Elektrikli ve otonom araçlar | Bilim ve Gelecek
Ana sayfa 128. Sayı Elektrikli ve otonom araçlar
Elektrik-eloktronik mühendisliğinin otomotiv sanayiine getirdiği fırsatlar: Elektrikle çalışan, güneş enerjisiyle şarj olan otomobiller… Sürücüye seyir kontrolü imkânı veren sistemler ve sürücüsüz araçlar… Gelecek yıllarda bir taraftan elektrikli motor, batarya, sensör ve araç bilgisayarı teknolojilerinin geliştirilmesi, diğer taraftan güvenli yazılım, sinyal işleme ve kontrol algoritmalarının tasarımı, elektrik-elektronik mühendislerini hayli meşgul edeceğe benziyor.
19.yüzyılın ortalarından bu yana tanıklık ettiğimiz teknolojik ilerlemenin baş aktörlerinden biri olan elektrik-elektronik mühendisliğinin, günümüzde gitgide kendi alan sınırlarının dışına taştığını ve interdisipliner bir şekilde mühendislik bilimlerinin diğer uzmanlık dallarına sirayet edip yepyeni imkân ve fırsatlara yol açtığını gözlemlemekteyiz. İşte bu diğer dallardan biri, otomotiv sanayidir.
Elektrik-elektronik mühendisliğinin otomotiv sanayiine el uzatışı yeni bir olay değildir elbette. Batarya enerjisi ile çalışan elektrikli araçlar çok eskilere, 1830’lu yıllara dayanıyor, hatta endüstriyel üretime elverişlilik elektrikli araba 1884’te İngiltere’de tasarlandı. Ancak 20. yüzyılın başlarından itibaren petrol üretiminin hızla artması ve bu enerji kaynağını kullanmaya yönelik teknolojilerin gelişmesi, üretim maliyetlerinin aşağı çekilmesine neden oldu; sonuç olarak, içten yanmalı motorlu araçlar yaygınlaşırken, elektrikli motorlu araçlar otomotiv sektörünün arka planına itildi.
Ancak 1911 yılında elektrikli starterin kullanıma sokuluşu ve sonraları elektrikli cam açma/kapama sistemlerinin, 1980’li yılların sonuna doğru elektrikli servo direksiyonun veya daha yakın tarihlerde hibrit, yani hem elektrikli hem de içten yanmalı iki ayrı motor barındıran araçların, ayrıca sensör ve kamera teknolojisinin gelişmesiyle birtakım akıllı fonksiyonların ortaya çıkışı, elektrik teknolojisinin otomobillerde tekrar boy göstermesine neden oldu. Önümüzdeki on yıllarda, bu elektrikselleşme dalgasının daha da büyümesini bekleyebiliriz. Bununla birlikte, araçların şehir içi ve şehir dışı trafik şebekesi ile entegrasyonu veya akıllı yol tasarımı gibi konuların ağırlık kazanacağını; ayrıca trafik yasaları, sigortalama, sorumluluk hukuku ve benzer pek çok alanda yeni teknolojilere ayak uydurma ihtiyacının belirginleşeceğini söyleyebiliriz.
Elektrikli motorla çalışan bir aracın maliyetinde, batarya en büyük kalemlerden biri.
Günümüz araçlarında, araç fonksiyonlarının tümü göze alındığında, yüzde 10 ile yüzde 15 arası bir elektrikselleşme oranından bahsetmek mümkün; hibrit araçlarda ise bu değerin yüzde 20 ile yüzde 50 arasında yer aldığı ifade edilmektedir.(1) Sırf elektrikli motor ile çalışan otomobillerin yaygınlaştığı ve içten yanmalı motorlu otomobillerin (adeta tarihten intikam alırcasına) ikinci plana itildiği gün, otomotiv sanayiinin yol haritasında önemli bir kilometre taşına ulaşılmış olacak. Son yıllarda, elektrikli motor tasarımının yanı sıra batarya teknolojilerinde de kaydedilen önemli ilerlemeler, bu hedefe doğru ciddi yol alındığının göstergesidir. Sıfır gaz emisyonlarıyla çevreye zarar vermeyen elektrikli motorlar, araç tahriki açısından yanmalı motorlara göre daha verimli ve ivmelenme esnasında yüksek torka sahiptir.
