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