- Mechanické navigátory posouvaly mapu podle otáčení kol a špatné odbočení vůbec nepoznaly
- Honda v roce 1981 dopočítávala polohu z otáček kol a údajů plynového gyroskopu s heliem
- Etak začal v roce 1985 prodávat navigaci s digitálními mapami na kazetách a korekcí polohy podle tvaru silnic
- Ani dnešní navigace nespoléhají jen na GPS a jejich software porovnává satelitní polohu se silnicemi v mapě
Když řidič s mechanickou navigací na počátku minulého století minul odbočku, přístroj ho nevaroval. Neměl jak. Mechanismus dál posouval papírovou mapu po předem zvolené trase, zatímco auto mířilo jinam. První přístroje totiž pracovaly s jednoduchým předpokladem: po určité vzdálenosti se vůz musí nacházet na odpovídajícím místě předem zvolené trasy. Později konstruktéři hledali způsoby, jak tento odhad zpřesnit a průběžně kontrolovat.
ℹ️ Stačí jeden klik! Přidejte si nás mezi mezi preferované weby, případně nás sledujte v Google Zprávách, nebo na Seznam.cz
Zpočátku přístroje odvozovaly polohu na zvolené trase jen z otáček kol. Gyroskop nebo kompas později zaznamenal změny směru a počítač mohl vypočtenou stopu porovnat s průběhem silnic uloženým v digitální mapě. Když se chyby měření postupně nasčítaly, software podle zatáček a křižovatek určil, po které silnici vůz nejspíš jede, a odhad polohy upravil. Stejný postup používají i navigace s GPS.
První navigace měřily jen ujetou vzdálenost
Frank J. Lindenthaler a John Protz si už v listopadu 1907 podali patentovou přihlášku na přístroj s papírovým pásem, který se před malým okénkem převíjel mezi dvěma cívkami. Patent dostali v roce 1909. Na pásu byla vyznačena předem zvolená trasa. Ohebná hřídel spojovala mechanismus s přední nápravou nebo kolem a pás se posouval o dva palce na každou ujetou míli.
Mapa neukazovala skutečný tvar krajiny. Klikatá silnice se na pásu narovnala do čáry, kolem níž se objevovaly odbočky, vzdálenosti, hotely a další orientační body. U důležitých křižovatek byly v pásu vyražené otvory. Když se některý dostal pod kontaktní pružinu, pružina uzavřela elektrický obvod a zvonek zazvonil. Vznikla tak mechanická obdoba upozornění před manévrem.
Joseph W. Jones přišel v patentové přihlášce z roku 1909 s řešením založeným na kruhovém mapovém kotouči. Výměnný papírový kotouč se otáčel pod pevnou ručičkou a jedna jeho otáčka odpovídala 100 mílím. Řidič si mohl koupit hotový kotouč, nebo vložit prázdný a vlastní cestu na něj zaznamenat. Zařízení se prodávalo pod názvem Jones Live Map. Patent počítal například s ozubeným kolem upevněným na jednom z předních kol. Přes ohebnou hřídel a soustavu převodů roztáčelo talíř s papírovou mapou.
Byl v tom ovšem háček, který žádné soukolí nevyřešilo. Přístroj měřil jen vzdálenost. Jakmile auto odbočilo jinam, kolečka se točila dál a ručička ukazovala stále přesvědčivější lež. Řidič musel pohon odpojit, vrátit se na trasu a mapu ručně srovnat. Tehdejší navigace tedy neznala polohu; pouze předpokládala, že po ujetí určité vzdálenosti musí být vůz na určitém místě.
Stejný princip dostal na začátku 30. let úhlednější podobu v italském přístroji Iter-Auto. Dochovaný papírový svitek měří dva metry, zvýrazňuje čerpací stanice, přejezdy či mosty a před okénkem se posouval podle rychloměru. Stačilo však sjet z vytištěného koridoru a z navigace se stal automatický přehrávač cesty, po které jste už nejeli.