Halihazırda, sırf elektrikli motor ile çalışan otomobil teknolojisinin başını çeken firmanın, en güçlü ve en tanınmış markalardan birisinin değil de, aksine, otomotiv sahnesine ancak 2003 yılında çıkmış ve yönetim kurulu başkanlığını vizyoner bir girişimci ve tasarımcı olan milyarder işadamı Elon Musk’un yaptığı Tesla Motors firmasının olması, teknolojik ilerlemede cesur girişimciliğin önemini bir kez daha vurgulamaktadır. Elon Musk, Tesla’nın uzun vadeli stratejik amacının, geniş halk kitlelerine hitap eden uygun fiyatlı elektrik motorlu araçlar üretmek olduğunu ifade etti (Bu alanda Tesla rekabetsiz değildir elbette: Örneğin BMW de uygun fiyat aralığında satmayı planladığı, sırf elektrikli motorla çalışan araba satışı için düğmeye bastı). İlginçtir ki bir Tesla aracının toplam maliyetinin yüzde 25’i bataryadan kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla elektrikli araç fiyatlarındaki düşüş trendini belirleyen en önemli etkenlerden biri, lityum-iyon batarya teknolojisi ve bu teknolojinin gösterdiği ve gelecekte de göstermeye devam edeceği düşünülen ucuzlama eğilimidir. Dünyadaki lityum-iyon batarya kıtlığı, Tesla’yı, Gigafactory diye adlandırdığı dev bir lityum-iyon batarya üretimi fabrikası (veya fabrikaları) inşa etmeye itti. Panasonic firması ile birlikte kurulmaya başlanan bu tesisler sayesinde, dünya lityum-iyon batarya üretiminin 2020 yılında iki katına çıkarılması hedeflenmektedir.
Elektrikli otomobil sanayiindeki ilerleme ve girişimciliği teşvik etmek amacıyla, Tesla firması, kendine ait olan teknoloji patentlerini Haziran 2014’te genel kullanıma açtı. Böyle bir atılımın amacının, sektördeki özgün ve yenilikçi çözümleri kamçılamaya yönelik olduğu açıktır (Fikri mülkiyet alanında benzer atılımların başka sanayi sektörlerinde, örneğin bilişim sektöründe de yapıldığına tanıklık etmekteyiz). Ancak diğer yandan, bu atılımın sadece elcil bir motivasyondan kaynaklanmadığını, aynı zamanda Tesla için fevkalade bir pazarlama ve reklam fırsatı doğurduğunu da görmemiz gerekir.
Tesla firması, elektrikli otomobil sanayiindeki ilerleme ve girişimciliği teşvik etmek, sektördeki özgün ve yenilikçi çözümleri kamçılamak amacıyla, kendine ait olan teknoloji patentlerini Haziran 2014’te genel kullanıma açtı.
Elektrik motorlu araç teknolojisinde, sürüş menzili ve batarya şarj süresi en önemli faktörler arasında yer alır. 90 km/saat hızla hareket eden ve 85 kWh’lık batarya kullanan bir Tesla Model S aracının 500 km’ye yakın menzili olduğu hesaplanmış.(2) Bu aracın 400 km’lik bir yolu kat edebilmesi için, 4saat 15dakikalık bir şarj süresine ihtiyacı var (Bu süre, 240V / 80A sağlayan bir priz kullanımı için geçerlidir. Eğer priz 240V / 40A’lık ise, şarj süresi ikiye katlanır). Dolayısıyla, yeni batarya teknolojisi artık hatırı sayılır menziller sağlayabilmekte olsa da, şarj sürelerinin uzunluğu pratik açıdan hâlâ düşündürücüdür. Özellikle uzun yolculuklarda, tekrar enerji depolama süresi önemli bir engel teşkil edebilir.
Bu soruna karşı Tesla’nın öne sürdüğü çözüm, Supercharger diye adlandırdığı ve Haziran 2014 tarihi itibariyle, ABD’de 98, Avrupa’da 23 ve Asya’da 3 istasyondan oluşan hızlı şarj istasyonları kurmaktır. Doğru akım teknolojisi kullanılan bu istasyonlarda, yaklaşık 20 dakikada, 240 km’lik sürüş menziline yetecek enerji yüklenebiliyor; 30 dakikalık bir şarj süresi ile 320 km’lik bir mesafe katmak mümkün (Bu istasyonların kullanımı ücretsizdir). ABD’nin batı eyaletlerine konumlandırılmış Supercharger istasyonları, enerjilerini güneş enerjisinden elde ediyor. Uzun vadede tüm istasyonların güneş enerjisi kaynaklı olması hedefleniyor. Benzer şarj istasyonu ağları, başka üreticiler tarafından da geliştirilmeye başlandı. Şarj süresi sorununu çözmek için, kullanılmış bataryaların dolu bataryalar ile çabukça değiştirildiği yeni tip takas istasyonlarının kurulması da önerilmiştir. Ancak bu yaklaşımın uygulanabilirliği, özellikle bu teknolojiye odaklanan Better Place firmasının hazin iflasından sonra, henüz kanıtlanabilmiş değil.
