Датчики, используемые в беспилотных транспортных средствах


Прекрасным утром вы переходите дорогу, чтобы добраться до своего офиса на другой стороне, но, пройдя половину пути, вы замечаете приближающийся к вам беспилотный кусок металла, робота, и вы встаете перед дилеммой, решая перейти дорогу или нет? У вас возникает сильный вопрос: «Заметила ли меня машина?» Затем вы чувствуете облегчение, когда замечаете, что скорость автомобиля автоматически снижается и он уступает вам дорогу. Но подождите, что только что произошло? Как машина получила интеллект человеческого уровня?

Датчики, используемые в беспилотных транспортных средствах

В этой статье мы попытаемся ответить на эти вопросы, подробно изучив датчики, используемые в беспилотных автомобилях, и то, как они готовятся к управлению автомобилями нашего будущего. Прежде чем углубиться в это, давайте также рассмотрим основы беспилотных транспортных средств, их стандарты вождения, основных ключевых игроков, их текущую стадию разработки и внедрения и т. д. Для всего этого мы будем рассматривать беспилотные автомобили, потому что они составляют основную долю на рынке беспилотных транспортных средств.

История беспилотных автомобилей

Беспилотные автомобили изначально появились из научной фантастики, но теперь они почти готовы выйти на дороги. Но технология не появилась в одночасье, эксперименты с беспилотными автомобилями начались в конце 1920-х годов, когда автомобили управлялись дистанционно с помощью радиоволн. Однако многообещающие испытания этих автомобилей начали проводиться в 1950-1960-х годах и напрямую финансировались и поддерживались исследовательскими организациями, такими как DARPA.

Все стало реалистично только в 2000-х годах, когда технологические гиганты, такие как Google, начали выступать за то, чтобы нанести удар конкурирующим компаниям, таким как General Motors, Ford и другим. Компания Google начала с разработки проекта беспилотного автомобиля, который теперь называется Google waymo. Таксомоторная компания Uber также выступила со своим беспилотным автомобилем, конкурируя с Toyota, BMW, Mercedes Benz и другими крупными игроками на рынке, и к тому времени, когда Tesla , управляемая Илоном Маском, также взорвала рынок, начав быстрыми темпами разрабатывать технологии беспилотного вождения.

Схематичное изображение беспилотного вождения

Стандарты беспилотного вождения

Существует большая разница между терминами «беспилотный автомобиль» и «полностью автономный автомобиль». Эта разница основана на уровне стандарта вождения, который описан ниже. Эти стандарты установлены секцией J3016 международной ассоциации машиностроения и автомобильной промышленности SAE (Общество инженеров автомобильной промышленности), а в Европе – Федеральным институтом автомобильных исследований. Это шестиуровневая классификация от нулевого до пятого уровня. Однако нулевой уровень подразумевает отсутствие автоматизации и полный контроль человека над транспортным средством.

Уровень 1 - Помощь водителю: помощь низкого уровня автомобиля, такая как управление ускорением или рулевое управление, но не то и другое одновременно. Здесь основные задачи, такие как рулевое управление, торможение, изучение окружающей среды, по-прежнему контролируются водителем.

Уровень 2 — Частичная автоматизация. На этом уровне автомобиль может помогать как в рулевом управлении, так и в ускорении, при этом большинство критически важных функций по-прежнему контролируется водителем. Это наиболее распространенный уровень, который можно встретить в современных автомобилях.

Уровень 3 – Условная автоматизация:  переход к уровню 3, где автомобиль контролирует условия окружающей среды с помощью датчиков и предпринимает необходимые действия, такие как торможение и вращение рулевого управления, в то время как водитель-человек должен вмешиваться в работу системы в случае возникновения каких-либо непредвиденных условий.

Уровень 4 – Высокая автоматизация: это высокий уровень автоматизации, при котором автомобиль способен совершить всю поездку без участия человека. Однако в этом случае есть свое условие: водитель может переключить автомобиль в этот режим только тогда, когда система определит, что условия движения безопасны и нет пробок.

