El coche inteligente - Departamento de Ingeniería Telemática

El coche inteligente
En busca de mayor seguridad, sostenibilidad y confort
Daniel Asegurado Turón
Universidad Carlos III de Madrid
Leganés, Madrid, España
[email protected]
RESUMEN
Si alguna vez has soñado con tener un coche como KITT, el coche
fantástico, ese sueño podría hacerse realidad en un futuro no muy
lejano. El sueño del coche fantástico es una realidad que está
emergiendo con fuerza en varios países, incluido España. El
objetivo del presente documento es realizar un recorrido por la
historia del automóvil hasta llegar a los considerados coches
inteligentes, donde nos detendremos a analizar los diferentes
proyectos que trabajan con esta idea.
Palabras clave
Coche autónomo, automatización de vehículos, autoconducción,
Mecatrónica, radar, LIDAR, GPS, visión artificial, eye tracking,
estereoscopía
1. INTRODUCCION
Todos hemos tenido envidia del mítico Michael Knight cuando,
con sólo una orden de voz llamaba a KITT, su coche fantástico,
para que le fuese a recoger allá donde se encontrase. KITT no sólo
era capaz de conducir autónomamente, sino que era capaz de
reaccionar a todo tipo de peligros a los que se enfrentase gracias a
una supercomputadora integrada dotada de inteligencia artificial
(cerebro), que era capaz de interpretar los datos procedentes de
los diversos sensores de sonidos, imágenes e incluso olores (los
órganos de los sentidos). Hasta era capaz de hablar. En definitiva,
un coche con el comportamiento de un ser humano.
Figura 1. KITT, el coche fantástico
Durante muchos años, esta idea del automóvil no ha sido más que
mera ciencia ficción. Sin embargo, la realidad hoy es bien
diferente. En los casi treinta años que separan la emisión de la
legendaria serie de la actualidad, se han realizado grandes
progresos en el estudio del coche inteligente. Organismos
oficiales, como la Unión Europea, fabricantes de automóviles,
como Volvo, o incluso compañías de otros sectores ajenos al
motor, como es el caso de Google, se han lanzado a la carrera por
conseguir el coche del futuro.
¿Cuál es el interés por obtener un coche de estas características?
Siguiendo con la analogía del coche fantástico, el principal interés
sigue siendo salvar vidas. Mientras que KITT se preocupaba de
salvarle la vida a su compañero Michael, el objetivo de los
organismos institucionales como la Unión Europea es reducir el
número de muertes al volante. Según la DGT [1], en el primer
semestre de 2011 ya se contabilizaban 986 víctimas mortales por
accidentes en la carretera (no están incluidas las víctimas de
lesiones graves o leves en el total de accidentes). En cifras
relativas, en Europa murieron 62 personas por millón de
habitantes el pasado 2010, según el informe del ETSC sobre
seguridad vial [2]. Aunque la cifra vaya en descenso en los
últimos años, sigue siendo demasiado elevado el número de
personas que pierden la vida en accidentes de tráfico, por lo que
es necesario la puesta en marcha de proyectos que trabajen por
aumentar la seguridad y evitar el mayor número posible de
siniestros. Con el coche inteligente podríamos mejorar en
cuestiones de seguridad gracias a la incorporación, por ejemplo,
de sistemas de alerta ante el alejamiento involuntario del carril,
detectores de peatones o sistemas de control del conductor que
sean capaz de reaccionar si el conductor se duerme al volante.
Por otro lado, el coche inteligente tiene que velar por la mayor
eficiencia energética posible. Con el creciente número de coches
en el mundo (sólo en 2010 se fabricaron más de 58 millones en
todo el mundo según el informe del OICA [3]), y la cada vez más
escasa cantidad de recursos energéticos, debida en gran parte a la
crisis del petróleo, exigen que los nuevos vehículos gestionen más
eficientemente las fuentes de energía con las que cuente. Las
propias instituciones gubernamentales exigen, para cumplir con
las normativas de sostenibilidad y respeto del medio ambiente,
que además se reemplacen los modelos más antiguos por nuevos
que sean más ecológicos. En España, un 13% del parque
automovilístico supera los 20 años de antigüedad según el último
informe de la DGT [4], por lo que un gran número de coches
deberá ser renovado en los próximos años. En este punto, el coche
inteligente juega también un papel crucial, pudiendo dotársele de
la capacidad para controlar el consumo de forma autónoma. Los
nuevos coches eléctricos y los futuribles coches de hidrógeno u
otras fuentes de energía limpias, exigirán aún más si cabe una
gestión eficiente de la energía, y el desarrollo del mismo
incentivará la creación de coches cada vez más sostenibles.
Al automóvil, que ha vivido grandes transformaciones desde su
invención, le llega por tanto el momento de cobrar inteligencia.
Para ello, siguiendo el prototipo de KITT, es necesario
incrementar la capacidad de percepción (mejorar los órganos de
los sentidos para adquirir más información del exterior) y dotarle
de un cerebro que controle, analice y sea capaz de decidir
autónomamente. Nuevos medidores no sólo de mayor precisión de
los niveles internos del automóvil, como tradicionalmente se ha
venido desarrollando, sino para incorporar nuevas funcionalidades
como detectores de obstáculos para el aparcado automático,
detectores de otros objetos móviles -como otros vehículos- para
aumentar la seguridad en el adelantamiento, o detectores de
posición para el ambicioso plan de la autonavegación. Todo ello,
una vez más, para facilitarle la vida un poco más al ser humano
del siglo XXI.
El presente documento analizará el concepto de coche inteligente,
como el resultado de la incorporación de elementos de
inteligencia artificial en el automóvil, según el siguiente esquema:
-
Sección 1 presenta una introducción al tema de la
inteligencia artificial aplicada al automóvil y motiva el
estudio realizado en este informe.
-
Sección 2 realiza una breve reseña histórica de la
evolución del automóvil y de la incorporación de
elementos de inteligencia artificial en el mismo.
-
Sección 3 analiza las distintas tecnologías en las que
actualmente trabaja la iniciativa i2010 Intelligent Car
Initiative, promovida por la Comisión Europea.
-
Sección 4 aborda el concepto de autoconducción, donde
se presentarán diferentes proyectos que trabajan en
conseguir coches que se conduzcan solos. Una especial
atención se prestará al proyecto de Google, ya que está
actualmente en marcha en Estados Unidos, y al proyecto
que los compañeros de la Universidad Carlos III están
desarrollando en esta materia.
-
Sección 5 valora el futuro de los coches inteligentes
para la sociedad en los próximos años, desde el punto
de vista del autor del documento.
2. HISTORIA
Para entender con mayor detalle hacia dónde va dirigida la carrera
por el coche del futuro, es interesante hacer un breve recorrido
por la evolución del automóvil y repasar los avances que se han
ido desarrollando en la senda de la automatización desde su
invención hasta los modelos contemporáneos y los nuevos coches
autónomos.
2.1 El automóvil clásico
Aunque hubo vehículos a vapor que se pueden considerar los
precursores del automóvil (como el invento de Cugnot en torno a
1769, o el modelo de Murdoch), se considera a Karl Benz el
inventor del automóvil moderno, con la incorporación de la
combustión por gasolina. El primer modelo de Benz, el Benz
Patent-Motorwagen (representado en la Figura 2), al igual que los
modelos que se venían desarrollando paralelamente a finales del
siglo XIX, no dejaba de ser un mero carro (más bien un triciclo