Otomotiv mühendisliği ile elektrik-elektronik mühendisliğinin kol kola verdiği bir diğer alan, otonom, yani sürücüsüz arabalardır. Peki, sürücüsü olmayan bir arabanın ne gibi avantajları olabilir? Gerçek hayattan kurguladığımız bir örnekle açıklamaya çalışalım.
Bu sabah işe giderken kendinizi yoğun bir trafik akışı içerisinde buldunuz. İşyerinize varmanız en azından 45 dakika, belki de 1 saat. Bu durumda, konvoy şeklinde ağır tempoda ilerlemekte olan trafikte, aracınızı otonom moduna geçirdiniz: Bundan böyle araç, sizin müdahalenize gerek kalmadan ilerleyecek, yolu izleyecek, frenleyip hızlanacak. Siz ise kıymetli zamanınızı trafikle baş etmektense daha faydalı işlere ayırabileceksiniz: Telefon görüşmelerinizi yapmak, o yarım kalan raporu okumak, diz bilgisayarınız üzerinde çalışmak veya gözlerinizi kapayıp, koltuğunuzda kaykılıp, bir süredir dinlemek isteyip ama bir türlü vakit bulamadığınız Bach’ın İki Keman Konçertosunu dinlemek…
İşyerinize vardığınızda arabanızdan indiniz, fakat otopark daha 500 m ileride, ancak toplantınızın başlamasına iki dakika kalmış: Akıllı cep telefonunuzu çıkarıp otonom araç uygulamasını ve oradan da otoparka parket uygulamasını tıklıyorsunuz. Aracınız sizsiz yoluna devam ediyor ve otoparktaki yerini bulup kendi kendini park ediyor. Taa ki siz akşama işten çıktığınızda, aynı uygulamayı kullanıp aracınıza “işyerinin önüne gel” komutunu verene kadar…
Yukarıdaki senaryo bir bilimkurgu filminden çıkmış olmaktan çok uzak: Bahsettiğimiz fonksiyonların tümü günümüze dek farklı projeler çerçevesinde denenmiş ve pürüzsüz, güvenilir bir şekilde çalıştıkları gösterilmiştir. Otonom araçların yaygınlaşmasıyla, enerjinin daha etkin bir şekilde kullanılacağı, kaza sayısının azalacağı (kazaların önemli bir kısmı insan hatası kaynaklı; otonom araç, tehlike anında bir insandan çok kısa bir zamanda çok daha fazla senaryoyu göz önünden geçirebilme ve optimal şekilde karar verme gücüne sahip), şehir içinde olduğu gibi otobanda da trafikte akıcılık sağlanacağı ve ayrıca yaşlı veya engelli insanların daha kolayca araba kullanabileceği düşünülüyor. Google’un otonom araçları Eylül 2014 tarihi itibariyle, çok az insan müdahalesi gerektirecek şekilde ve farklı trafik koşulları altında kaza yapmadan toplam 1 milyon küsur kilometre kat etmiş bulunuyor. Ancak tümüyle otonom araçların piyasaya sürülmesi daha çok vakit alacaktır şüphesiz, çünkü elektrikselleşmede olduğu gibi otonomlaşmada da evrimsel bir süreç ile karşı karşıyayız. Bu bağlamda, otomotiv endüstrisi, tam otonomluğa doğru götüren yol haritasını dört kademe şeklinde tanımlamıştır.
Kademe: Otonomluk yok.
Kademe: Uyarlanabilir seyir kontrolü.
