خودروی خودران چیست و چگونه کار می‌کند؟ راهنمای کامل

خودروی خودران (Self-Driving Car)، که گاهی به آن خودروی خودمختار (Autonomous Car) یا خودروی بدون راننده (Driverless Car) می‌گویند، وسیله‌ای است که با استفاده از ترکیبی از حسگرها، دوربین‌ها، رادار و هوش مصنوعی (AI)، بدون نیاز به راننده انسانی، بین مقاصد حرکت می‌کند. برای اینکه یک خودرو کاملاً خودمختار تلقی شود، باید بتواند بدون دخالت انسان و در جاده‌هایی که برای استفاده آن طراحی نشده‌اند، به مقصد از پیش تعیین‌شده هدایت شود.

خودروهای خودران پتانسیل ایجاد تغییرات بزرگی در جاده‌های آینده و صنعت حمل‌ونقل را دارند. از کاهش ترافیک و تصادفات گرفته تا ایجاد خدمات جدید اشتراک سواری و حمل‌ونقل خودران. در این مقاله، به بررسی نحوه عملکرد خودروهای خودران، فناوری‌های کلیدی، مزایا، چالش‌ها و تاریخچه آن‌ها می‌پردازیم. اگر به آینده حمل‌ونقل خودمختار علاقه‌مندید، با ما همراه باشید!

خودروی خودران چیست؟

خودروی خودران از حسگرها، دوربین‌ها، رادار (Radar)، لیدار (LIDAR) و هوش مصنوعی برای ناوبری ایمن و مستقل استفاده می‌کند. این خودروها می‌توانند ترافیک، موانع، علائم راهنمایی و عابران پیاده را شناسایی کرده و مسیر خود را با رعایت قوانین رانندگی برنامه‌ریزی کنند. شرکت‌هایی مانند آئودی (Audi)، بی‌ام‌و (BMW)، فورد (Ford)، گوگل (Google)، جنرال موتورز (General Motors)، تسلا (Tesla)، فولکس‌واگن (Volkswagen) و ولوو (Volvo) در حال توسعه و آزمایش این فناوری هستند. پروژه وایمو (Waymo)، زیرمجموعه شرکت الفابت (Alphabet Inc.)، نمونه‌ای برجسته است که ناوگانی از خودروهای خودران مانند تویوتا پریوس و آئودی TT را در جاده‌ها و بزرگراه‌ها آزمایش می‌کند.

خودروهای خودران چگونه کار می‌کنند؟

هوش مصنوعی (AI) قلب سیستم‌های خودروی خودران است. توسعه‌دهندگان از حجم عظیمی از داده‌های حاصل از سیستم‌های تشخیص تصویر، یادگیری ماشین (Machine Learning) و شبکه‌های عصبی (Neural Networks) برای ایجاد سیستمی استفاده می‌کنند که بتواند به‌صورت خودمختار رانندگی کند.

مراحل عملکرد خودروهای خودران:

• جمع‌آوری داده‌ها: حسگرهایی مانند رادار، لیدار (تشخیص و اندازه‌گیری نور) و دوربین‌ها داده‌های محیطی مانند چراغ‌های راهنمایی، درختان، جدول‌ها، عابران پیاده و علائم جاده را جمع‌آوری می‌کنند.
• ایجاد نقشه محیطی: خودرو یک نقشه سه‌بعدی پویا از محیط اطراف خود می‌سازد تا موقعیت نسبی خود را درک کند.
• برنامه‌ریزی مسیر: خودرو ایمن‌ترین و سریع‌ترین مسیر را با رعایت قوانین ترافیکی و اجتناب از موانع تعیین می‌کند.
• ژئوفنسینگ (Geofencing): این فناوری با استفاده از GPS یا فناوری‌های مکان‌محور، مرزهای مجازی را برای هدایت خودرو در مناطق خاص ایجاد می‌کند و در مدیریت ناوگان، ردیابی خودرو و افزایش ایمنی راننده کاربرد دارد.
• تصمیم‌گیری با AI: نرم‌افزار هوش مصنوعی داده‌ها را تحلیل کرده و با شبیه‌سازی فرآیندهای ادراکی و تصمیم‌گیری انسانی، اقداماتی مانند هدایت، ترمز و شتاب‌گیری را کنترل می‌کند.
• اتصال به منابع خارجی: خودرو از منابعی مانند گوگل مپ (Google Maps) برای اطلاعات پیش‌نیاز درباره علائم، چراغ‌ها و نقاط عطف استفاده می‌کند.
• کنترل دستی: در برخی موارد، امکان کنترل دستی توسط انسان برای مواقع اضطراری وجود دارد.