grande) propulsado por un motor.
Figura 2. Benz Patent-Motorwagen (1885)
Ya antes del invento de Benz, la idea del coche eléctrico estaba
desarrollándose. Los primeros coches eléctricos se remontan a
1828, cuando el húngaro Ányos Jedlik inventa el motor eléctrico y
crea el primer modelo de coche propulsado por dicho motor.
Diversos ingenieros trabajan en la idea del coche eléctrico hasta
que alrededor de 1839, el escocés Robert Anderson inventa el
primer coche eléctrico impulsado por baterías eléctricas no
recargables. Sin embargo, la abundancia de carburantes líquidos y
la eficiencia de los motores de gasolina hacen que el coche
eléctrico quede aparcado hasta la actualidad, cuando la necesidad
de nuevas alternativas a los derivados del petróleo hace que se
recupere esta vieja idea de coche eléctrico.
La etapa comprendida entre los últimos años del siglo XIX y la
primera mitad del siglo XX está cargada de avances en la
producción de automóviles. Entre ellos, la invención de la cadena
de montaje en 1910 de la mano de Henry Ford. A partir de este
momento, gracias a la producción industrial de modelos de coches
y su uso extendido para todas las clases sociales, la industria del
automóvil adquiere una importancia vital en la economía de los
países y se convierte en una de las industrias en las que más
recursos se invierten en investigación y desarrollo.
Los avances más destacados en la industria del automóvil durante
el siglo XX se orientan principalmente en la mejora del motor.
Las distintas empresas automovilísticas inician la guerra por
conseguir los motores más potentes y eficientes, y se investigan en
los motores de explosión, o comúnmente conocidos como diesel.
En los últimos años del siglo pasado y los primeros del XXI,
etapa considerada como la edad moderna del automóvil, aparecen
las primeras automatizaciones dentro del coche. A continuación,
se presentan algunas de estas incorporaciones:
El elevalunas eléctrico: mediante un mecanismo
eléctrico controlado por el usuario gracias a un botón de
dos posiciones, se suben y bajan las ventanillas del
automóvil, sustituyendo así a la tradicional manivela
manual.
El airbag: sistema de bolsas de aire que
automáticamente se dispara cuando el automóvil sufre
un choque brusco. Mediante un sistema electro-
mecánico, el coche es capaz de saber cuándo debe
activar el airbag y cuándo no.
El climatizador: un sistema de calefacción que mantiene
la temperatura interna del vehículo a la temperatura
deseada por el conductor. Cuenta con un sensor de
temperatura gracias al cual determina la temperatura del
habitáculo y si debe proporcionar mayor calor o frío
para mantener la temperatura dentro de los márgenes
fijados por el usuario.
El ordenador de abordo: con mayor o menor
sofisticación, los nuevos automóviles incorporan una
pantalla que facilita información sobre kilómetros
recorridos, consumo medio cada 100km, velocidad
media, etc.
Aviso de cinturón de seguridad: mediante sensores de
presencia en los asientos, y sensores en el cierre del
cinturón de seguridad, el sistema de alarma detecta,
cuando el coche arranca el motor, los asientos que están
ocupados y si en dichos asientos sus pasajeros tienen
abrochado el cinturón de seguridad. En caso contrario,
se activa una alarma sonora y visual, indicando que hay
pasajeros sin cinturón de seguridad.
Aviso de puertas abiertas: mediante un sistema de
sensor de cierre, similar al del aviso de cinturón de
seguridad, cuando el motor se enciende un piloto avisa
de si hay alguna puerta mal cerrada o abierta.
Subida automática del volumen en función de la
velocidad: al superar determinada velocidad punta, el
coche sube automáticamente el volumen del reproductor
de música, avisando al conductor de que está
sobrepasando el límite de velocidad, o incluso
despertarte el caso de que el aumento de velocidad se
deba a que el conductor se ha dormido.
El limpiaparabrisas automático: gracias a un sensor de
lluvia en el parabrisas, la velocidad y frecuencia de
barrido de los limpiaparabrisas se ajustan
automáticamente de acuerdo con la cantidad de lluvia
detectada.
El origen de la Mecatrónica se remonta a las investigaciones en el
área de la Cibernética de Turing (1936), Wiener y Morthy (1948)
y Devol (1954) y los autómatas programables de Bedford
Associates en 1968. En la década de los setenta, la Mecatrónica se
centra en la tecnología de servomecanismos, empleada en
productos como puertas automáticas. En los años ochenta, en
pleno auge de la tecnología de la información, los
microprocesadores empiezan a ser introducidos en los sistemas
mecánicos para mejorar su desempeño. Las máquinas de control
numérico y los robots se volvieron más compactos, y las
aplicaciones automotrices como los mandos electrónicos del
motor y los sistemas anticerrado y frenando se hicieron extensas.
Por los años noventa, se agregó la tecnología de comunicaciones,
creando productos que podían conectarse en amplias redes. Al
mismo tiempo, se están usando novedosos microsensores y
microactuadores en nuevos productos como los sistemas
microelectromecánicos como los diminutos acelerómetros de
silicio que activan las bolsas de aire de los automóviles. El
concepto de automatización en el automóvil viene ligado
precisamente a esta rama de la ingeniería y en la aplicación
práctica de la Mecatrónica en técnicas que asistan al conductor en
el control del vehículo.
En este punto en el que se ha repasado brevemente la historia del
automóvil y la aparición de distintas técnicas de automatización
de la mano de la Mecatrónica, es necesario hacer una clasificación
de los nuevos vehículos, en función de la inmersión de la
inteligencia artificial en su producción. Así, podemos diferenciar
tres tipos de vehículos:
Vehículos inteligentes: aquellos que emplean técnicas
de automatización de la Mecatrónica, y en particular de
la inteligencia artificial, para disminuir o facilitarle las
responsabilidades del manejo del automóvil al
conductor. En general, las características inteligentes de
estos vehículos hacen referencia a tareas de baja o
media dificultad. El control del automóvil recae
totalmente en el conductor y la tarea fundamental de la
inteligencia del vehículo es asistirle.
Existen muchas técnicas de automatización aplicadas al
automóvil. Principalmente se clasifican en tres
categorías:
o
Aunque no puedan considerarse como elementos de inteligencia
artificial como tal en el automóvil, estas sutiles incorporaciones
en los coches modernos son, por así decirlo, antecedentes de los
proyectos que hay en marcha ya para dotar a los coches de
inteligencia. El auge de las nuevas tecnologías y la aparición de la
conocida Sociedad de la Información, afectan a todos los ámbitos
de la vida moderna. El automóvil, herramienta que empleamos a
diario, no podía ser menos y, dado el enorme capital económico
que genera la industria del automóvil, cualquier mejora en este
aspecto proporcionará grandes beneficios económicos, al margen
de cualquier otro progreso en sostenibilidad, seguridad o confort.
2.2 La automatización en el automóvil
Con el auge de las nuevas tecnologías, surgen también nuevas
ramas en la ingeniería. Surge además la llamada ingeniería
Mecatrónica, que engloba los campos de las ingenierías mecánica,
electrónica, de control e informática, con el objetivo de diseñar
productos o procesos inteligentes, involucrando sistemas de
control en su diseño.
o
Asistencia sensorial (informativa): informan
al conductor sobre eventos que ocurren y de
los que el conductor puede que no se dé
cuenta. Algunos ejemplos son:

