A promessa dos carros autônomos de tornar nosso transporte mais seguro, mais conveniente e mais eficiente é claramente imensamente atraente. Não seria mais necessário nos concentrarmos na tarefa de dirigir, e teríamos mais tempo para outras atividades. Mas inúmeras outras razões justificam a pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia sem motorista. Alguns exemplos incluem reduzir o número de acidentes em até 87%, tornar o transporte mais eficiente, produtivo e acessível, garantir o acesso ao transporte para pessoas com deficiência, diminuir a poluição e as emissões de escapamento em até 66% e muito mais⁶.

O sonho da direção autônoma é provavelmente tão antigo quanto o próprio automóvel, mas a autonomia total ainda continua sendo um dos grandes desafios da ciência da computação e da engenharia. Neste artigo, examinaremos os antecedentes históricos do desenvolvimento dos carros autônomos e os muitos contratempos que destacaram os desafios da direção autônoma.

Os primórdios da indústria automotiva

Embora possamos ir até o século 18 ao falar sobre os primeiros automóveis, o primeiro marco sensato para o escopo deste artigo é o ano de 1886. Naquele ano, Carl Benz desenvolveu o primeiro automóvel movido a gasolina com motor de combustão interna - o ” Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 ”⁸.
Em 1908, a Ford Motor Company apresentou o Ford Modelo T — o primeiro automóvel a ser produzido em massa em uma linha de montagem móvel⁴. Naturalmente, todos esses carros e modelos lançados nas décadas seguintes eram dirigidos exclusivamente por um motorista humano.

Primeiros Passos Autônomos

A primeira tentativa de direção autônoma foi feita em 1925 por Houdina Radio Control com o " American Wonder " - um carro controlado por rádio que dirigia em meio ao tráfego intenso nas ruas da cidade de Nova York. Este carro era tecnicamente sem motorista, mas ainda era totalmente controlado por um operador em outro carro seguindo o veículo. Portanto, embora tenha marcado um passo importante para a invenção dos carros autônomos, ainda está longe do que pensamos como direção totalmente autônoma.

Nas décadas seguintes, outros seguiram uma ideia semelhante de apenas navegar no carro por meio de um controlador externo. Uma abordagem popular era incorporar algum tipo de circuito de navegação na estrada. O primeiro exemplo desse sistema de orientação foi exibido na Feira Mundial de 1939 patrocinada pela General Motors - seu protótipo foi guiado por cabos magnéticos embutidos diretamente na estrada. Essa ideia foi continuada por muitos pesquisadores, por exemplo, RCA Labs, ao longo da década de 1950, passando do controle de um carro em miniatura por fios colocados no chão de um laboratório em 1953 para uma demonstração em tamanho real em 1957 e 1960.

Durante as décadas de 1950 e 1960, a GM exibiu uma série de carros experimentais chamados "Firebirds", descritos como tendo um " sistema de orientação eletrônica [que] pode acelerá-lo em uma rodovia automática enquanto o motorista relaxa ".

Experimentos semelhantes foram realizados durante a década de 1960 no Transport and Road Research Laboratory do Reino Unido com o Citroen DS19, apresentado em 1970. Ele foi capaz de percorrer a pista de teste a 80 milhas por hora e previu-se que evitasse cerca de 40% dos acidentes. , caso o desenvolvimento tenha continuado. Este foi um dos últimos marcos da tecnologia baseada em uma infraestrutura de cabos embutida na estrada, já que o financiamento para esses experimentos foi retirado em meados da década de 1970, seguido de pesquisas preliminares sobre os sistemas inteligentes realizadas no Laboratório de Ciências Coordenadas da Universidade de Illinois.

Rumo à verdadeira autonomia

Durante a década de 1980, os primeiros sistemas de navegação baseados em visão foram implementados em três grandes projetos. O primeiro veículo a usar essa tecnologia foi o projeto Navlab¹³ da Carnegie Mellon University, desenvolvido entre 1986 e 1995 — a última iteração reportou uma autonomia de 98% 2850 milhas nos EUA.
O segundo exemplo foi a van robótica da Mercedes-Benz, que atingia uma velocidade de quase 60 milhas por hora em ruas sem trânsito¹⁰. Posteriormente, a organização EUREKA conduziu o maior projeto de RD de todos os tempos no campo de carros sem motorista, fornecendo financiamento de 749.000.000 para o Projeto Prometheus de 1987 a 1995³. O projeto demonstrou vários componentes da direção autônoma, como prevenção de colisões, suporte para manutenção de faixa e sistemas de informações de trânsito e trânsito.
Outro exemplo na mesma década foi o ALV, ou ALVINN (Autonomous Land Vehicle in a Neural Network)⁵, financiado pela DARPA, desenvolvido em 1988. Ele usou uma rede neural totalmente conectada de 2 camadas para converter a entrada do LIDAR e imagens de estradas em veículos comandos, dirigindo a uma velocidade de até 19 milhas por quatro.

revolução tecnológica

Enquanto o desenvolvimento de veículos autônomos progredia gradualmente à medida que os sistemas se tornavam cada vez melhores, há três ondas de uma “revolução tecnológica” que foram de particular importância para o campo.

