ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДИТЕЛЕЙ МАЛЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Возможность применения систем

искусственного интеллекта для обеспечения безопасности водителей малых транспортных средств

Буслаев Сергей Петрович

кандидат технических наук, инженер АО им. С.А. Лавочкина, se.bouslaev@yandex.ru

Черепанов Никита Владимирович

кандидат технических наук, ведущий инженер АО им. С.А. Лавочкина, nv137@yandex.ru

В статье рассматривается возможность использования искусственного интеллекта для повышения безопасности мотоциклистов и водителей средств индивидуальной мобильности (мопедов, электросамокатов, гироскутеров, сигвеев, планетоходов и т.п.), попадающих в аварии. Все эти транспортные средства объединены в статье под одним общим названием малые транспортные средства (МТС), так как они обладают следующими общими признаками: у них отсутствует салон и на этих транспортных средствах находится, как правило, один человек. В статье представлены общие проблемы обеспечения безопасности человека в момент аварии и рассматриваются возможные способы повышения безопасности. Искусственный интеллект может найти здесь применение при прогнозировании момента возможной аварии, при определении порядка работы системы аварийного спасения и при активации этой системы. Рассмотрена схема автоматического принятия решения об аварийном спасении водителя в системе «МТС + человек + окружающая среда» и приведено общее описание элементов, образующих эту систему. Рассматриваемая проблема требует ряда инновационных решений аппаратного, программного и математического характера, она относится к задачам с неопределёнными начальными условиями, её решение в реальном режиме времени требует значительных вычислительных ресурсов. Предложен один из способов сокращения времени поиска аварийных случаев при движении транспортных средств. Ключевые слова: безопасность водителя, система аварийного спасения, надувная подушка, искусственный интеллект, неопределённые начальные условия, схема принятия решения

о

CSI

о

CSI

OI

Н О ш m х

<

m о х

X

По подсчётам некоторых западных экономистов шансы погибнуть на дорогах в ДТП у мотоциклистов в 29 раз выше, чем у автомобилистов [1]. В случае аварии у мотоциклистов вероятен более опасный исход аварии по сравнению с автомобилистами. Следует также заметить, что в последнее время по мере создания всё более ёмких и всё более дешёвых аккумуляторов увеличивается число средств индивидуальной мобильности (СИМ) - мопедов, гироциклов, гироскутеров, сигвеев, увеличивается мощность их электродвигателей и в результате увеличивается скорость поездки на них. Использование СИМ становится массовым, а скорость их движения достигает 50 км/час и может приближаться к скорости мотоциклов. Обеспечение безопасности водителя при использовании малых транспортных средств становится всё более актуальной задачей.

Движение человека, находящегося в момент аварии на МТС, существенно отличается от движения человека, находящегося в момент аварии во внутреннем пространстве салона автомобиля, когда траектория движения человека ограничена габаритами салона и привязными ремнями. Для безопасности человека внутри автомобиля применяются следующие меры:

- безопасная конструкция кузова автомобиля, проверяемая в краш-тестах;

- ремни безопасности с натяжителями и ограничителями;

- подушки безопасности;

- активные подголовники и др.

Все эти средства безопасности связаны с автомобилем и обеспечивают помимо прочего удержание человека в салоне автомобиля при ударе. В отличие от этого при аварии малых транспортных средств человек может отделиться от транспортного средства, и дальнейшее движение человека будет происходить по собственной траектории, что делает невозможным использование применяющихся способов безопасности в автомобиле. В этом случае возможными способами обеспечения безопасности человека могут быть:

- изменение траектории движения или угловой ориентации человека после отделения от МТС и перед соударением с препятствием для уменьшения травм;

- демпфирование ударов человека о препятствия;

- экзоскелеты для распределения ударной нагрузки по телу человека и для придания жёсткости телу человека.

Реализованными в настоящее время средствами безопасности мотоциклиста являются: шлем, налокотники, наколенники, тяжёлые ботинки, защитная одежда. В последние пятнадцать лет у мотоциклистов стали появляться надувные подушки, которые вначале прикреплялись к мотоциклу (Honda Gold Wing 1800), а затем производители стали встраивать надувные подушки в защитные жилеты или куртки [2]. В зависимости от кон-

струкции и размера защитной экипировки время срабатывания надувной подушки составляет 0,1 с [3] или 0,020,04 с [4], в последнем случае сигнал на активацию подушки поступает от компьютерного модуля, анализирующего показания трёх акселерометров и трёх гироскопов, встроенных в защитную экипировку и реагирующих на соударение [4]. За это время при скорости движения транспортного средства 50 км/час человек переместится на расстояние 0,3-1,4 метра, удар человека о встречную преграду может произойти ещё до разворачивания подушки, вероятность такого незащищённого удара возрастает при ещё больших скоростях движения МТС.

В перспективных интеллектуальных системах для предотвращения такого удара, когда надувная подушка не успевает развернуться, необходимо предсказывать возможное столкновение МТС с препятствием и подавать сигнал на развёртывание подушки ещё до начала соударения. С этой целью разрабатывается динамическая модель системы «МТС + человек + окружающая среда» и на основе постоянного мониторинга текущего состояния всех трёх компонентов системы проводится математическое моделирование. По результатам расчётов прогнозируется будущее состояние системы. Под динамической моделью здесь понимается модель движения МТС и всех окружающих объектов, обнаруженных датчиками подсистемы «МТС + человек».