Detectores de obstáculos

Visión nocturna
peatones)

Sistema de aviso para el cambio de carril

Monitorización de puntos ciegos

Detección anticipada de colisión

Faros adaptativos

Reconocimiento de señales de tráfico
(con
detección
de
Asistencia para actuación (correctiva):
modifican las instrucciones del conductor
para ejecutarlas de una forma más eficiente.
Entre las técnicas más conocidas están:

ABS (sistema de antibloqueo de frenos)
o

TCS (sistema de control de tracción)

AWD (motor a las cuatro ruedas)

ESC (control electrónico de estabilidad)

DSR (respuesta a la dirección dinámica)
Asistencia sistémica: introducen mejoras que
no se incluyen en las anteriores. Son por
ejemplo:

Aparcamiento automático

Asistencia para el control de distancias

Dead man's switch: sistemas para detener
el coche de forma segura en caso de que el
conductor quede inconsciente
La Comisión Europea está llevando a cabo un
programa de desarrollo de coches inteligentes, en el
cuál se engloban diferentes proyectos de universidades,
centros de investigación y empresas del mundo
automovilístico. Entre los objetivos de este proyecto
están el control de crucero autónomo, sistemas de alerta
para el cambio de carril o estudios para atacar el
problema del conductor somnoliento.
Aunque la idea se remonta a los años treinta, no es hasta los
ochenta cuando se empiezan a implementar los primeros modelos
reales, no sólo teóricos. En estos años, Mercedes-Benz presenta
una caravana robótica capaz de alcanzar hasta 100 km/h en
carreteras sin tráfico. El éxito del modelo animó a la Comisión
Europea a lanzar el proyecto EUREKA-Prometheus (1987-1995)
para el desarrollo de vehículos autónomos, el mayor proyecto de
I+D en el campo de los vehículos autónomos hasta el momento.
Al mismo tiempo en Estados Unidos el Departamento de Defensa
realiza sus propios experimentos en el llamado Autonomous Land
Vehicle (ALV) y lleva a cabo la primera demostración de
vehículos capaces de seguir un camino utilizando LIDAR, visión
artificial y control robótico autónomo para controlar un vehículo
robótico hasta los 30 km/h. En 1987, consiguen que el ALV sea
capaz de viajar autónomamente fuera de carretera mediante un
sistema de navegación autónomo basado en sensores. El nuevo
modelo es capaz de viajar 600m a 3 km/h en terrenos complejos
con fuertes pendientes, barrancos, grandes rocas y vegetación.
En la siguiente sección se presentarán en detalle en qué
consiste este programa y que tecnologías se están
investigando para el futuro coche inteligente.
Vehículos semiautónomos: aquellos que emplean las
técnicas de automatización para tareas de mayor
dificultad, especialmente en cuestiones relacionadas
con la navegación. El control del automóvil recae
principalmente en el conductor pero parte de la
responsabilidad se le cede al control automático. El
coche semiautónomo es un paso intermedio entre el
coche inteligente y el coche totalmente autónomo.
Vehículos autónomos o robóticos: aquellos que
confían por completo en el sistema de automatización
del vehículo. Se les conoce también por el nombre de
driverless, es decir, coches sin conductor. El vehículo
sustituye por completo las funciones que
tradicionalmente llevaba a cabo el conductor y, como el
propio nombre sugiere, conduce “solo”. El vehículo
autónomo es capaz de percibir el entorno (a imitación
de los sentidos humanos) mediante laser, radar,
LIDAR, GPS y visión artificial, y navegar por sí
mismo. El papel del humano en este caso se limita a
elegir un destino, pero ya no se le requiere realizar
ninguna operación mecánica sobre el vehículo.
2.3 El coche autónomo
Aunque en el apartado anterior se han descrito las principales
características de los vehículos autónomos y posteriormente se
presentarán diferentes proyectos que están trabajando en el
desarrollo del coche autónomo, es interesante realizar también un
breve recorrido por la historia del coche autónomo.
La primera idea que se conoce sobre coches autónomos
corresponde al diseño Futurama, del americano Normal Bel
Geddes y financiado por General Motors, que fue presentado en la
Exposición Universal de Nueva York de 1939. El proyecto
presentaba coches eléctricos, alimentados por circuitos integrados
en la calzada, y que eran controlados por radio.
Figura 3. DARPA: Autonomous Land Vehicle (ALV)
En 1994 y de vuelta a Europa, los vehículos robóticos VaMP y su
gemelo Vita-2 logran circular miles de kilómetros por una
autopista parisina de tres carriles, con tráfico denso, alcanzando
velocidades de hasta 130 km/h con una mínima intervención
humana. El vehículo empleaba visión artificial para reconocer
obstáculos que se podían mover rápidamente, como otros coches,
y poder realizar cambios de carril a izquierda o derecha evitando
colisionar con otros vehículos. El éxito del proyecto dio paso a
muchos otros proyectos en los siguientes años que demostraron
ser capaces de recorrer mayores distancias a mayores velocidades.
En 1996, el proyecto ARGO consigue completar una ruta de 2000
km a lo largo de autopistas del norte de Italia durante 6 días y con
una velocidad media de 90 km/h. Lo sorprendente del proyecto
fue que el vehículo consiguió funcionar en modo totalmente
automático el 94% del tiempo. El automóvil contaba sólo con dos
cámaras detectoras de blancos y negros de bajo coste y utilizaba
algoritmos de visión estereoscópica para entender el entorno (se
guiaba gracias a que la carretera es negra y las líneas delimitantes
son blancas) en contraposición a la aproximación laser/radar de
los proyectos anteriores en el mismo campo.