Sürücüsüz araçların vaat ettiği: Siz gazetenizi okuyun, aracınız sizi götürsün…
Günümüzde birçok araba modeli bu kademeye zaten ulaşmış durumdadır. Bu kademedeki araçlarda, kontrol sürücüdedir ve otonom sistem sürücüye destek verir. Otonomluk yetenekleri, “uyarlanabilir seyir kontrolü” (adaptive cruise control) diye adlandırılan sistem etrafında yoğunlaşır. Sensör teknolojisinin ön plana çıktığı bu kademede, ölçümler esasen iki tür sensör tarafından sağlanır: Şerit işaretlerini algılamakla sorumlu olan imge sensörleri ile aracın öndeki araç ile arasındaki mesafeyi ölçen radar. Bu sensörlerden elde edilen verileri kullanan seyir kontrol sistemi, eyleyiciler (aktüatörler) sayesinde aracın sağ/sol, hızlanma ve yavaşlama hareketlerini belirler. Örneğin ön camın alt kısmına yerleştirilen sensörler, öndeki aracın fazla yaklaştığını algılar ve araba kendiliğinden gaz keser ya da frenler. Veya bir şerit ihlali durumunda, dikiz aynasının arka tarafında bulunan sensörler şerit çizgisinin çiğnendiğini sezimler ve araç otomatik olarak tekrar şerit içine çekilir. Her dalgın şoföre lazım… Bir diğer örnek, yol durumu monitörüdür: Yolun ıslak veya buzlu oluşu, lastiklerin dönüş hızındaki ufak düzensizlikler sonucu sensörler tarafından fark edilir ve bunun üzerine araç otomatik olarak vites değiştirir.(1) Sensör sinyallerine dayalı kontrol eyleminin hesaplanması, elektrik-elektronik bilim alanının bir altdalı olan kontrol teorisinin algoritmalarına dayanır.
Ancak kontrol sisteminin en hızlı ve en etkin şekilde müdahale edebilmesi için sensörlerin dışa verdiği sinyallerin doğru yorumlanması (ve sensör ya da eyleyicilerden kaynaklanan arızaların teşhis edilebilmesi) elzemdir, ki bu da her zaman kolay olmaz.Yanlış yoruma yol açabilecek pek çok etmenin biraraya gelebilme olasılığı, tasarım aşamasında öngörülüp dikkate alınması gereken bir husustur. Örneğin ışık koşullarının (mesela, geceleyin karşı şeritten gelen araçların farları yüzünden) değişmesi veya yağmurdan ıslanmış yol yüzeyinin yansıtıcılığının artması ya da görsel yanılsama olasılığı, imge yorumunu zorlaştırır. Bu tür durumlarla baş edebilmek için, sensör füzyonu teknolojisi ve bu teknolojinin algoritmalarından faydalanmak yardımcı olabilir (Örneğin imge algılaması birimi radar sisteminden yan bilgi edinebilir).(3)
İşte tüm bu sebeplerden ötürü, günümüz tasarımlarında, araç bilgisayarındaki yazılım kodunun büyük bir kısmı (yüzde 80-90’ı kadar) çeşitli teşhis/müdahale işlevlerini yerine getirmeye yöneliktir, normal kontrol algoritmaları ise yazılımın nispeten küçük bir kısmını oluşturur. İkinci otonomluk kademesindeki ürünlerde ihtiyaç duyulan toplam hesap gücü, hem algoritmik yük hem de işlem hızı bakımından normal performanslı diyeceğimiz bir mikroişlemcinin hesap gücü dahilindedir. Örneğin imge işleme tabanlı fonksiyonların etkinlik ve güvenliğinin her ne kadar imge çerçeve hızıyla arttığı bilinse de, pek çok üründe, saniyede 30 çerçeve işlemek yeterli görülmektedir.(3)
Kademe: Paylaşımlı sorumluluk.
Bu kademede, sorumluluk kısmen sürücüye, kısmen de otonom sisteme aittir. Sorumluluğun sürücüden araca kayması, pek çok tasarım zorluğu doğurur, çünkü öngörülüp baş edilmesi gereken durumların sayısı hızla artar ve bu da algoritmik düzeyde olduğu kadar karar verme süreçlerinde de karmaşıklığın adeta patlak vermesine yol açar. Matematiksel açıdan öngörücü modellere ihtiyaç duyulabilir veya makine öğrenimi tekniklerine başvurulabilir. Acil bir durumda, optimal seçenek ne olmalıdır? Bir kaza tehlikesi altında, araç ilk önce sürücüyü mü yoksa sokaktaki yayaları mı korumaya yeltenmeli? Kaza kaçınılmaz ise, arabayı yol kenarında park etmiş diğer araçlara mı, yoksa yol ortasındaki bariyerlere mi çarpmak tercih edilmeli? Görüldüğü üzere sorumluluk, sürücüden araca ve aslında aracın yazılımını tasarlayan yazılım mühendislerine kaymıştır. Gayet açık olan şu ki, sadece teknik değil, çetrefilli ve yepyeni hukuki soruların da cevabı aranması gerekir.