Уровень 5 – Полная автоматизация: этот уровень предназначен для полностью автоматизированных автомобилей, которых до сих пор не существует. Инженеры пытаются это реализовать. Это позволит нам добраться до места назначения без ручного управления рулевым управлением или тормозами.

Различные типы датчиков, используемых в автономных/беспилотных транспортных средствах

В автономных транспортных средствах используются различные типы датчиков, но основные из них включают использование камер, радаров, лидаров и ультразвуковых датчиков. Расположение и тип датчиков, используемых в автономных автомобилях, показаны на следующем рисунке.

Все вышеупомянутые датчики передают данные в реальном времени в электронный блок управления, также известный как Fusion ECU, где данные обрабатываются для получения 360-градусной информации об окружающей среде. Наиболее важными датчиками, которые составляют сердце и душу беспилотных транспортных средств, являются радары, лидары и датчики камеры, но мы не можем игнорировать вклад других датчиков, таких как ультразвуковой датчик, датчики температуры, датчики обнаружения полосы движения и GPS.

График, показанный ниже, взят из исследования, проведенного в Google Patents с упором на использование датчиков в автономных или беспилотных транспортных средствах. Исследование анализирует количество патентных областей по каждой технологии (несколько датчиков, включая лидар, гидролокатор, радар и камеры для обнаружения, классификации и отслеживания объектов и препятствий) с использованием базовых датчиков, используемых в каждом беспилотном транспортном средстве.

Результаты исследований в Google Patents в сфере беспилотных автомобилей 

На приведенном ниже графике показаны тенденции подачи патентных заявок на беспилотные транспортные средства, при этом основное внимание уделяется использованию в них датчиков, поскольку можно предположить, что разработка этих транспортных средств с помощью датчиков началась примерно в 1970-х годах. Хоть темпы развития и были недостаточно быстрыми, но увеличивались очень медленными темпами. Причин этого может быть множество, например, неразвитые заводы, неразвитые исследовательские центры и лаборатории, недоступность высокопроизводительных вычислений и, конечно же, недоступность высокоскоростного Интернета, облачных и периферийных архитектур для вычислений и принятия решений беспилотными транспортными средствами.

Тенденции подачи патентных заявок на беспилотные транспортные средства

В 2007-2010 годах произошел резкий рост этой технологии. Потому что в этот период за это отвечала только одна компания, то есть General Motors, а в последующие годы к этой гонке присоединился технологический гигант Google, и сейчас над этой технологией работают разные компании.

Можно прогнозировать, что в ближайшие годы в эту технологическую область войдет целый ряд новых компаний, которые будут продолжать исследования разными способами.

Радары в беспилотных транспортных средствах

Радар играет важную роль, помогая транспортным средствам понять окружающую его обстановку. Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали создание  простого радара на основе Arduino, в автомобилях, конечно же, используются более продвинутые версии радаров. Радарная технология впервые нашла свое широкое применение во время Второй мировой войны, когда немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер запатентовал «телемобильоскоп» - раннюю реализацию радиолокационной технологии, которая могла обнаруживать корабли на расстоянии до 3000 метров.

Сегодня развитие радиолокационной технологии привело к появлению множества вариантов ее использования по всему миру в армии, самолетах, кораблях и подводных лодках.

Как работает радар?

РАДАР — это аббревиатура от слов «радиообнаружение и определение дальности» (radio detection and ranging, RADAR), и практически из его названия можно понять, что он работает на радиоволнах. Передатчик передает радиосигналы во всех направлениях, и если на пути есть объект или препятствие, эти радиоволны отражаются обратно на приемник радара. Разница в частотах передатчика и приемника пропорциональна времени прохождения и может использоваться для измерения расстояния и различать различные типы объектов.

На изображении ниже показан график передачи и приема сигналов радаром, где красная линия — это передаваемый сигнал, а синие линии — полученные сигналы от разных объектов во времени. Поскольку мы знаем время переданного и полученного сигнала, мы можем выполнить анализ БПФ, чтобы рассчитать расстояние объекта от датчика.

