خودرو خودران و انواع آن

همواره طی مقالات مختلف بیان شد از اهداف اصلی تکنولوژی ایجاد آسایش برای کاربر است؛ بنابراین عجیب نیست که در صنعت خودرو به دنبال آسایش حداکثری با استفاده از خودروهایی که بدون نیاز به راننده حرکت می‌کند. این خودروها را خودران می‌نامند در این مقاله به معرفی و روند ظهور این خودروها پرداخته خواهد شد.

کلمه خودرو خودران از کجا آمده است؟

ساخت خودرویی که خودش رانندگی کند، سالیان سال بود که آرزوی هر مخترع فعال در این حوزه بود. البته که این موضوع به‌سادگی به دست نیامد. خودروهای خودران که در ایران شاید با خودرو تمام‌اتوماتیک هم شناخته شود از روی معادل انگلیسی Self-Driving Car استخراج شده است البته این مفهوم را می‌توانید با عبارات Autonomous car یا Driver Less car نیز جستجو کنید.

تاریخچه

اولین آزمایش‌ها روی تولید و ساخت خودرو خودران در دهه 1950 آغاز شد؛ اما عدم دسترسی به تکنولوژی مناسب، مخصوصاً کنترلی‌های دقیق این موضوع را سالیان سال با تأخیر مواجه کرد. (شکل 1)

شکل 1- خودرو خودران رؤیایی دهه 1950

هم زمان با ارتقا تکنولوژی در اتومبیل، جاده‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفتند. یکی از این پروژه‌ها، مربوط به شرکت خودروسازی GM و شرکت رادیویی RCA در دهه 50 بود . (شکل 2)

شکل 2- تحقیق در مورد جاده هوشمند – شرکت خودرویی GM و رادیویی RCA

در این پروژه آهنرباهایی داخل خودرو نصب می‌شد که کابل فولادی تعبیه شده در جاده را ردیابی می‌کردند هم‌زمان با آن برج‌های کنترل جریان کلی ترافیک را مدیریت می‌کردند.
در دهه 1960 این مسیر توسعه پیدا کرد. در این دهه تجهیزات الکترونیکی بیشتری در اختیار محققین قرار گرفت؛ بنابراین پروژه‌های خودرو های خودران با شتاب بیشتری رشد کرد. شکل 3 نمونه‌ای از این پژوهش‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 3- پروژه کالسکه خودران – دانشگاه استنفورد 1964

پروژه دانشگاه استنفورد نمونه خوبی از آغاز عصر حرکت هوشمند در خودرو ها به شمار می‌رود. اگرچه این پروژه تا نصب آن روی خودرو واقعی فاصله زیادی دارد.
دهه 1970 عصر طلایی توسعه کنترل‌های الکترونیکی بود. در سال 1977 اولین خودرو نیمه اتوماتیک در ژاپن توسط شرکت Tsukuba Mechanical Engineering معرفی شد. این خودرو نمی‌توانست در هر جاده‌ای حرکت کند؛ بلکه یک جاده مخصوص خودرو طراحی شده بود. اما تجهیزات هوشمند کنترلی در این خودرو رشد قابل‌توجهی داشت. به همین دلیل در بسیاری از مقالات این خودرو را اولین خودرو خودران واقعی معرفی می‌کنند. این خودرو با استفاده از دو دوربین مسیریابی می‌کرد و توانست به‌سرعت 30 کیلومتر در ساعت دسترسی پیدا کند. (شکل 4)

