z silosów lub okrętów wojennych, ponieważ ich cele (budynki, bunkry itp.) są stałe.

Sama nawigacja inercyjna (INS) to technika wykorzystująca czujniki przyspieszenia i obrotu do określenia bezwzględnego ruchu pojazdu (samolot, pocisk, łódź podwodna itp.). Ma tę zaletę, że jest całkowicie autonomiczny. Jednostka inercyjna to zestaw czujników umożliwiających pomiar ruchu interesującego punktu w jego 6 stopniach swobody, czyli 3 w ruchu translacyjnym modelowanym przez wektor prędkości liniowej punktu i 3 w obrocie modelowanym przez wektor obrotu. Jednostka bezwładnościowa ma zatem 6 czujników, tj.: 3 akcelerometry i 3 żyrometry. Zwrócimy uwagę na ważny punkt: otóż prędkość liniowa nie jest mierzona, musimy cyfrowo zintegrować akcelerometry, aby uzyskać mniej lub bardziej dobre oszacowanie wektora prędkości, a to jest jeden z dużych problemów. Aby otrzymać oszacowaną pozycję interesującego punktu, trzeba jeszcze raz scałkować numerycznie oszacowanie prędkości, wzmacniając błędy niskiej częstotliwości zawarte w oszacowaniu prędkości. Innym dużym problemem jest to, że nie mierzymy położenia, a jedynie prędkość obrotową tych 3 kątów i nadal musimy cyfrowo całkować te zmierzone prędkości obrotu, aby uzyskać oszacowanie kątów. Sytuację jeszcze poważnie komplikuje fakt, że akcelerometry nie mierzą wektora grawitacji planety, w rzeczywistości musimy oszacować (kolejny) wektor grawitacji, który panuje w punkcie zainteresowania, musi być dodany do pomiarów akcelerometrycznych, stąd kluczowe znaczenie bardzo dobrej jakości kątów bezwładności szacowanych przez jednostkę. Te powżne problemy oznaczają, że w praktyce nawet najwyższej klasy jednostka bezwładnościowa (jednostka laserowa kosztująca kilka milionów euro) może zrekonstruować prawidłową trajektorię tylko przez kilka minut. W praktyce nieodzowne jest zastosowanie innych zewnętrznych czujników (GPS, Doppler, przepływ optyczny, magnetometry, mierniki ciśnienia itp.) w celu zwiększenia jakości rekonstrukcji trajektorii interesującego punktu oraz jego „żywotności”.

Wszystkie nowoczesne samoloty są wyposażone w naprowadzanie bezwładnościowe w postaci systemu IRS (Inertial Reference System), umożliwiającego poznanie pozycji i wszystkich powiązanych danych, w połączeniu z systemem nawigacyjnym do naprowadzania typu. Satelitarne systemy pozycjonowania, a także systemy radionawigacyjne na ziemi są wykorzystywane wyłącznie w celu rekalibracji swojej pozycji ze względu na dryf bezwładności systemu. Starsze samoloty (około lat 70.) miały INS (Inercyjny System Nawigacji), który zapewniał zarówno określanie pozycji, jak i nawigację punkt-punkt. Jednak system był znacznie bardziej ograniczony. Jest on również używany z niektórymi rodzajami broni dalekiego zasięgu, takimi jak pociski przeciwokrętowe lub powietrze-powietrze, aby umożliwić im dotarcie do ogólnej lokalizacji celu bez wykrycia, przy czym system aktywnego naprowadzania jest aktywowany pod koniec wyścigu . Okręty podwodne, które nie mogą przechwytywać fal z podwodnych systemów pozycjonowania satelitarnego, mają również naprowadzanie bezwładnościowe.