Si hasta finales del siglo pasado, todos estos proyectos de coches
autónomos no eran más que proyectos, con el cambio de milenio
se han conseguido implantar sistemas de autoconducción en
distintos lugares del mundo, como puede ser el caso del
ParkShuttle en Rotterdam, un sistema de minibuses que funcionan
sin conductor. En 2010 además, con motivo de la Exposición
Universal de Shanghai, cuatro furgonetas eléctricas realizaron el
primer viaje intercontinental sin conductor, saliendo desde Italia y
alcanzando China.
Y aún queda mucho por hacer. Vivimos en un momento en el que
los coches autónomos han dejado de ser una mera idea ficticia o
una serie de experimentos de laboratorio, a ser una realidad. El
ejemplo más claro son los coches autónomos de Google, que ya
están viajando por las calles de Nevada (EEUU) con dueño sí,
pero ya sin conductor.
mantener la distancia de seguridad con el vehículo de delante,
ajustando automáticamente la velocidad del vehículo. Si el
vehículo de delante frena, el sistema ACC hace que el vehículo
reduzca la velocidad para mantener la distancia de seguridad y,
cuando el otro vehículo vuelve a acelerar, automáticamente el
sistema ACC acelera hasta una velocidad programada.
Actualmente la mayoría de sistemas funcionan para una gama de
velocidades limitada y el objetivo de la iniciativa es hacer que el
sistema funcione a cualquier velocidad, incluso que sea capaz de
detener el coche por completo si la situación lo requiere.
3. EL COCHE INTELIGENTE
Los problemas derivados de incremento del tráfico en Europa,
tales como congestión en las redes de carreteras y áreas urbanas,
el daño al medio ambiente y a la salud pública, el incremento del
gasto energético y el elevado número de accidentes (40.000
personas mueren al año en las carreteras europeas) han llevado a
la Comisión Europea a lanzar una iniciativa en favor del coche
inteligente para impulsar su implantación en los nuevos coches
europeos. Entre los objetivos que persiguen alcanzar con los
nuevos sistemas inteligentes están aumentar la seguridad,
ayudando a los conductores a prevenir o evitar accidentes y
mitigando las consecuencias de éstos, y reducir el gasto
energético, facilitando a los conductores información en tiempo
real sobre el estado del tráfico para evitar zonas congestionadas y
optimizando el funcionamiento del motor para mejorar la
eficiencia energética global.
La iniciativa europea, i2010 Intelligent Car Initiative, presenta
una serie de tecnologías en las que se está trabajando o ya están
disponibles para los usuarios, y que se clasifican en tres
categorías: sistemas de ayuda a la conducción, sistemas
cooperativos para la seguridad en carretera y sistemas basados en
localización para la seguridad en carretera.
3.1 Sistemas de ayuda a la conducción
Los sistemas de ayuda a la conducción buscan en última instancia
ayudar al conductor a evitar accidentes o a mitigar el daño
causado por estos. Son los sistemas conocidos como eSafety a
bordo. A continuación, vamos a analizar con más detalle algunas
de las tecnologías más interesantes relacionadas con estos
sistemas:
3.1.1 Sistema antibloqueo de frenos (ABS)
Como su propio nombre indica, el sistema antibloqueo de frenos
(ABS) evita que las ruedas se bloqueen cuando el conductor pisa
el freno. Esto se consigue modulando automáticamente la presión
ejercida sobre la rueda gracias a una bomba que se incorpora a los
circuitos del líquido de freno y a unos detectores que controlan las
revoluciones de las ruedas. Cuando los sensores detectan una
reducción repentina en las revoluciones de las ruedas (debida a
una frenada brusca), interpreta que las ruedas están a punto de
bloquearse, por lo que envían una señal al Módulo de Control del
sistema ABS, el cual reduce la presión ejercida sobre los frenos
(sin intervención del conductor). El sistema ABS se empleó por
primera vez en los años 70 y es uno de los sistemas inteligentes
más extendidos en la actualidad.
3.1.2 Control de crucero adaptativo (ACC)
Este sistema cuenta con un detector radar de gran alcance, un
procesador de señales y un control longitudinal del vehículo para
Figura 4. Sistema de control de crucero adaptativo (ACC)
Aunque los sistemas ACC más comunes están basados en
detectores radar, existen también sistemas basados en láser,
aunque éstos tienen la limitación de no detectar correctamente al
coche de delante en caso de condiciones meteorológicas adversas.
Los sistemas ACC son infraestructuras totalmente independientes
y no necesitan de ninguna señal satélite para funcionar. Sin
embargo, estos sistemas pueden aprovechar también las señales
GPS para realizar mejores estimaciones. Por ejemplo, si el
vehículo de delante frena no por congestión del tráfico sino
porque se aproxima a una salida de la autopista, en lugar de frenar
como el sistema ACC convencional haría, gracias a la señal de
GPS que avisa de que el otro coche tomará la próxima salida, el
coche mantendría su velocidad normalmente.
Existen multitud de fabricantes que incorporan el sistema ACC
parcialmente (es decir, requieren la intervención del conductor a
partir de cierta velocidad), aunque BMW, Mercedes-Benz, Volvo
y Audi ya cuentan con modelos que incorporan sistemas ACC
capaces de detener al vehículo por completo.
La nueva generación de sistemas ACC incluirá también
información facilitada por el coche de delante, en lo que se
conoce como sistemas cooperativos. Pero para ello, hará falta un
acuerdo entre los distintos fabricantes y la estandarización del
sistema para la correcta comunicación entre vehículos.
3.1.3 Asistente de cambio de carril / Detector de