شکل 4- نمایی از خودرو نیمه اتوماتیک – شرکت تسوکوبا – ژاپن -1977

ایده‌ها مطرح شده به‌سرعت توسط شرکت‌های بزرگ خودروسازی موردتوجه قرار گرفت از دهه 1980 به بعد تقریباً تمامی خودروسازهای مطرح دنیا در بخش R&D (Research and Development) یا همان بخش تحقیق و توسعه روی این ایده فعالیت می‌کردند.
در دهه 1990 در آمریکا سالانه حدود 650 میلیون دلار برای تحقیق در مورد فرایند اتوماسیون رانندگی اختصاص داده شد. سیستم‌های مختلف کنترلی روی خودروهای مختلف قرار داده شد.
یکی از مشکلات توسعه خودرو های خودران، قوانین و مقررات حمل‌ونقل بود. به‌مرور کشورها به‌صورت آزمایشی قوانین حمل‌ونقل خود را طوری تغییر می‌دادند که حرکت این خودروها در جاده‌ها و خیابان‌ها مشکلی نداشته باشد.
در قرن 21 شرکت‌های بزرگ مانند آ اودی (Audi) و بنز و فولکس، جنرال‌موتور، تویوتا سرمایه گزاری‌های زیادی در این بخش انجام دادند. رشد و دسترسی به سیستم راهیابی (Navigation) (همان اصطلاح GPS در بازار ایران ) سرعت توسعه این نوع خودروها را افزایش دادند. شرکت‌های الکترونیکی هم وارد رقابت شدند. شرکت گوگل پروژه (WAYMO) خودرو بدون راننده را در سال 2017 به بازار معرفی کرد که از google Map استفاده می‌کرد. (شکل 5)

شکل 5- پروژه WAYMO شرکت گوگل

در سال 2018 خودرو آزمایشی شرکت گوگل بیش از 16 میلیون کیلومتر مسافت را به‌صورت اتوماتیک طی کرده بود.
سرعت همواره یکی از نکات موردتوجه در توسعه خودرو ها بود. خودرو های اتوماتیک اولیه سرعت‌های بالایی نداشتند؛ اما با افزایش سیستم‌های کنترلی و افزایش کیفیت سیستم‌های ایمنی فعال در خودرو ها، این مشکل نیز به‌مرور حل شد. در سال 2019 در مسابقه‌ای بین خودرو های بدون راننده در انگلستان انجام شد. یک خودرو به‌سرعت 282 کیلومتر در ساعت دست‌یافت.
اگرچه خودروهای عرضه شده تحت عنوان خودرو های خودران بودند؛ اما حقیقت آن بود که هنوز 100% فرایند رانندگی خودران نبود و یا اگر بود برای مدت‌زمان کوتاه یا مسافت‌های بسیار کم این رویه انجام می‌شد. در مارس 2021 شرکت هوندا مجوز رانندگی نسل سدان Legend Hybrid EX را در خیابان‌های ژاپن دریافت کرد.

دسته‌بندی خودروها

معروف‌ترین دسته‌بندی خودروها از این دیدگاه دسته‌بندی مؤسسه SAE (انجمن مهندسین خودرو آمریکا) است. در این دسته‌بندی خودروها به 6 دسته تقسیم می‌شود. شکل 6 این دسته‌بندی را نشان می‌دهد.

A: از نظر فرمان و شتاب B: از نظر نظارت بر محیط رانندگی (فرمان‌دادن)
C: از نظر نظارت مرکزی روی فرایند اتوماتیک D: از نظر حوزه طراحی عملیاتی
0- کاملاً دستی 1- سطح کمک‌راننده 2- نیمه اتوماتیک 3- اتوماتیک بر اساس شرایط 4- اتوماتیک فعال 5- تمام‌اتوماتیک
شکل 6- دسته‌بندی خودروها از نظر میزان فرایند رانندگی توسط SAE

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود. خودروها از نظر فرایند اتوماتیک رانندگی به 6 دسته تقسیم‌بندی می‌شوند.

سطح صفر

خودروهای این سطح تمامی عملکردهای منجر به رانندگی توسط راننده انسانی انجام می‌شود اگرچه سیستم‌های هشداردهنده می‌تواند به راننده کمک کند؛ اما دخالتی در تعیین شرایط رانندگی ندارند

سطح یک

در برخی از شرایط بسیار خاص، برخی از وظایف راننده به‌صورت اتوماتیک انجام می‌شود. به‌عنوان‌مثال استفاده از سیستم کروز کنترل در خودرو (سیستم کروز کنترل چیست) می‌تواند نشانه سطح یک باشد. در سیستم کروز کنترل ضرورتی به فشار پای راننده برای ثابت نگه‌داشتن سرعت نیست اگرچه در شرایطی که سیستم از کنترل واحد کروز خارج می‌شود مجدداً باید راننده تمامی فعالیت‌ها را انجام دهد. استفاده از سیستم پارک کمکی هم می‌تواند در همین سطح باشد. این سطح به Hands On نیز شناخته می‌شود؛ یعنی فرایند اتوماسیون به سیستم فرمان ارتباطی ندارد.