Üçüncü otonomluk kademesindeki araçlarda sensör teknolojisi daha da yaşamsal bir nitelik taşır. Bu kademede ihtiyaç duyulan sensörler arasından üçünü sayalım:
Lidar: “light” (ışık) ve “radar” sözcüklerinin biraraya getirilmesinden oluşan lidar, cisimleri bir ya da birçok lazer ışını ile aydınlatıp yansıyan ışınları ölçmeye dayalı bir uzaktan algılama tekniğinin adıdır, otonom araçlarda engel sezimlemek amacıyla kullanılır. Örneğin, Google’un sürücüsüz aracı, 64 ışınlı lazer huzmesi kullanan bir lidar cihazıyla çevresinin üç boyutlu haritasını çıkarabilmekte; bu veriler diğer yüksek çözünürlüklü harita verileriyle biraraya getirilerek aracın kontrolü belirlenebilmektedir.
Stereo kameralar: İki gözle görmede olduğu gibi, ön cama monte edilen bu tür kameralar üç boyutlu görüntü sağlar, yol üzeri ve kenarındaki yaya ve diğer cisimlerin uzaklığını ve hareketini saptar.
Google’un otonom araçları, çok az insan müdahalesi gerektirecek şekilde, kaza yapmadan toplam 1 milyon küsur kilometre kat etmiş bulunuyor.
Atalet Ölçüm Ünitesi ile donatılmış GPS cihazları: Uydu konum belirleme sinyallerinin yokluğunda (örneğin tünel içinde veya yüksek binaların engel oluşturduğu hallerde), aracın hızını ve yönelimini, ivme ölçer ve jiroskop sayesinde hesaplayan Atalet Ölçüm Ünitesi, GPS fonksiyonunun kesintisiz yerine getirilmesini sağlar.
Kademe: Tam otonomluk.
Sürücüye ihtiyaç olmaksızın kontrolün tümüyle araca ait olduğu otonomluk durumudur. Belki de ütopik -hatta ulaşılması arzu bile edilmeyen?- bir durumdur bu.
Yeni nesil araçlarda gelecek açık
Göstermeye çalıştığımız gibi, elektrik-elektronik mühendisliği, otomotiv teknolojisinin ilerlemesinde fevkalade önemli katkılarda bulundu (Bu doğrultuda başka mühendislik dalları da önemli katkılar sağladı, onların hakkını da yemeyelim). Gelecek yıllarda da bir taraftan elektrikli motor, batarya, sensör ve araç bilgisayarı teknolojilerinin geliştirilmesi, diğer taraftan güvenli yazılım, sinyal işleme ve kontrol algoritmalarının tasarımı, elektrik mühendislerini hayli meşgul edeceğe benziyor. Elektrikli araçların yaygınlaşmasının önünde duran en büyük engel, bu teknolojinin hâlâ pahalı olmasıdır. Ancak bu kaygıların büyük bir kısmının -elektrikli arabaların düşük bakım maliyeti, sürümden dolayı fiyatların zamanla düşmesi gibi nedenlerle- zamanla giderileceği tahmin ediliyor.(1)
Bu yazıda, ancak birkaç heyecan verici teknik gelişmeye değinebildik ve sonuçta perdeyi sadece bir parça aralayabilmiş olduk. Örneğin, geliştirilen sinyal işleme, kontrol, sezimleme, uyarı ve karar verme algoritmalarının yazılımının laboratuvar ortamında, yani yola çıkmadan önce, nasıl test edileceği konusuna hiç girmedik; veya birden fazla araç arasında komünikasyon kurup böylece daha etkin bir trafik akışı sağlanması ve kazaların önüne geçilmesi hususunu ele almadık; öte yandan, yeni teknolojilerin sağladığı yepyeni imkânlara da değinemedik; örneğin, sürücüye özel, belki de “yazılım tanımlı” diyebileceğimiz yeni nesil araçların üretilebileceği düşünülebilir. Bilim ve teknolojide, her zaman olduğu gibi, gelecek açık.
NOT: Bu yazıya katkılarından dolayı Sn. Can Ölçer’e teşekkürler.
Önceki makaleLaniakea Süperkümesi ile tanışın, çünkü burada yaşıyorsunuz
Sonraki makaleGüneş, rüzgar, nükleer ve kömürden enerji / Elektrik üretiminde gerçek sorunlar