punto muerto
Estos sistemas controlan en todo momento los puntos traseros del
vehículo que quedan fuera del alcance de la vista del conductor.
Cuando el conductor pretende cambiar de carril y acciona la luz
intermitente, el sistema se activa y, en caso de que los sensores
detecten que hay otro vehículo que el conductor no ha podido ver,
avisa del peligro de choque mediante una señal luminosa o
mediante vibración en el volante.
3.1.4 Sistema de control y alerta antisueño
El sistema de control y alerta antisueño entran dentro de lo que
comúnmente se conoce por sistema de monitorización del
conductor, y se encargan de analizar la atención del conductor
sobre la carretera y detectar la somnolencia del mismo de
diferentes formas: atendiendo a las expresión facial, los
movimientos de manos y pies, analizando el parpadeo y la
posición de la cabeza o incluso las alteraciones del ritmo cardiaco.
Cuando el sistema, mediante alguna combinación de los factores
anteriores, entiende que el conductor está durmiéndose o
distrayéndose de la conducción, alerta al mismo mediante una
señal acústica, una fuerte señal luminosa o, en algunos vehículos,
tirando del cinturón de seguridad para con la presión captar su
atención.
Este sistema emplea lo que se conoce como visión artificial, una
rama de la inteligencia artificial en el que el sistema autónomo
debe interpretar los datos procedentes de una imagen. Las
imágenes que se emplean para monitorizar la atención del
conductor se toman de una cámara CCD (dispositivo de carga
acoplada) de detectores LED infrarrojos, situada en el panel de
mando.
información de la zona alrededor del ojo y también ángulos de
posicionamiento de la cabeza. Con esta información, el sistema es
capaz de calcular si la mirada se está fijando en la carretera o no,
aplicando geometría y una serie de márgenes donde la mirada
debería estar situada, y también, de los gestos de la cara,
comparando con modelos que la máquina haya aprendido o
contenga de fabricación, detectar síntomas de fatiga.
En la Figura 5 podemos ver los puntos que emplea un modelo de
Nissan para detectar síntomas de fatiga. El sistema monitoriza la
posición de determinadas zonas de la cara que, cuando superan un
umbral una serie de puntos, se considera que el conductor está
dormido y se activan los sistemas de alerta.
3.1.5 Sistema de protección de peatones y usuarios
vulnerables de la vía pública
Los primeros modelos, de la mano del fabricante Lexus,
monitorizaban la posición exacta y el ángulo de la cabeza del
conductor mientras el coche estaba en marcha. Si el sistema de
alerta de colisión (directamente relacionado con éste) detecta un
obstáculo delante del coche, y el sistema de monitorización
Figura 5. Sistema de monitorización del conductor
observa que la cabeza del conductor se ha mantenido fuera de la
atención de la carretera demasiado tiempo, se activan los sistemas
de aviso para evitar el choque. Toyota fue más allá e implantó un
sistema en el Toyota Crown de 2008 que era capaz de detectar si
el conductor se dormía analizando el movimiento de las pestañas.
Los nuevos modelos son más ambiciosos. Gracias a las imágenes
tomadas por la cámara, es posible realizar un seguimiento del
movimiento de los ojos. La técnica conocida como eye tracking
en inglés evalúa el punto donde se fija la mirada o también el
movimiento del ojo en relación con la cabeza. Los últimos
modelos de Mercedes-Benz monitorizan el nivel de fatiga y
somnolencia del conductor aplicando esta técnica.
Las cámaras que se utilizan para eye tracking contienen un sensor
CCD con diminutas células fotoeléctricas que registran la imagen,
cuyo número determina la resolución de la imagen. El sistema de
detección por tanto funciona enviando una señal infrarroja que se
refleja en los ojos del conductor y se captura por el sensor óptico.
Generalmente, se suelen emplear la señal reflejada en la córnea y
en el centro de la pupila para realizar el seguimiento de la visión
del conductor.
En estos sistemas, es fundamental que no sólo se analice el ojo en
sí (como por ejemplo en los sistemas de reconocimiento de retina)
sino en la dirección de la mirada. Por ello, además de analizar las
señales reflejadas en la zona del ojo (para poder detectar también
parpadeos o si el ojo está cerrado) es importante almacenar
Figura 6. Sistema de detección de peatones
Aunque aún no haya implementaciones en esta materia, sí hay un
especial interés en el seno de la iniciativa i2010 por impulsar un
sistema de protección de peatones y ciclistas. La idea de partida
de este sistema es similar a la que se viene empleando para evitar
colisiones con otros vehículos. Se trataría de instalar una serie de
sensores de diferentes tipos que vigilen la zona delantera del
vehículo y alerten de la presencia de usuarios vulnerables.
El sistema integraría un control para accionar de forma automática
el sistema de frenado para poder evitar la colisión. En caso de que
la colisión fuese inminente y no pudiera evitarse, el sistema
accionaría nuevos elementos de seguridad pasiva del coche, por
ejemplo airbags en el parachoques, elevación del capó del coche,
etc., que disminuyesen el riesgo de lesiones graves de las
víctimas.
La Figura 6 representa las mediciones realizadas por la tecnología
implementada por el proyecto de coche inteligente de la
Universidad Carlos III de Madrid. El sistema analiza no sólo
todos los peatones que rodean al vehículo sino que también debe
tener en cuenta los movimientos de éstos para poder determinar
quienes pueden presentar un problema de colisión con el