برای مثال، وایمو از ترکیبی از حسگرها، لیدار و دوربین‌ها استفاده می‌کند تا همه چیز در اطراف خودرو را شناسایی کرده و رفتار بعدی اشیا را پیش‌بینی کند. این فرآیند در کسری از ثانیه انجام می‌شود. هرچه سیستم بیشتر رانندگی کند، داده‌های بیشتری برای بهبود الگوریتم‌های یادگیری عمیق (Deep Learning) جمع‌آوری می‌شود و تصمیم‌گیری‌های دقیق‌تری می‌گیرد.

ویژگی‌های خودران در خودروهای امروزی

بسیاری از خودروهای امروزی کاملاً خودمختار نیستند، اما ویژگی‌های خودران متعددی دارند. پروژه وایمو نمونه‌ای از خودرویی با خودمختاری نزدیک به کامل است که همچنان نیاز به حضور راننده برای مداخله در شرایط خاص دارد. تسلا نیز با ویژگی‌هایی مانند اتوپایلوت (Autopilot) در این حوزه پیشتاز است، اما به دلیل پیچیدگی‌های فناوری، محدودیت‌های حسگرها و مسائل ایمنی، هنوز چالش‌هایی دارد.

برخی از ویژگی‌های خودران رایج در خودروهای تولیدی عبارت‌اند از:

• هدایت بدون دست (Hands-Free Steering): خودرو را بدون نیاز به دست‌های راننده در مرکز خط نگه می‌دارد، اما راننده باید هوشیار بماند.
• کروز کنترل تطبیقی (Adaptive Cruise Control – ACC): فاصله انتخابی با خودروی جلویی را به‌صورت خودکار حفظ می‌کند.
• کمک به حفظ خط (Lane-Centering Steering): هنگام عبور از خطوط، خودرو را به سمت خط مقابل هدایت می‌کند.
• پارک خودکار (Self-Parking): با استفاده از حسگرها، خودرو را بدون دخالت راننده پارک می‌کند.
• کمک رانندگی در بزرگراه (Highway Driving Assist): ترکیبی از ACC و کمک به حفظ خط در بزرگراه‌ها.
• کمک به تغییر خط (Lane-Change Assist): با نظارت بر ترافیک اطراف، تغییر خط ایمن را تسهیل می‌کند.
• هشدار خروج از خط (Lane Departure Warning – LDW): اگر خودرو بدون راهنما از خط خارج شود، به راننده هشدار می‌دهد.
• سامون (Summon): ویژگی تسلا که به خودرو اجازه می‌دهد به‌صورت خودکار از پارکینگ خارج شده و به محل راننده بیاید.
• کمک به فرار از برخورد (Evasive-Steering Assist): برای جلوگیری از برخورد قریب‌الوقوع، خودرو را هدایت می‌کند.
• ترمز اضطراری خودکار (Automatic Emergency Braking – AEB): در صورت تشخیص برخورد قریب‌الوقوع، ترمز را فعال می‌کند.

برخی از خودروسازانی که ترکیبی از این فناوری‌ها را ارائه می‌دهند شامل:

• آئودی: ویژگی Traffic Jam Assist برای کنترل در ترافیک سنگین.
• جنرال موتورز کادیلاک: Super Cruise برای رانندگی بدون دست در بزرگراه‌ها.
• جنسیس: رانندگی خودکار را بر اساس ترجیحات راننده تنظیم می‌کند.
• تسلا: ویژگی اتوپایلوت با LDW، کمک به حفظ خط، ACC، پارک خودکار و سامون.
• فولکس‌واگن: IQ Drive با Travel Assist شامل کمک به حفظ خط و ACC.
• ولوو: سیستم Pilot Assist برای رانندگی نیمه‌خودکار.

سطوح خودمختاری در خودروهای خودران

انجمن مهندسان خودرو (SAE) شش سطح خودمختاری را تعریف کرده است:

• سطح ۰: بدون خودمختاری: راننده تمام عملیات رانندگی را انجام می‌دهد.
• سطح ۱: کمک راننده: خودرو می‌تواند در هدایت، شتاب‌گیری یا ترمز کمک کند، اما راننده باید هوشیار بماند.
• سطح ۲: خودمختاری جزئی: خودرو می‌تواند چند عملکرد مانند هدایت و شتاب‌گیری را همزمان انجام دهد، اما راننده باید آماده مداخله باشد.
• سطح ۳: خودمختاری مشروط: خودرو در سناریوهای خاص (مانند بزرگراه‌ها) خودمختار عمل می‌کند، اما راننده برای شرایط پیچیده موردنیاز است.
• سطح ۴: خودمختاری بالا: خودرو در سناریوهای خاص بدون نیاز به راننده عمل می‌کند، اما مداخله راننده اختیاری است.
• سطح ۵: خودمختاری کامل: خودرو در تمام شرایط بدون نیاز به راننده عمل می‌کند.