Primeira Onda — Sistemas de Navegação e o Desafio DARPA

A primeira onda concentrou-se na exploração da tecnologia de navegação emergente, ou seja, Sistema de Posicionamento Global (GPS) e Unidades de Medição Inercial (IMU), desenvolvidas por volta da virada do século. Com o GPS, os sistemas de direção autônoma podiam determinar a posição do carro em um metro – embora fosse uma conquista incrível, não era suficiente para direção e navegação precisas no tráfego rodoviário. Isso foi aprimorado com a introdução de IMUs, que medem as forças de aceleração dentro do carro e aumentaram a precisão da navegação GPS para até 5 cm.

Desafios abertos e grandes competições são fatores essenciais para novas inovações em muitas áreas de pesquisa - por exemplo, o desafio ILSVRC⁹ destinado a estimular o desenvolvimento e a pesquisa de técnicas de reconhecimento de imagem. O equivalente no domínio da direção autônoma foi o Grande Desafio da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) em 2004. A primeira competição ocorreu na região do deserto de Mojave, nos EUA, e a tarefa era navegar por uma rota de 150 milhas. Um prêmio de um milhão de dólares foi oferecido para o primeiro lugar; porém, nenhuma das equipes participantes concluiu o percurso. A maior distância foi percorrida pelo Humvee da CMU, completando apenas 7,32 milhas antes de ficar pendurado em uma rocha após fazer uma curva em ziguezague. Portanto, um segundo DARPA Grand Challenge foi agendado para o ano seguinte - desta vez,

Segunda Onda — Gigantes da Tecnologia Entram na Batalha

Ao longo dos anos, a qualidade dos sensores usados ​​nos veículos melhorou drasticamente e os sistemas baseados em visão tornaram-se cada vez mais populares. Por volta de 2006, melhores sistemas LIDAR foram desenvolvidos, os sistemas de câmeras melhoraram significativamente e os primeiros métodos para reconstruções 3D precisas foram introduzidos, o que ajudou no reconhecimento e localização de obstáculos. Essas tecnologias avançaram significativamente na pesquisa de direção autônoma e, logo, grandes empresas de tecnologia entraram no campo. Por exemplo, em 2009, o Google começou a desenvolver secretamente seu protótipo chamado “Waymo”. Em 2015, eles relataram um investimento de US$ 1 bilhão em pesquisa e desenvolvimento. Recentemente, eles também publicaram uma reconstrução em larga escala de San Francisco a partir de 2,8 milhões de fotos usando uma técnica baseada em Neural Radiance Fields (NeRF)¹¹.

Muitos dos principais fabricantes automotivos, como GM, Ford, Audi, BMW, … VisLab Intercontinental Autonomous Challenge (VIAC), seguindo autonomamente um carro-guia à frente. Mais experimentos em pequenas áreas com cercas geográficas com tráfego real foram realizados, como o projeto Stadtpilot desenvolvido pela Universidade Técnica de Braunschweig em 2010⁷. Durante o mesmo ano, foram levantadas as primeiras preocupações relacionadas a leis e ética — especificamente, um advogado do Departamento de Veículos Motorizados da Califórnia disse que "a tecnologia está à frente da lei em muitas áreas ", citando a lei estadual que exige que os veículos tenham um operador humano em todos os momentos¹².

Terceira Onda — Revolução Tecnológica

O próximo grande marco do desenvolvimento que pode ser considerado a terceira onda da revolução tecnológica ocorreu em 2012. Com o avanço dos métodos de Machine Learning, Representation Learning e Deep Learning, os sistemas autônomos tornaram-se cada vez mais precisos. Novas competições e benchmarks permitiram comparar diferentes tecnologias e métodos de maneira uniforme, o que incentivou muitas equipes de pesquisa a continuar desenvolvendo novas técnicas.

Em 2014, a Mercedes-Benz apresentou seu modelo Classe S equipado com recursos como manutenção automática de faixa, direção autônoma, aceleração e frenagem, além de evitar colisões em altas velocidades. No mesmo ano, a Society of Automotive Engineers (SAE) publicou uma taxonomia comparando diferentes níveis de tecnologias de direção autônoma, criando cinco categorias de autonomia¹¹. De acordo com este sistema, o Classe S alcançou um Nível 2 de Autonomia.