automóvil.
3.1.6 El sistema de aviso de cambio involuntario de
carril (LDWS)
Especial interés recibe esta técnica no sólo como un sistema de
alerta del cambio involuntario del carril, sino por ser una técnica
que también será útil en el diseño del coche autónomo. Se trata de
un sistema que vigila la posición del vehículo dentro de un carril
y, en caso de que el conductor se salga o esté próximo a salirse y
el conductor no haya activado el intermitente, avisarle o, en los
modelos más autónomos, corregir la posición del vehículo
automáticamente hasta que el coche esté posicionado
correctamente dentro del carril. Los sistemas que simplemente
alertan al conductor se conocen como LDW (lane departure
warning) mientras que los que corrigen automáticamente la
posición se conocen como LKS (lane keeping system).
3.1.8 Sistema de reconocimiento de señales de
tráfico
La detección de señales puede ser útil para alertar al conductor de
posibles señales que se le escapen a la vista, pero es muy
importante para los coches autónomos. El sistema de
reconocimiento de señales se basa también en la visión artificial
para, dada una serie de imágenes tomadas desde la parte frontal
del coche hacia la carretera, es capaz de distinguir e interpretar
distintas señales de tráfico.
La localización de las señales no es trivial, ya que hay que
emplear modelos geométricos que tengan en cuenta el color y la
forma y debe funcionar ante condiciones luminosas muy diversas.
Además, el diseño de las señales no está totalmente estandarizado,
y las señales antiguas y modernas son bastante diferentes.
3.1.9 Otros sistemas
Existen otras tecnologías recogidas en el proyecto europeo sobre
sistemas de ayuda a la conducción que sólo vamos a mencionar
sin entrar en más detalle:
Luces autoadaptables
Sistemas electrónicos de asistencia en la frenada
Control electrónico de estabilidad
Indicador de cambio de marcha
Sistemas de control de presión de neumáticos
3.2 Sistemas cooperativos para la seguridad
en carretera
Figura 7. Sistema de aviso de cambio involuntario de carril
Los sensores empleados por estos sistemas se basan en sistemas
de vídeo (montados detrás del parabrisas para tener una visión
general en ángulo de los límites del carril), sensores láser (en la
parte delantera del vehículo) y sensores infrarrojos (detrás del
parabrisas o bajo el coche).
Los primeros modelos, como el Citröen de 2005, empleaban
infrarrojos para monitorizar las líneas pintadas en la carretera.
Cuando los sensores detectaban la presencia de la línea divisoria,
alertaban al conductor para que corrigiera la dirección.
Audi por su parte, desarrolla en 2007 un sistema basado en una
videocámara de espectro visible situada en el frontal del coche, y
que captura imágenes en el ángulo de visión del conductor para
estimar el carril. Además, incorpora ya un sistema en la dirección
que vibra en caso de salirse del carril, corrigiendo
automáticamente la dirección para que el vehículo retorne al
carril.
3.1.7 Visión nocturna
Para aumentar la capacidad visual del conductor durante la noche,
se incorporan al vehículo un sistema de visión nocturna basado en
infrarrojos, con un alcance similar al de las luces largas. El
sistema no deslumbra, pues se trata de luz infrarroja, y la escena
iluminada se le muestra al conductor en una pantalla especial,
siendo capaz de percibir éste mejor posibles obstáculos o
vehículos distantes, adelantándose a situaciones peligrosas y así
poder reaccionar con mayor rapidez.
Más allá de la asistencia individualizada, los nuevos modelos
deben ser capaces de interactuar y comunicarse. El automóvil
pasaría a ser un elemento de una red de comunicaciones y se
podría gestionar la red de una forma eficiente, como ocurre con
las redes de telecomunicaciones. Con la cooperación entre
vehículos, la iniciativa europea pretende obtener una mayor
eficacia del transporte, maximizando la eficiencia de uso de las
infraestructuras disponibles, y además mejorar la seguridad. A
continuación se detallan algunas tecnologías relacionadas.
3.2.1 Gestión dinámica del tráfico
Los paneles de señalización variable, o paneles luminosos, que
actualmente están desplegados por las carreteras de toda Europa,
ayudan al conductor a conocer en tiempo real el estado de las
carreteras y ofrecen información sobre rutas alternativas en caso
de accidente. Los mensajes de obligatoriedad, de aviso de peligro
o informativos que actualmente se envían a través de los paneles
de señalización pueden ser enviados a un receptor situado en el
interior del vehículo, facilitando la llegada de información útil al
usuario sin necesidad de que éste tenga que llegar a la carretera
que se encuentra con problemas de tráfico para conocer su estado.
Muchos GPS ya disponen de esta funcionalidad de controlar el
estado de las carreteras. Pero en la actualidad no deja de ser un
sistema meramente informativo. En una red futura, en la que los
coches cooperan entre sí para una gestión eficiente del tráfico, la
decisión de ruta debería gestionarse por elementos enrutadores
(similares a los routers de las redes de ordenadores) y así evitar
que ciertas zonas se congestionen.
3.2.2 eCall
El sistema eCall incorporaría a la red de comunicaciones de
coches a los servicios de urgencia. En caso de accidente, el
sistema establecería una conexión de voz con el servicio de
emergencias 112, enviando la hora y lugar del accidente, las
características del vehículo afectado o incluso facilitar
información adicional sobre el conductor si fuese necesario
ponerse en contacto con los familiares. El ahorro de tiempo en