Honda dala autu smysl pro směr
Honda začala 18. prosince 1981 v Japonsku prodávat Electro Gyrocator jako příslušenství pro Accord a Vigor. S montáží stál zhruba čtvrtinu ceny samotného vozu a nezbytné mapy se kupovaly zvlášť.
Jeho nejpodivuhodnější součástkou byl gyroskop bez rotujícího setrvačníku. Uvnitř uzavřeného senzoru proudilo helium z trysky na dva zahřívané drátky. Při jízdě rovně je ochlazovalo stejně, při zatáčení se proud plynu vlivem setrvačnosti vychýlil a rozdíl teplot prozradil změnu směru. Samostatný snímač vysílal impulzy podle otáček kol a 16bitový počítač z obou údajů průběžně skládal projetou stopu.
Projetá stopa se zobrazovala na zeleném CRT s úhlopříčkou šest palců pod průhlednou mapovou fólií, kterou řidič vložil před obrazovku. Na fólii si mohl označit cíl, potom musel srovnat počáteční polohu i směr a během jízdy případný posun ručně opravit. Gyrocator nepočítal trasu a neříkal, kde odbočit. Ukazoval, kam jste dojeli od místa, které jste mu na začátku určili.
Běžný přesný gyroskop měl podle Hondy přes 200 dílů, zatímco plynový gyroskop jich potřeboval osm. Snazší konstrukce ale neznamenala snadnou výrobu. Zpočátku se firmě podařilo vyrobit jen jeden použitelný kus z deseti a senzor musel kvůli teplotní stabilitě pracovat ve vyhřívané komoře.
Příčinou odchylky nebylo rušení, ale zkreslení mapy
Při zkouškách Gyrocatoru ujížděla zakreslená stopa na jednom místě opakovaně mimo silnici. Vývojáři nejprve hledali problém v elektronice, a protože chyba působila podezřele pravidelně, prověřovali dokonce možnost rušení od tajného vojenského zařízení. Měřič intenzity pole nic neodhalil. Nakonec prověřili i podklad, který do té doby považovali za správný: papírovou mapu.
Mapa totiž není zmenšená fotografie. Na měřítku 1 : 100 000 by deset metrů široká silnice zabrala desetinu milimetru. Když vede několik cest blízko sebe, musí je kartograf kvůli čitelnosti zakreslit s mírnou odchylkou. Honda proto pro Gyrocator nechala vyrábět vlastní přesnější fólie. Paradoxně tak přístroj, jehož vypočtená stopa se postupně rozcházela se skutečností, odhalil úmyslné zkreslení běžné mapy.
Tahle příhoda ukázala, proč samotné měření pohybu nestačí. Drobné chyby v úhlu a vzdálenosti se postupně sčítají, papírová mapa položená přes obrazovku však nemohla do výpočtu nijak zasáhnout. Aby mohl počítač porovnávat vypočtenou stopu s mapou, museli inženýři převést silnice do digitálních dat.
Počítač začal opravovat odhad polohy podle mapy
Americká společnost Etak začala v roce 1985 prodávat autonavigaci Etak Navigator, která už pracovala s digitální mapou. Systém nepoužíval GPS ani gyroskop. Dva snímače na nepoháněných kolech měřily vzdálenost a rozdíl jejich otáčení pomáhal zachytit zatáčení, zatímco magnetický kompas hlídal absolutní směr. Počítač s procesorem Intel 8088 byl umístěn v zavazadlovém prostoru. Na vektorovém CRT se auto zobrazovalo jako pevný trojúhelník a mapa se pod ním posouvala a otáčela.
Etak Navigator spojoval metodu dead reckoning, tedy průběžný výpočet polohy z pohybu auta, s map matchingem neboli porovnáváním vypočtené stopy s mapou. Počítač sledoval tvar projeté trasy a porovnával jej se směrem, tvarem a propojením okolních silnic. Pokud vypočtená stopa vedla souběžně s rovnou silnicí, systém dokázal opravit boční odchylku. Jízda po dlouhé rovince však nedávala dost informací k určení, kde přesně podél silnice se auto nachází. Výrazná zatáčka nebo esíčko dodaly chybějící vodítko a systém mohl opravit i odchylku v podélném směru.