سطح دو

این سطح که به Hands off نیز شناخته می‌شود. البته این یک اصطلاح است و به‌صورت واقعی برای این سطح خودرو، راننده حتماً باید فرمان را در دست داشته باشد. در این حالت علاوه بر کنترل سرعت (شتاب و ترمز) به‌صورت اتوماتیک، شرایط فرماندهی نیز به‌صورت اتوماتیک انجام می‌شود. راننده باید در یک سطح بالاتر نظارت بر عملکرد سیستم داشته باشد به‌محض اینکه تشخیص دهد فرایند کنترل سرعت یا فرمان به‌صورت اشتباه انجام می‌شود مداخله کرده و شخصاً کنترل را در دست بگیرد. شاید کروز کنترل تطبیقی مثال خوبی برای این سطح باشد؛ یعنی خود سیستم کروز کنترل فرایند را به‌صورت صحیح انجام می‌دهد؛ اما در صورت نیاز راننده می‌تواند کنترل را در دست بگیرد
تا سطح دو نظارت بر فرایند رانندگی بیشتر توسط انسان انجام می‌شود؛ اما از سطح سه به بعد نظارت شخص کاهش‌یافته و سیستم به سمت تمام‌اتوماتیک شدن می‌رود.

سطح سه

این سطح هم اصطلاحاً به eyes off شناخته می‌شود. دیگر نیاز شدید به نظارت راننده وجود ندارد. راننده می‌تواند فعالیت‌های دیگر را نیز انجام دهد. خودرو شرایطی را که نیاز به واکنش فوری دارند، مانند ترمز اضطراری، کنترل می‌کند؛ اما راننده همچنان باید آماده مداخله در مدت‌زمان محدودی است که توسط سازنده مشخص شده است، زمانی که وسیله نقلیه از آن خواسته می‌شود. این سطح از اتوماسیون را می‌توان به‌عنوان یک کمک‌راننده یا کمک‌خلبان در نظر گرفت که آماده است هنگام تعویض نوبت راننده برای رانندگی، به شیوه‌ای منظم به راننده هشدار دهد.

سطح چهار

این سطح به نام Mind off نیز شناخته می‌شود. راننده با خیال راحت می‌تواند فرایند رانندگی را به سیستم بسپارد. البته این حالت فقط در مناطق خاص که تحت پوشش‌های مدیریت حمل نقل است قابل‌اجرا است. مثلاً درصورتی‌که جاده یا خیابان موردنظر از مدیریت هوشمند ترافیک بهره‌مند باشد. مثلاً سیستم تاکسیرانی بدون راننده که در برخی شهرها فعال شده است. فقط داخل محدوده شهر به خودرو امکان رانندگی اتوماتیک می‌دهد. خارج از آن توان مدیریت رانندگی را ندارد

سطح پنج

خودرویی که در این سطح باشد، در هیچ شرایطی نیازمند هدایت توسط انسان نیست. در تمامی سطوح و مکان‌ها و موقعیت‌ها می‌تواند تمامی شرایط محیط بر رانندگی را تحت پوشش خود قرار دهد. این سطح به‌عنوان steering wheel optional (فرمان به اختیار) نیز شناخته می‌شود. خودرویی در این سطح هنوز تا زمان‌نگارش این مقاله معرفی نشده است.

شکل 7- نمونه‌های از خودروهای شرکت‌های مختلف برای سطوح مختلف خودران

خودروهای خودران از آپشن‌های مختلفی استفاده می‌کنند که به‌مرور آنها را بررسی خواهیم کرد. آپش‌های مرتبط با خودرو BMW در دوره آپشن این خودرو (دوره آموزشی پروگرام کدینگ BMW ) در دانشگاه شریف توسط اساتید مجرب تدریس می‌شود.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی