Coöperatief en autonoom rijden: het wat, wanneer en waarom

In de afgelopen tijd is er met enige regelmaat aandacht in de pers voor coöperatief en autonoom rijden. Maar wat is coöperatief rijden precies? Wat verstaan we onder een autonoom voertuig? In deze bijdrage praten drie auteurs van TU/e u bij over de recente ontwikkelingen. Oftewel: hoe good old cruise control en stuurbekrachtiging de basis legden voor het rijden van de toekomst.

In 2004 werd in de VS voor de eerste keer de DARPA Grand Challenge gehouden. De bedoeling was om een voertuig autonoom te laten rijden door de woestijn tussen California en Nevada, over een afstand van ruim 200 km. Een succes werd het niet: het ‘winnende’ robotvoertuig kwam slechts 11 km ver. Anderhalf jaar later echter werd de wedstrijd opnieuw gehouden – en met aanmerkelijk meer succes afgerond. Stanford University haalde met een omgebouwde Volkswagen Touareg de eindstreep en won de hoofdprijs van 2 miljoen dollar. Het autonome voertuig was voorzien van een radar, verschillende camera’s, vier laser-afstandmeters en zeven Pentium-computers voor het aansturen van de auto.
In december 2012 werd in het kader van het EU-project Sartre een demonstratie gegeven van een treintje van coöperatief rijdende ‘normale’ Volvo’s. Achter de gewoon bestuurde leidende vrachtwagen volgden een aantal coöperatieve voertuigen waarin de chauffeur niet hoefde te sturen, remmen of versnellen: dat werd automatisch gedaan. Bijzonder was dat de auto’s via draadloze communicatie met elkaar waren verbonden.
En nu, een jaar verder weer? U kunt nu ook met de zelfrijdende Google-wagen op de weg in de Amerikaanse staat Nevada. Toegegeven, het kost een paar centen en wettelijk moeten er steeds twee mensen meerijden die de sensoren en computers in de gaten houden en eventueel het stuur over kunnen nemen – maar het is weer een stapje verder. Hoogste tijd dus om een aantal vragen over deze nieuwe technologie te beantwoorden.

Van cruise control naar coöperatief rijden
Zeker van de coöperatief rijdende auto’s is de technologie goed uit te leggen als een uitbreiding op de al langer bestaande optie van ‘cruise control’, waarbij de auto een voorgeschreven snelheid aanhoudt. Omdat er vele medeweggebruikers zijn, is het nodig om de cruise control-optie aan te kunnen passen – gebruikmakend van een radar als sensor – aan een eventuele voorligger, waarmee de adaptieve cruise control ontstaat (ACC). Cruise control en ACC ondersteunen de chauffeur en zijn in de eerste plaats bedoeld ter verhoging van het rijcomfort. Omdat de met ACC uitgeruste auto automatisch remt als een voorligger te dicht wordt genaderd, kan ook worden gesteld dat het de veiligheid verbetert, hoewel het systeem geen noodstop zal maken en dus niet onder alle omstandigheden een botsing kan vermijden.
Als met ACC de onderlinge rijafstand wordt verkleind, kan ook de doorstroming worden verbeterd en het brandstofverbruik (en dus de emissies) van vooral vrachtwagens worden teruggedrongen. Om deze voordelen van enige betekenis te laten zijn, is het wel noodzakelijk de onderlinge afstand significant te verlagen. Momenteel bedraagt de ‘afstand’ bij menselijke bestuurders ongeveer 1 à 2 s, terwijl ACC een wettelijk minimum van 1 s heeft. Vanuit het oogpunt van doorstroming is het gewenst ruim onder deze waarde te komen. Bovendien wordt het brandstofverbruik van vrachtwagens pas noemenswaardig gereduceerd bij een afstand van ongeveer 0,3 s. Adaptieve cruise control biedt in dit geval geen oplossing omdat bij dergelijke korte afstanden een verschijnsel optreedt dat bekendstaat als ‘keteninstabiliteit’ (string instability): kleine veranderingen in de snelheid van een voorliggend voertuig worden versterkt in stroomopwaartse richting zodat uiteindelijk files ontstaan of, erger nog, botsingen optreden.
De oorzaak van keteninstabiliteit ligt in de geringe informatie over het gedrag van de voorliggers die een radarmeting oplevert, namelijk alleen afstand en verschilsnelheid met betrekking tot de directe voorligger. Uit diverse studies blijkt dat deze informatie niet volstaat bij zeer korte afstanden. De oplossing is echter niet ver weg: door gebruik te maken van draadloze communicatie tussen voertuigen wordt het mogelijk om meer informatie van de directe voorligger te verkrijgen (bijvoorbeeld zijn versnelling) en ook om informatie van andere voertuigen dan de directe voorligger te verzamelen. In dit geval spreekt men van ‘coöperatieve technologie’ en het resulterende systeem wordt coöperatieve adaptieve cruise control genoemd (CACC), hetgeen direct aangeeft dat dit een uitbreiding op de ACC is.

Standaard voor mobiele draadloze communicatie
Ter voorbereiding op deze en andere coöperatieve technologieën is in 2011 een standaard voor mobiele draadloze communicatie tot stand gekomen, in Europa bekend onder de naam ITS G5. Deze communicatietechnologie is speciaal ontworpen voor mobiele toepassingen en kenmerkt zich door een snelle toegang tot het netwerk zonder allerlei authenticatieprotocollen. Hiermee is de technische basis gelegd voor toekomstige systemen zoals CACC die zullen leiden tot een verbeterde doorstroming, minder brandstofverbruik en een hogere verkeersveiligheid.
Inmiddels zijn de belangrijkste technische hindernissen genomen en is CACC heel dicht bij praktische toepassing, waarbij ook rekening wordt gehouden met niet-communicerende voertuigen. Maar, zoals in veel gevallen, zijn er ook hindernissen van andere aard. Zo vergt coöperatieve technologie een vergaande samenwerking tussen verschillende automobielfabrikanten. In dat kader is onlangs het Europese onderzoeksproject i-GAME gestart, waarbij interoperabiliteit van coöperatieve technologie centraal staat. De Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) is betrokken in dit onderzoek en zal onder andere een Grand Cooperative Driving Challenge organiseren. Verder zal de wetgeving moeten worden aangepast om korte volgafstanden toe te staan. En waarschijnlijk is het ook noodzakelijk de typegoedkeuring van voertuigen die zijn uitgerust met coöperatieve technologie, aan te passen.
Desalniettemin wordt verwacht dat binnen 5 à 10 jaar de eerste echte toepassing van CACC op de weg zal verschijnen, namelijk vrachtwagens die elektronisch met elkaar verbonden zijn door middel van CACC. De vlooteigenaar zal hiermee aanzienlijk kunnen besparen op de brandstofkosten, wel zo’n 10 tot 20 procent.

Geautomatiseerd elektrisch sturen
De komst van de (brandstofbesparende) elektrische stuurbekrachtiging heeft het mogelijk gemaakt om diverse nieuwe functies aan een moderne auto toe te voegen, zoals lane keeping assist en geautomatiseerd inparkeren. Maar met deze actuator is ook volledig autonoom rijden een stapje dichterbij gekomen. Een grote uitdaging is echter nog steeds het genereren van een betrouwbaar referentietraject voor het stuursysteem, gebruik makend van verschillende typen sensoren. Daarnaast is het overschakelen van handmatig naar geautomatiseerd sturen en vice versa tijdens het rijden niet triviaal.
In 2012 zijn bij de TU/e de eerste proeven gedaan met een zelf ontwikkeld camera-gebaseerd volgsysteem van een voorligger. Hierbij werd duidelijk dat met een relatief geringe inspanning door studenten een werkend systeem ontwikkeld kon worden. Een probleem was dat de robuustheid voor uiteenlopende condities nog ver te zoeken was. De verwachting is wel dat dit soort systemen binnen afzienbare tijd op de markt zal komen om bijvoorbeeld bij lage snelheid een voorligger te kunnen volgen in de file.
Het is duidelijk dat volledig autonoom rijdende auto’s een belangrijke bijdrage aan de verkeersveiligheid zouden kunnen leveren, omdat de factor mens wordt uitgeschakeld, die voor meer dan 90% van de ongevallen verantwoordelijk is. Aan de andere kant is de kans op een ongeval met letsel 1 op de (ruim) 2 miljoen gereden kilometers, waaruit blijkt dat de mens nog niet zo’n slechte bestuurder is. Dit getal geeft aan aan welke enorme betrouwbaarheidseisen een autonoom bestuurde auto moet voldoen.

____

De auteurs
Prof. dr. Henk Nijmeijer (hoogleraar), dr. ir. Igo Besselink (universitair docent) en ir. Jeroen Ploeg (promovendus, tevens senior research scientist bij TNO Automotive) zijn werkzaam binnen de onderzoeksgroep Dynamics & Control, faculteit Werktuigbouwkunde, van Technische Universiteit Eindhoven.