Indústria de direção autônoma de hoje

O crescente envolvimento de grandes empresas no desenvolvimento de certos componentes ou sistemas completos para carros autônomos logo formou toda uma indústria. Muitas grandes empresas, como Uber e Tesla, iniciaram departamentos de pesquisa inteiros em 2015 e 2016, contratando vários cientistas e engenheiros. Infelizmente, o desenvolvimento foi novamente marcado por contratempos, especialmente em 2016 e 2018, devido a dois acidentes fatais com veículos Tesla, levantando questões legais e diminuindo a confiança na tecnologia de condução autónoma.

Em 2017, a Audi anunciou que seu novo modelo A8 seria totalmente autônomo. Ao contrário dos outros carros, não haveria necessidade de fazer verificações de segurança, como tocar no volante a cada 15s. Para referenciar o gráfico de Níveis de Autonomia, isso significaria autonomia de Nível 3. No entanto, o sistema nunca foi totalmente implementado e, em 2020, a Audi anunciou que o sistema não seria ativado².

Na década de 2020, a Tesla lançou uma versão beta de seu sistema FSD para um pequeno grupo de testadores nos EUA. A Mercedes-Benz recebeu a aprovação alemã para um sistema autônomo de nível 3 com foco na manutenção da faixa. Mais tarde, lançaram as vendas do sistema Drive Pilot na Alemanha para os modelos Classe S e EQS, operando no Nível 3.

Resumo

Este artigo resumiu os principais marcos do desenvolvimento de veículos autônomos. Como vimos, a direção autônoma tem uma longa história. As pessoas começaram a pensar em maneiras de tornar os veículos autônomos mais cedo do que se imagina. Ao longo das últimas décadas, esta tecnologia continuou a melhorar e a tornar-se cada vez mais fiável até que, em 2019, foi apresentado o primeiro veículo com autonomia de nível 3 para autoestradas. Na corrida por carros cada vez mais autônomos, agora existem muitos jogadores, incluindo alguns bem conhecidos, com Tesla e Waymo aparentemente liderando o campo. Mas a autonomia de nível 4 e 5 permanece inatingível e extremamente difícil de implementar. Além disso, vários contratempos diminuíram a confiança na direção autônoma e trouxeram à tona questões éticas e legais. A autocondução é uma tecnologia complexa, mas promissora,

Referências

[1] SAE Internacional. Classificação do sistema adaptativo e glossário sobre condução automatizada .
Arquivado do original em 7 de outubro de 2017.

[2] Stephen Edelstein. A Audi desiste do
sistema autônomo de assistência ao motorista de nível 3 no A8. 2020.

[3] EUREKA. Projeto Eureka E!45 PROMETHEUS .
Arquivado do original em 14 de agosto de 2018.

[4] History. com. Modelo T: o primeiro carro que a maioria das pessoas poderia
comprar. 2020.

[5] Takeo Kanade, Chuck Thorpe e William Whittaker. Projeto de Veículos Terrestres Autônomos na CMU . Em Anais da Décima Quarta
Conferência Anual da ACM de 1986 sobre Ciência da Computação.

[6] Nikolaus Lang, Michael Rüßmann, Jeffrey Chua e Xanthi Doubara.
Tornando os veículos autônomos uma realidade: lições de Boston e além. 2017.

[7] Tobias Nothdurft, Peter Hecker, Sebastian Ohl, Falko Saust, Markus Maurer, Andreas Reschka, and J ¨urgen R ¨udiger B ¨ohmer. Stadtpilot: primeiros test drives totalmente autônomos no trânsito urbano . 2012.

[8] Escritório Alemão de Marcas e Patentes. Der Streit um den ”Geburstag”
des modernen Automobils.
Arquivado do original em 2 de janeiro de 2017.

[9] Olga Russakovsky, Jia Deng, Hao Su, Jonathan Krause, Sanjeev Satheesh,
Sean Ma, Zhiheng Huang, Andrej Karpathy, Aditya Khosla, Michael Bernstein
, Alexander C. Berg e Li Fei-Fei. Desafio de Reconhecimento Visual de Grande Escala ImageNet .
Jornal Internacional de Visão Computacional (IJCV). 2015.

[10] Jürgen Schmidhuber. Destaques do Prof. Schmidhuber sobre a história dos carros-robôs. 2009.

[11] Matthew Tancik, Vincent Casser, Xinchen Yan, Sabeek Pradhan, Ben
Mildenhall, Pratul Srinivasan, Jonathan T. Barron e Henrik Kretzschmar. Block-NeRF: Síntese de visão neural de cena grande escalável . 2022.

[12] O jornal New York Times. Os carros do Google dirigem sozinhos, no trânsito. 2010.

[13] Carnegie Mellon University. O Projeto de Veículo Terrestre Autônomo da Carnegie Mellon University (NAVLAB). 2014.