Здесь в общем случае в модели движения МТС учитывается скорость его движения, ориентация МТС в пространстве, массово-инерционные характеристики транспортного средства, параметры управления транспортного средства человеком (положение руля, управление двигателем и тормозами, положение и работа сигнальных огней и фар МТС, и др.), характеристики тормозной системы МТС, коэффициент трения колёс МТС по поверхности и т.п.

Динамическая модель человека включает его геометрические размеры, массово-инерционные характеристики, скорость его движения, положение и ориентацию в пространстве, анатомические особенности совместного движения отдельных частей человеческого тела, характеристики защитной экипировки и прочее.

Модель окружающей среды строится на основе постоянного мониторинга окружения с помощью лидаров, телекамер и других датчиков. Модель окружающей среды в общем случае включает неподвижные объекты (дома, деревья, рельеф местности, стоящие автомобили, знаки дорожного движения, состояние дороги) и движущиеся объекты (пешеходы, транспорт). Объекты окружающей среды входят в модель со своими характеристиками - скоростями движения и способностями деформироваться и поглощать энергию удара. Способность окружающих объектов деформироваться устанавливается после обработки их фотоизображений и идентификации с использованием процедур различения образов.

Следует заметить, что первоначально датчики удара устанавливались на самом мотоцикле или же вместо датчиков удара применялся крепёжный кабель, крепившийся одним концом к мотоциклу, а другим концом к патрону надувной подушки и активизировавший наддув подушки. Позже по мере развития микро электромеханических систем (МЭМС) датчики (акселерометры, гироскопы) стали монтировать в спину защитной экипировки мотоциклиста. В будущем при использовании лидаров и

телекамер часть датчиков будет устанавливаться на защитном шлеме.

В самом общем случае прогноз будущего состояния системы «МТС + человек + окружающая среда» может осуществляться путём решения уравнений движения МТС и движущихся объектов системы. В случае, когда в спрогнозированном будущем состоянии системы происходит соударение МТС с объектами окружающей среды, принимается решение о неизбежности будущей аварии, рассчитываются различные варианты траекторий движения человека и подаётся команда на активацию необходимых надувных подушек и других элементов в защитной экипировке человека. Выбираются такие варианты активации защитной экипировки, при которых человек может получить наименьшие травмы.

Под вариантами активации защитной экипировки здесь понимается различная последовательность развёртывания надувных подушек в области грудной клетки, спины, шеи, ключиц и других жизненно важных мест, а также активация элементов экзоскелета в случае его наличия. Общая схема принятия решений в системе аварийного спасения человека представлена на рисунке 1.

В этом виде принятие решений на основании прогноза возможной аварии относится к задачам поиска экстремума при неопределённых начальных условиях. Здесь это может быть поиск таких параметров активации исполнительных органов системы аварийного спасения, при которых обеспечивается минимум травм человека. Решение этой задачи в реальном режиме времени требует больших вычислительных ресурсов, что объясняется:

- численным решением уравнений движения МТС и других движущихся объектов;

- статистическим моделированием множества различных вариантов прогнозируемого движения транспортных средств, обусловленных неточностью знаний их характеристик и начальных условий их движения;

- обработкой изображений окружающей сцены для автономного технического зрения и другими расчётами.

С целью сокращения времени статистического моделирования возможных вариантов движения целесообразно предварительно выделить наиболее опасные случаи движения из всей выборки и провести расчёт движения этих случаев. Разделение случаев движения на опасные и неопасные может проводиться с использованием правила дискриминации, сформированного на основе обучающей выборке, как это рассмотрено в [5]. Такое разделение проводится без численного решения уравнений движения, что позволяет существенно сократить время расчётов.

Многие составные части рассматриваемой здесь проблемы применения искусственного интеллекта решаются при разработке других сложных изделий машиностроения, таких, например, как беспилотные автомобили, беспилотные грузовые и пассажирские дроны, автономные планетоходы для космических исследований [6, 7, 8] и т.п. Достигнутые при этом результаты, а также прогресс в создании новых материалов, в разработке МЭМС и оптики способствуют применению искусственного интеллекта для обеспечения безопасного использования малых транспортных средств. И, наоборот, работы по разработке искусственного интеллекта для МТС могут найти применение в вышеперечисленных изделиях машиностроения.

X X

о

го А с.

X

го т

о

м о м о

о

CS

о

CS

о ш m

X

Рис. 1. Общая схема принятия решений в системе аварийного спасения

Литература

1. Распопова Алина. «Русская рулетка» для байкера. Газета.ги, 19.06.2015. URL: https://www.gazeta.ru/auto/2015/06/15_a_6841677.shtml (дата обращения 10 мая 2020).