atender la emergencia supondría salvar la vida de muchos
afectados en accidentes que mueren debido a que no es posible
atenderles a tiempo.
3.2.3 Asistente de cruces
Uno de los puntos negros en los que más accidentes se producen
es en las intersecciones. La iniciativa de la Comisión también
plantea actuar de forma cooperativa entre vehículos para aumentar
la seguridad en los cruces. Para ello, se proponen dos sistemas. El
primero, aviso de preferencia, que indique al conductor que ceda
el paso a la derecha en una pantalla y, en caso de que el conductor
no reaccione, avisarle del peligro de colisión. El segundo,
asistente de semáforos, recibiría la información del semáforo
inalámbricamente para que el coche adecúe la velocidad y poder
cruzarlo en verde.
3.2.4 Sistema de aviso de obstáculo o colisión
Las soluciones que actualmente hay implementadas sobre la
detección de obstáculos son una extensión del sistema de control
de crucero adaptativo: utilizan también información obtenida por
detectores radar y generan avisos acústicos y visuales para alertar
al conductor de un peligro inminente.
Sin embargo, hacia lo que se está caminando es a utilizar en un
futuro radares de largo y corto alcance, sistemas LIDAR y
procesado de imágenes de vídeo en la detección, y contar con un
sistema de frenado automático, capaz de frenar a máxima
potencia, preparar los airbags o tensar los cinturones de seguridad
en caso de una colisión inminente.
Todas estas medidas se recogen en la iniciativa eSafety, impulsada
por la Comisión Europea para mejorar la seguridad en la carretera.
4. AUTOCONDUCCIÓN
Las mismas tecnologías que asisten al conductor en los coches
inteligentes, se toman desde una nueva perspectiva en los modelos
de coches autónomos. La técnica es la misma; la filosofía cambia.
En lugar de alertar al conductor para que reaccione, ¿por qué no
reaccionar autónomamente sin intervención del conductor? Con
esta idea se empieza a trabajar en el coche sin conductor,
aplicando estas tecnologías y delegando toda la funcionalidad del
conductor sobre la inteligencia artificial del vehículo.
En la actualidad existen ya varios modelos de vehículos
autónomos que funcionan sin problemas sin la necesidad de un
conductor. En este documento vamos a analizar dos proyectos
concretos: el modelo de Google, por ser el que más atención está
acaparando en el sector de los vehículos autoconducidos, y el
modelo que están desarrollando investigadores de la Universidad
Carlos III de Madrid, por ser parte de nuestra universidad.
4.1 El coche sin conductor de Google
El proyecto que presenta Google en el ámbito del coche autónomo
está liderado por el ingeniero Sebastian Thrun, director del
laboratorio de inteligencia artificial de la Universidad de
Standford y coinventor de sistema Google Street View. El mismo
grupo de desarrollo de este prototipo ya ganó en 2005 un premio
del Departamento de Defensa norteamericano gracias al vehículo
robótico Stanley. Los coches sin conductor de Google son legales
en el estado de Nevada desde junio de 2011, convirtiéndose en el
primer estado que permite la circulación de vehículos autónomos
y convirtiendo al proyecto de Google como pionero en la
comercialización de estos modelos.
Los sistemas LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) que
se mencionan se posicionan como la tecnología de detección del
futuro más inmediato y es la tecnología que emplean por ejemplo
las pistolas láser de la policía para determinar la velocidad de los
vehículos que circular en el tráfico rodado. Estos sistemas
determinan distancias entre un emisor láser y un objeto utilizando
haces láser pulsados y midiendo el tiempo de retardo entre la
emisión del pulso y la detección de la señal reflejada (igual que el
radar pero con ondas de luz en vez de radio).
Entre las principales ventajas del LIDAR sobre el radar están: es
mucho más rápido; los haces de luz divergen menos que los de
ondas sonoras, que se dispersan y rebotan en el entorno, y por
tanto son más precisos en detección; son más económicos; puede
funcionar también de noche; y es más fácil de transportar y
mantener.
3.3 Sistemas basados en la localización para
la seguridad en carretera
En el apartado anterior ya se presentaba la tecnología eCall en
materia de comunicar a los servicios de emergencias la posición
exacta del lugar donde se ha producido un accidente en carretera.
Además de este sistema, existen también proyectos que trabajan
con mapas de a bordo como sensores de posición para (al igual
que se utiliza el sensor radar para detectar obstáculos u otros
vehículos) predecir donde estará el coche momentos después,
pudiendo prever que le sucederá cuando llegue a dicho punto, si
hay algún corte de tráfico, o algún otro imprevisto en la carretera.
Figura 8. Toyota Prius modificado para operar como
Google driverless car
El sistema de Google combina información obtenida directamente
de Google Street View con software de inteligencia artificial.
Cuenta con diversos sensores: videocámaras dentro del vehículo
(que permiten controlar el movimiento del vehículo y detectar
peatones, ciclistas y semáforos), un sensor LIDAR en el capó del
coche (que permite al vehículo detectar a más de 60 m en todas
las direcciones y así crear un mapa 3D para el vehículo), sensores
radar en la parte delantera un sensor de posición adherido a una
de las ruedas traseras y que ayuda a localizar la posición del coche
en la carretera. Los vehículos además circulan a la velocidad
indicada por los mapas proporcionados por Google y lleva
instalado un sistema de control de distancias con sensores para