سازمان ایمنی ترافیک بزرگراه‌های آمریکا (NHTSA) نیز تعاریف مشابهی ارائه می‌دهد.

کاربردهای خودروهای خودران

تا سال 2024، خودروسازان به سطح ۴ خودمختاری رسیده‌اند. با این حال، موانع فناوری، نظارتی و ایمنی مانع از عرضه عمومی خودروهای کاملاً خودمختار شده‌اند. اما خودروهای خودران در کاربردهای دیگر در حال استفاده هستند:

• سرویس اشتراک سواری وایمو وان (Waymo One): وایمو با همکاری لیفت (Lyft) سرویس اشتراک سواری کاملاً خودران را در شهرهایی مانند فینیکس، سان‌فرانسیسکو، لس‌آنجلس و آستین ارائه می‌دهد. این خودروها هنوز راننده ایمنی برای مداخله احتمالی دارند.
• خودروهای نظافت خیابانی خودران: در استان هونان چین، این خودروها با سطح ۴ خودمختاری در محیط‌های آشنا با موقعیت‌های جدید محدود فعالیت می‌کنند.

پیش‌بینی‌ها درباره زمان عرضه گسترده خودروهای سطح ۴ و ۵ متفاوت است. یک خودروی سطح ۵ باید بتواند در موقعیت‌های جدید به خوبی یا بهتر از انسان واکنش نشان دهد. در آمریکا، حدود 30 ایالت قوانینی برای خودروهای خودران تصویب کرده‌اند که شامل آزمایش، استقرار، مسئولیت و تنظیم مقررات است.

مزایا و معایب خودروهای خودران

خودروهای خودران نتیجه پیچیدگی‌های فنی و دستاوردهایی هستند که با گذشت زمان بهبود می‌یابند. آن‌ها مزایا و چالش‌های متعددی دارند.

مزایای خودروهای خودران:

• ایمنی: طبق برآورد وزارت حمل‌ونقل آمریکا (DOT) و NHTSA، در سال 2022 حدود 40,990 نفر در تصادفات رانندگی جان باختند که 13,524 مورد به الکل مربوط بود. خودروهای خودران با حذف عوامل خطر مانند رانندگی در حالت مستی یا حواس‌پرتی، ایمنی را افزایش می‌دهند.
• کاهش ترافیک: در صورت تسلط خودروهای خودران بر جاده‌ها، ترافیک روان‌تر شده و ازدحام کاهش می‌یابد.
• بهره‌وری: سرنشینان می‌توانند در حین رفت‌وآمد به کارهای مولد بپردازند.
• دسترسی بیشتر: افراد با محدودیت‌های جسمی می‌توانند استقلال بیشتری داشته باشند و در مشاغلی که نیاز به رانندگی دارند، فعالیت کنند.
• کامیون‌های خودران: در آمریکا و اروپا، کامیون‌ها با فناوری پلوتونینگ (Truck Platooning) آزمایش شده‌اند که از ACC، سیستم‌های جلوگیری از برخورد و ارتباطات خودرو به خودرو برای بهبود ایمنی و بهره‌وری سوخت استفاده می‌کند.

معایب خودروهای خودران:

• تجربه اولیه نامطمئن: رانندگی بدون راننده ممکن است در ابتدا برای سرنشینان نگران‌کننده باشد.
• وابستگی بیش از حد: رانندگان ممکن است بیش از حد به فناوری خودران تکیه کنند و در صورت نقص نرم‌افزار یا مشکلات مکانیکی، هوشیاری خود را از دست بدهند.
• نرخ تصادفات: طبق نظرسنجی فوربس، خودروهای خودران در حال حاضر در هر مایل دو برابر بیشتر از خودروهای دیگر تصادف می‌کنند. به عنوان مثال، در سال 2022، یک خودروی تسلا در تست ترمز خودکار با یک مانکن کودک برخورد کرد. در سال 2023 نیز یک دانش‌آموز توسط یک مدل Y تسلا در حالت فول سلف-درایوینگ (Full Self-Driving) ضربه خورد.
• هزینه‌ها: تولید و آزمایش این خودروها پرهزینه است.
• چالش‌های اخلاقی: برنامه‌ریزی خودروها برای واکنش در موقعیت‌های خاص مسائل اخلاقی را مطرح می‌کند.
• شرایط آب‌وهوایی: حسگرها ممکن است در اثر کثیفی، باران شدید، برف یا مه مسدود شوند.