Nešlo jen o jednoduchý příkaz „najdi nejbližší čáru“. Algoritmus pracoval s pravděpodobností, návazností komunikací i nejistotou měření a opravu provedl jen tehdy, když si byl dostatečně jistý. Jinak by mohl vypočtenou polohu chybně přiřadit k vedlejší souběžné silnici a z malé odchylky vyrobit velký omyl. Dobová americká dopravní studie shrnovala slabinu výstižně: dlouhá rovná cesta dokázala systém zmást, několik zatáček jej zase srovnalo.
Dvourozměrné město se muselo vejít na pásku
Digitální mapy Etaku se ukládaly na kazety o kapacitě 3,5 MB. Vypadaly podobně jako audiokazety, ale firma musela vyvinout vlastní mechaniku i teplu odolný polykarbonátový obal. Běžné kazety ani mechaniky nebyly stavěné na dlouhé stání v rozpáleném autě.
Horší bylo, že páska je lineární, zatímco město je síť, po které lze na každé křižovatce vyrazit několika směry. Kdyby byly ulice na pásku zapsané nevhodně, mechanika by při každé změně směru zdlouhavě převíjela tam a zpět. Vývojáři proto silnice uspořádali hierarchicky podle jejich významu a sousedství tak, aby přístroj stíhal načítat další část mapy ve směru jízdy. Jak vzpomíná spoluzakladatel Etaku Stan Honey v rozhovoru CHM, stejná datová struktura později zrychlovala práci s mapami i na discích.
Jedna kazeta podrobně pokryla jen část metropolitní oblasti, takže delší cesta vyžadovala několik nosičů. Jejich výměnou ovšem starosti nekončily. Původní Navigator uměl vyhledat adresu, označit cíl blikající hvězdou a ukazovat jeho směr i vzdušnou vzdálenost, trasu však nespočítal. Honey tomu říkal Loughmillerovo dilema: po oddálení mapy jste viděli cíl, ale zmizely místní ulice; po přiblížení se objevily ulice, ale cíl utekl z obrazovky. Cestu si stále musel najít řidič.
Porovnání s mapou zůstalo i po nástupu GPS
Bosch v roce 1989 u systému TravelPilot IDS uložil mapy německých měst a dálkových tahů na CD-ROM. Přístroj dál určoval polohu z čidel kol, elektronického kompasu a porovnávání vypočtené stopy s digitální mapou.
Bosch doplnil GPS do svých navigací v roce 1993. Americký satelitní systém dosáhl plné operační způsobilosti až v roce 1995. Vývojáři Etaku očekávali, že satelitní přijímač jejich metodu porovnávání polohy s mapou jednoduše nahradí. Mýlili se.
Poloha vypočtená z GPS může kolísat nebo se na mapě zobrazit vedle vozovky; bez porovnání s mapou navíc nelze spolehlivě rozlišit dvě souběžné komunikace. Navigační software proto dál porovnává naměřený pohyb s průběhem a návazností silnic. Map matching se používá i v dnešních navigacích. Například systémy TomTom díky němu drží šipku uprostřed pravděpodobné silnice, vyhlazují nepřesnosti signálu a při jeho ztrátě v tunelu pokračují pomocí dead reckoning.
Nástup GPS tedy nevedl k tomu, že by výrobci starší postupy zahodili. Přijímač dodává souřadnice, snímače sledují pohyb a software z těchto údajů vypočítá polohu, kterou porovná se silnicemi v digitální mapě. Za klidnou ikonkou na dnešním displeji se pořád skrývá tentýž problém, který řešily mechanické přístroje před více než sto lety: z neúplných údajů určit, kde auto opravdu je.