evitar colisionar con el vehículo delantero.
El proyecto cuenta con siete vehículos (seis Toyota Prius como el
de la Figura 6 y un Audi TT) que han demostrado ser capaces de
recorrer autónomamente largas distancias (en torno a 1600km sin
ninguna intervención humana y unos 230.000 con intervención
ocasional).
4.2 El proyecto de la UC3M
La Universidad Carlos III de Madrid cuenta con un proyecto
propio en la carrera por el vehículo autónomo. El proyecto cuenta
con 3 modelos de vehículos: el IVVI, el iCab y el IVVI 2.0.
Sistema de control del conductor: midiendo parpadeo
de los ojos, movimiento de la cabeza y apertura de la
boca para detectar el grado de atención.
Sistema de reconocimiento de señales de tráfico:
emplean Algoritmos Genéticos y Templado Simulado
como algoritmos de búsqueda para encontrar las señales
presentes en las imágenes captadas por una cámara a
color.
Sistema de control de velocidad variable: el
reconocimiento del vehículo delantero se realiza
mediante análisis de imágenes en lugar de por sensores
radar. El sistema se fusiona con el módulo de detección
de carriles para delimitar la búsqueda.
La segunda versión, el IVVI 2.0, mejora el diseño del vehículo e
incorpora como novedad que los sistemas de ayuda a la
conducción sólo informan al conductor cuando éste esté en una
situación real de peligro. Además se incorpora una sonda CANbus (que obtiene información del funcionamiento del vehículo) así
como un sistema GPS-IMU (que informa sobre posición y
velocidad del vehículo) para determinar el estado del vehículo.
El tercer vehículo, el iCab, es un pequeño vehículo eléctrico de
golf que es controlado por un ordenador embarcado. La función
de estos vehículos será llevar de forma autónoma a los visitantes
del Campus, por lo que la autonomía estará limitada al entorno del
Campus y a entornos previamente conocidos.
Figura 9. Vehículo Inteligente basado en Información Visual
(IVVI). Universidad Carlos III de Madrid
El IVVI (acrónimo en inglés de Vehículo Inteligente basado en
Información Visual) es el homólogo al coche desarrollado por
Google. Cuenta con un sistema estéreo blanco y negro, con
cámaras de barrido progresivo para poder captar imágenes en
movimiento y evitar así los problemas inherentes al vídeo
entrelazado, además de una cámara a color para otros temas cómo
la detección de señales de tráfico. Para detectar obstáculos como
peatones u otros vehículos en condiciones de visibilidad adversas,
cuenta con una cámara de infrarrojo lejano capaz de distinguir
objetos por el calor desprendido. En cuanto al interior, el sistema
cuenta con tecnología de monitorización del estado del conductor,
empleando para ello una cámara infrarroja. El cerebro del coche
viaja en el maletero, en donde se hayan dos PC encargados del
procesamiento de los sistemas de visión por computador. Para
conocer el estado del vehículo, éste incorpora además un sistema
GPS.
Entre las tecnologías que se incorporan en este proyecto están:
Sistema de alerta ante el alejamiento involuntario del
carril: se trabaja con imágenes que simulan una vista
aérea de la vía y se acompañan de algoritmos de
calibración automática. Se distinguen los carriles por la
discontinuidad de los niveles de gris de la imagen.
Sistema de detección de peatones: dada la enorme
diversidad de apariencia de los peatones y los cambios
en la forma de estos entre imágenes sucesivas, se
emplea un algoritmo basado en los Contornos Activos
(técnica empleada para delinear el contorno de un
objeto en una imagen 2D ruidosa), inicializados con los
resultados de un sistema estéreo y teniendo en cuenta la
simetría de las formas de los peatones.
5. EL FUTURO DEL COCHE
En este documento se ha pretendido hacer un recorrido por las
distintas tecnologías que se están empleando en construir los
coches del futuro hoy. Sin embargo, aunque ya haya muchos
modelos que incorporen tecnología inteligente y ya estén
circulando vehículos sin necesidad de conductor, aún queda
mucho camino por recorrer.
En la línea de la iniciativa europea, considero que, una vez
perfeccionadas las técnicas que hacen que un vehículo sea capaz
de conducirse sólo, sin necesidad de una figura humana, hay que
trazar un plan para que los vehículos cooperen entre ellos. Del
mismo modo que una a persona que entiende la mecánica del
coche no le es suficiente para circular por carreteras con tráfico,
sino que tiene que aprender el reglamento de circulación, el coche
autónomo tiene que ir a la autoescuela. Es decir, el coche que se
conduce sólo debe también saber conducirse en compañía de otros
coches.
El período que se abre para los próximos años, en el que
convivirán vehículos autónomos y vehículos tradicionales, se
debe prestar especial atención en que los vehículos autónomos
comprendan la inexactitud del conductor humano y, del mismo
modo, lanzar un sistema de gestión de vehículos autónomos que
permita la cooperación entre los distintos automóviles. Como ya
adelantaba anteriormente, uno de los objetivos finales es la
eficiencia, entendida no sólo como el eficiente uso de los recursos
energéticos del automóvil sino también la gestión eficiente de las
infraestructuras: las redes de carreteras. Y entendiéndolas como
tales redes y aplicando un modelo similar al de las redes de
ordenadores, en las que una serie de sistemas se encargan de
gestionar el tráfico, se podría –en un futuro algo más lejanoconstruir redes de carreteras inteligentes, donde los coches
autónomos sean enrutados como los paquetes en los routers.
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