چالش‌های ایمنی خودروهای خودران

خودروهای خودران باید اشیای بی‌شماری مانند شاخه‌ها، زباله‌ها، حیوانات و عابران را شناسایی کنند. چالش‌های دیگر شامل تونل‌هایی که با GPS تداخل دارند، پروژه‌های ساخت‌وساز که تغییر خط ایجاد می‌کنند و تصمیم‌گیری‌های پیچیده مانند توقف برای عبور خودروهای اضطراری است. سیستم‌ها باید تصمیمات فوری برای کاهش سرعت، تغییر مسیر یا ادامه شتاب‌گیری بگیرند. تردید یا انحراف غیرضروری خودروها هنگام تشخیص اشیا نیز گزارش شده است.

حادثه مرگبار مارس 2018 که شامل یک خودروی خودران اوبر بود، نشان داد که نرم‌افزار عابر پیاده را شناسایی کرد اما آن را به اشتباه نادیده گرفت و از برخورد اجتناب نکرد. این حادثه باعث شد تویوتا آزمایش‌های خود را در جاده‌های عمومی موقتاً متوقف کرده و در عوض در تأسیسات آزمایشی خود ادامه دهد. موسسه تحقیقات تویوتا یک مرکز آزمایشی 60 هکتاری در میشیگان برای توسعه فناوری خودران ایجاد کرد.

مسئولیت در تصادفات نیز هنوز به‌طور کامل تعریف نشده و نگرانی‌های جدی درباره هک شدن نرم‌افزارهای خودروهای خودران وجود دارد. خودروسازان در آمریکا تابع استانداردهای ایمنی فدرال وسایل نقلیه موتوری (FMVSS) هستند که توسط NHTSA تنظیم می‌شود. در چین، دولت با بازطراحی مناظر شهری، سیاست‌ها و زیرساخت‌ها، محیطی دوستانه‌تر برای خودروهای خودران ایجاد کرده و بخشی از پردازش داده‌ها را به اپراتورهای شبکه موبایل واگذار کرده است.

تاریخچه خودروهای خودران

مسیر خودروهای خودران با ویژگی‌های ایمنی و راحتی مانند کروز کنترل و ترمزهای ضدقفل قبل از سال 2000 آغاز شد. پس از هزاره جدید، ویژگی‌های پیشرفته‌ای مانند کنترل پایداری الکترونیکی، تشخیص نقاط کور و هشدارهای برخورد و تغییر خط معرفی شدند. بین سال‌های 2010 تا 2016، قابلیت‌های کمک راننده پیشرفته مانند دوربین‌های دید عقب، ترمز اضطراری خودکار و کمک به حفظ خط ظهور کردند.

از سال 2016، خودروهای خودران به سمت خودمختاری جزئی حرکت کرده‌اند، با ویژگی‌هایی مانند کمک به حفظ خط، ACC و پارک خودکار. در سپتامبر 2019، تسلا ویژگی اسمارت سامون (Smart Summon) را معرفی کرد که به خودروها امکان می‌داد در پارکینگ‌ها حرکت کرده و به محل راننده بیایند. در نوامبر 2022، فول سلف-درایوینگ تسلا از حالت بتا خارج شد، اما همچنان یک سیستم سطح ۲ است که نیاز به هوشیاری راننده دارد.

در ژوئن 2011، نوادا اولین منطقه‌ای در جهان بود که آزمایش خودروهای بدون راننده را در جاده‌های عمومی مجاز کرد. کالیفرنیا، فلوریدا، اوهایو و واشنگتن دی‌سی نیز به دنبال آن آمدند. حدود 30 ایالت آمریکا قوانینی برای خودروهای خودران تصویب کرده‌اند.

جالب است بدانید که تاریخچه خودروهای بدون راننده به قرن پانزدهم بازمی‌گردد، زمانی که لئوناردو دا وینچی در حدود سال 1478 طرح اولیه یک ربات خودران با نیروی فنر و هدایت قابل برنامه‌ریزی را طراحی کرد.

آینده خودروهای خودران

خودروهای خودران ترکیبی پیچیده از سیستم‌های به‌هم‌پیوسته هستند که با هوش مصنوعی و یادگیری عمیق هدایت می‌شوند. آن‌ها پتانسیل کاهش تصادفات، بهبود بهره‌وری و افزایش دسترسی به حمل‌ونقل را دارند، اما همچنان با چالش‌های فناوری، نظارتی و ایمنی مواجه‌اند. با پیشرفت فناوری و راهنمایی‌های NHTSA، انتظار می‌رود خودروهای خودران به‌تدریج به بخشی از زندگی روزمره تبدیل شوند.

منبع: techtarget