Autonominen auto tulee – rajattuna ja tieverkon avustuksella

Tampereen Hervannassa, VTT:n talon tutkimushallissa on kaksi autoa. Niiden nimet ovat Marilyn ja Martti. Punainen Citroen ja musta Volkkari. Eivät ne uusinta huutoa ole, kilometrejä on näillä takana. Tuosta Touaregistäkin on julkaistu jo pari uudempaa korimallia.

Autoissa on kuitenkin aivan erityistä tekniikkaa. Martti ajoi autonomisten autojen epävirallisen talviajon nopeusennätyksen tammikuun Aurora Summitissa Muonion maastossa, älytiellä. VTT:n vanhempi tutkija Matti Kutila listaa Martin keulalla olevia vempeleitä: kolme laserskanneria, IR-alueen kamera, näkyvää valoa ja IR-valoa säteilevät lyhdyt ja 24 GHz tutka.

Lisäksi tulevat erilaiset paikannuslaitteet kuten GPS ja Glonass, mutta myös kiihtyvyyttä ja suuntaa mittaavat inertiasensorit. Tietokoneet ja tietoliikenne. Saman kaltaista tekniikkaa on nähtävillä Googlen, Uberin ja minkä tahansa muun autonomiaproton katolla mitä erilaisimmissa telineissä ja runkoon upotettuna.

 

Martti ja Marilyn kuitenkin poikkeavat serkuistaan parilla merkittävällä tavalla: Ne osaavat ajaa talvella, kun tiemerkinnät ovat piilossa. Niiden avulla kehitetään keinoälyn lisäksi tieverkon infrastruktuuria ja palveluita hyödyntävää tekniikkaa.

Miten Martin oli mahdollista ajaa lumisella tiellä kaistamerkintöjen ollessa lumen ja jään peittämät? Temppu perustuu differentiaalikorjatun GPS-paikannuksen (DGPS) ja inertiayksikön yhteistöhön. DGPS:ssä tavallisen satelliittidatan muutaman metrin virhe korjataan verkosta saatavan korjaussignaalin avulla, mikä parantaa paikannuksen tarkkuutta huimasti. Kun auton sijainti ja suunta tiedetään muutaman sentin tarkkuudella ja tie on erityisen tarkkaan kartoitettu, voidaan autoa ohjata kuin digitaalisilla kiskoilla täsmälleen oikealla kaistalla. Riippumatta tiemerkinnöistä, valaistuksesta, säästä.

Paikannus ei riitä

Tarkan paikannuksen lisäksi auton keulalle tarvitaan tekniikkaa, jolla estetään törmäys ihmisiin, eläimiin ja muihin tielläliikkujiin. Juuri tätä varten muun muassa IR-kamera auton keulalla on.

Jos sattuisi käymään niin, että paikannus ei toimi, voi auto käyttää laser-skannereita tiellä pysymiseen. Ne tunnistavat talvella tien reunoille auratut lumivallit ja osaavat asemoida auton näin muodostuneeseen kanjoniin oikealle paikalleen.

Vaikein olosuhde ei siis ole se, että lunta on paljon. Vaikeaa on se, että lumi ja jää juuri peittävät tiemerkinnät, mutta eivät vielä muodosta valleja tien reunalle.

Ongelmia tulisi myös vastaan, jopa aivan konkreettisesti, jos vastaan ajelisi Martin kaksoisveli. Autojen keulilla paistavat IR-lyhdyt sokaisisivat IR-kamerat molemmin puolin.

– Sensorien sokaistuminen on ongelma kameroiden- ja tutkien osalta, Kutila kertoo. Jo nyt autojen tutkia pitää vaiheistaa tai suunnata tarkasti pois toisistaan, jos autossa on useampi kuin yksi tutka. Laser-skannerit ovat käytännössä immuuneja sokaistumiselle.

Huipputarkka DPGS ei ole ilmainen ja se vaatii maanpäällisiä rakenteita. Siksi se ei ole erityisen suosittu tekniikka Piilaakson jäteillä. Nämä eivät halua olla riippuvaisia infrastruktuurista.

– Sensible 4:n auton ajo ei ole riippuvainen GPS:stä, kertoo Espoon Otaniemen entisen Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osaston tiloissa majaa pitävän Sensible 4:n Harri Santamala.

– Tämä on yksi ensimmäisiä kysymyksiä mikä meiltä kysytään, kun jutellaan autosta ulkomailla. Sensible 4:n autot paikantavat itsensä laserskannerilla, vertaamalla skannerin näkemää kuvaa aiemmin tehtyyn kartoitukseen. Satelliittipaikannusta käytetään vain lähdössä auton initialisointiin sekä tapauskohtaisesti myös ajonaikaisena niin sanottuna varmennuskerroksena laserskannerin tekemälle paikannukselle.

Sensible 4 on VTT:n lisäksi toinen firma Suomessa, joka kehittää jokasään autonomista autotekniikkaa. Kirjoitin siitä joulukuussa perusteellisemman jutun.

To C-ITS or not to C-ITS?

Tarkan paikannuksen ja sensorien lisäksi VTT:n Kutilan puheissa toistuu moneen kertaan termit C-ITS ja C-Road. Näillä viitataan tien, risteysten, liikennevalojen ja sen sellaisten kykyyn kertoa omasta tilastaan.