2. Системы безопасности на мото: необходимость или маркетинг? Omoimot Journal. 22.01.2018. URL: https://omoimot.ru/journal/howto/1035-Sistemy_bezopasnosti_na_moto_neobkhodimost_ili_mark eting (дата обращения 30 октября 2020).

3. Подушка безопасности для мотоцикла: нужно ли? Moto Team Russia. 01.09.2019. URL: https://mototeamrussia.com/accessories/podushki-bezopasnosti-dlya-mototsikla-nuzhno-li-19fd300 (дата обращения 22 мая 2020).

4. Подушка безопасности. Использование Alpinestars Tech-Air 5 на практике. Moto Team Russia. 15.06.2020. URL: https://mototeamrussia.com/accessories/rasskaz-ob-ispolzovanii-nosimogo-alpinestars-techair-5-na-praktike-7d66023 (дата обращения 16 октября 2020).

5. Буслаев С.П. Формирование правила дискриминации для прогнозирования успешной посадки космического аппарата на поверхность небесного тела // Вестник ФГУП НПО С.А.Лавочкина. 2011. № 1. С. 32-37.

6. LiDAR: Driving the Future of Autonomous Navigation. Analysis of LiDAR technology for Advanced Safety. 2016 Frost & Sullivan, 2016.

URL:

https://www.pdf4pro.com>file/2bd8/docs...FROST_ON_LiD AR.pdf.pdf (дата обращения 22 мая 2020).

7. Ekim Yurtsever, Jacob Lambert, Alexander Carballo, Kazuya Takeda. A Survey of Autonomous Driving: Common Practices and Emerging Technologies. IEEE Aces. 2020, vol. 8, pp. 1-28. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9046805 (дата обращения 30 мая 2020).

8. Буслаев С.П. Разработка бортовой системы автономного технического зрения марсохода // Вестник ФГУП НПО С.А.Лавочкина. 2013. № 1. С. 24-28.

Possibility of application of artificial intelligence systems for

ensuring driver safety small vehicles Buslaev S.P., Tcherepanov N.V.

Joint-stock company «Lavochkin Association» The article discusses the possibility of using artificial intelligence to improve the safety of motorcyclists and drivers of personal mobility vehicles (mopeds, electric scooters, gyro scooters, segways, planet Rover etc.) who get into accidents. All these vehicles are combined in the article under one general name Small Vehicles (SV), since they have the following common features: they do not have a car interior and, as a rule, there is one person on these vehicles The article presents General problems of ensuring human safety at the time of an accident and discusses possible ways to improve safety. Artificial intelligence can be used here to predict the moment of a possible accident, to determine the order of operation of the emergency rescue system, and to activate this system. The scheme of automatic decision-making about emergency rescue of the driver in the system "SV + person + environment" is considered and the general description of the elements forming this system is given. The problem under consideration requires a number of innovative hardware, software and mathematical solutions; it refers to problems with indefinite initial conditions, and its solution in real time requires significant computing resources. One of the ways to reduce the time of searching for emergency cases of vehicle movement is proposed. Keywords: driver safety, emergency rescue system, airbag, artificial intelligence, undefined initial conditions, decision-making scheme References

"Russian Roulette" for a biker. Gazeta.ru,

URL:

6841677.shtml

marketing? Omoimot URL:

_marketin

3.

Russia. URL:

of

Raspopova Alina 19.06.2015.

https://www.gazeta.ru/auto/2015/06/15_ (date of access: 10.05.2020). Moto security systems: necessity or Journal. 22.01.2018.

https://omoimot.ru/journal/howto/1035-Sistemy_bezopasnosti_na_moto_neobkhodimost_ _ g (date of access: 30.10.2020). A motorcycle airbag: is it necessary? Moto Team 01.09.2019.

https://mototeamrussia.com/accessories/podushki-bezopasnosti-dlya-mototsikla-nuzhno-li-19fd300 (date access: 22.05.2020).

4. Airbag. The use of Alpinestars Tech-Air 5 in practice. Moto Team

Russia. 15.06.2020. URL:

https://mototeamrussia.com/accessories/rasskaz-ob-ispolzovanii-nosimogo-alpinestars-techair-5-na-praktike-7d66023 (date of access: 16.10.2020).

5. Buslaev S.P. Use of discrimination rule for prediction of spacecraft successful landing on celestial body surface // Vestnik NPO imeni S.A. Lavochkina. 2011. № 1. Pp. 32-37.

6. LiDAR: Driving the Future of Autonomous Navigation. Analysis of

LiDAR technology for Advanced Safety. 2016 Frost & Sullivan, 2016. URL:

https://www.pdf4pro.com>file/2bd8/docs...FROST_ON_LiDAR. pdf.pdf (date of access: 22.05.2020).

Ekim Yurtsever, Jacob Lambert, Alexander Carballo, Kazuya Takeda. A Survey of Autonomous Driving: Common Practices and Emerging Technologies. IEEE Aces. 2020, vol. 8, pp. 1-28. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9046805 (date of access:30.05.2020).

Buslaev S.P. Development of onboard system of autonomous machine vision of "Marsokhod" // Vestnik NPO imeni S.A. Lavochkina. 2013. № 1. Pp. 24-28.

7.

<

m

о

X X