Vaikkapa näin: Martti tulee valo-ohjattuun risteykseen. Ihmiskuljettaja olisi tottunut katsomaan liikennevaloja. Pysähtymään punaisella ja lähtemään liikkeelle vihreällä. Mutta konenäköä tekevälle keinoälylle valo-ohjauksen tulkinta on merkittävästi vaikeampaa. Paljon helpompaa olisi kysyä internet-yhteyden yli suoraan liikennevalolta sen tilasta. Tätä C-ITS, eli Cooperative Intelligent Transport Systems, tekee.

VTT:llä ollaan osallistuttu C-ITS rajapintojen kehittämiseen jo kymmenen vuoden ajan. Kyseessä ei ole aivan pieni haaste. Periaatteessa jokaisen liikennevalon, tasoristeyksen, parkkipaikan, kaistan ja työmaan pitäisi pystyä kertomaan oma tilansa internetiin. Jokaisen auton pitäisi pystyä lukemaan tätä tietoa. Autojen pitäisi pystyä myös vaihtamaan keskenään tietoa yllättävistä tilanteista, kuten maantiellä tallustavasta hirvestä tai onnettomuuksista.

Yksi mielenkiintoinen eurooppalainen suurhanke on L3Pilot, missä autojen ensimmäisiä automaatio- ja viestitoiminnallisuuksia testataan.

Tiedon pitäisi kulkea yli valtioiden rajojen ja toimia millisekunneissa eri valmistajien autoissa. On ymmärrettävää, että jotkut autonomisen auton valmistajat eivät halua olla riippuvaisia tästä.

– Tässä kohtaa alalla on koulukuntaeroja, Kutila pohtii.

Toinen koulukuntaero tuntuu liittyvän autonomian kehitysaskeliin. Kutilalla on vahva tuntuma siitä, että autonomia etenee vähitellen, funktio kerrallaan.

– Esimerkiksi taskuparkkeerausautonomia esiteltiin muutama vuosi sitten ja on jo arkipäivää. Kohta tämä laajenee siihen, että auto pyörii itsekseen parkkipaikalla, etsii vapaan paikan ja pysäköi siihen, Kutila kuvaa.

Piilaakson waymojen, auroroiden ja applejen lähestyminen vaikuttaa kuitenkin olevan se, että neuroverkko sensoreineen tekee kaikki ajosuoritteen vaatimat toimet, eli ajoneuvokehityksen tavoitteena on suoraan melkein täysi itsenäisyys. Hypätä siis välivaiheiden yli.

Tarkka kartta kaiken perusta

Yhdestä asiasta kaikki autonomisen auton tekijät tuntuvat olevan kuitenkin samaa mieltä: Autonomia tuskin tulee kertarysäyksellä saataville kaikkialle. Se toimii vain maantieteellisesti rajatuilla, “Geo-fencatuilla” alueilla.

Autonominen ajoneuvo miten tahansa toteutettuna edellyttää huipputarkkoja 3D-karttoja, joita ei ole yleisesti saatavilla. Ne täytyy tehdä itse. Ja tämä on yksi merkittävistä syistä miksi Googlen, HERE:n ja monen muun kartoittajan autot ajavat jatkuvasti tieverkkoja läpi, katollaan kahvinkeittimen kokoisia mittalaitteita.

Karttojen lisäksi tarvitaan kallista tekniikkaa. Saatetaan puhua jopa sadasta tuhannesta eurosta lisäkustannusta per auto, jotta sensorit saadaan runkoon ruuvattua. Tuontantomäärien kasvaessa hinta arvatenkin romahtaa, mutta ensin autonomia tulee sinne missä se voidaan taloudellisesti perustella ja missä sitä on helpointa soveltaa.

Käytännössä tämä tarkoittaa suoria, vähäristeyksellisiä maanteitä, missä ei ole pyöräilijöitä tai jalankulkijoita. Eli mahdollisimman tylsiä valta- ja moottoriteitä. Ja missä etäisyydet ovat pitkiä ja henkilöstökustannusten säästötavoitteet suuria, ovat sovellutukset todennäköisesti kuorma-autoja ja muuta tavaraliikennettä. Myös vesiliikenteen lautat sopivat automatisoinnin tarpeisiin.

Yksi tunnetuimpia autonomisen rekan sovelluksia oli maailman ensimmäinen autonomisella rekalla vedetty kaljakärry: Otton kehittämä autonomia kiskoi 50 000 tölkkiä olutta itsenäisesti syksyllä 2016 läpi Coloradon. Tai siis, ei aivan itsenäisesti. Ihmiskuljettaja saattoi auton valtatielle ja kytki vasta siellä automatiikan päälle. Myöhemmin Uber osti Otton ja päätyi sittemmin selvittelemään asioita Googlen kanssa oikeusteitse.

Myös VTT:n Matti Kutila pohtii että juuri logistiikassa autonomiasta saataneen ensimmäisiä merkittäviä hyötyjä.

– Laajat rekkojen terminaalialueet voitaisiin suunnitella autonomisia rekkoja varten, esimerkiksi kieltämällä niissä kokonaan jalankulku ja pyöräily, Kutila pohtii.

Myös terminaalien ja valtateiden väliset risteykset ja siirtymät voitaisiin suunnitella erityisen hyvin autonomiselle rekalle sopivaksi, esimerkiksi varustaa ne C-ITS -tekniikalla.

Ennemmin tai myöhemmin autonomia valuu kaikenlaisten autojen saataville, ja yhä laajemmille tiealueille. Mutta milloin autot kulkevat teillä täysin itsenäisesti?

– Tämä saattaa ottaa hyvinkin 20 vuotta, Kutila pohtii. Ja on samoilla linjoilla muiden alan toimijoiden kanssa.

Teksti ja kuvat: Tuomas Sauliala