График передачи и приема сигналов радаром

Использование радара в беспилотных автомобилях

RADAR — это один из датчиков, которые установлены за листовым металлом автомобиля и делают его автономным. Эта технология используется в производстве автомобилей уже 20 лет и позволяет иметь в автомобиле адаптивный круиз-контроль и автоматический режим, а также экстренное торможение. В отличие от систем видения, таких как камера, он может видеть ночью или в плохую погоду и может предсказать расстояние и скорость объекта на расстоянии сотен ярдов.

Использование радара в беспилотных автомобилях

Обратной стороной радара является то, что даже самые совершенные радары не могут четко предсказывать окружающую среду. Предположим, вы велосипедист, стоящий перед автомобилем. Радар не может с уверенностью предсказать, что вы велосипедист, но он может идентифицировать вас как объект или препятствие и может предпринять необходимые действия, а также не может предсказать направление куда вы повернуты, он может определить только вашу скорость и направление движения.

Изображение, получаемое с помощью радара в беспилотных автомобилях

Чтобы ездить как люди, транспортные средства должны сначала видеть как люди. К сожалению, RADAR не имеет особых требований к деталям, его нужно использовать в сочетании с другими датчиками в автономных транспортных средствах. Большинство компаний-производителей автомобилей, таких как Google, Uber, Toyota и Waymo, в значительной степени полагаются на другой датчик, называемый LiDAR, поскольку он обеспечивает гораздо более лучшее разрешение деталей, но его радиус действия составляет всего несколько сотен метров. Это единственное исключение для производителя беспилотных автомобилей TESLA, поскольку они используют радар в качестве основного датчика, и Маск уверен, что им никогда не понадобится LiDAR в их системах.

Раньше радарные технологии не особо развивались, но теперь они важны для автономных транспортных средств. Развитие системы радаров продвигают различные технологические компании и стартапы. Ниже перечислены компании, которые заново изобретают радар в сфере мобильности.

Bosch

Последняя версия радара от Bosch помогает создавать карту местности, по которой может двигаться автомобиль. Они используют слой карты в сочетании с радаром, что позволяет определять местоположение на основе информации GPS и радара.

Добавляя входные данные от GPS и радара, система Bosch может получать данные в реальном времени и сравнивать их с базовой картой, сопоставлять закономерности между ними и определять свое местоположение с высокой точностью.

С помощью этой технологии автомобиль может управлять автомобилем в плохих погодных условиях, не полагаясь особо на камеры и лидары.

WaveSense

WaveSense — базирующаяся в Бостоне компания по производству радаров, которая считает, что беспилотным автомобилям не обязательно воспринимать окружающую среду так же, как людям.

Их радар, в отличие от других систем, использует проникающие сквозь землю волны, чтобы видеть дорогу, создавая карту дорожного покрытия. Их системы передают радиоволны на глубину 10 футов под дорогой и получают обратно сигнал, который отображает тип почвы, плотность, горные породы и инфраструктуру.

Карта представляет собой уникальный отпечаток дороги. Автомобили могут сравнивать свое положение с предварительно загруженной картой и определять свое местоположение в пределах 2 сантиметров по горизонтали и 15 сантиметров по вертикали.

Технология wavesens также не зависит от погодных условий. Георадар традиционно используется в археологии, при работе на трубопроводах и при спасательных работах; waveense — первая компания, применившая его в автомобильной промышленности.

Lunewave

Антенны сферической формы получили признание в радиолокационной индустрии с момента их изобретения в 1940 году немецким физиком Рудольфом Люнебургом. Они могут обеспечивать считывание на 360 градусов, но до сих пор проблема заключалась в том, что их было сложно изготовить в небольшом размере для использования в автомобилях.

Благодаря результатам 3D-печати их можно было легко сконструировать. Lunewave с помощью 3D-печати разрабатывает 360-градусные антенны размером примерно с мячик для пинг-понга.

Уникальная конструкция антенн позволяет радару обнаруживать препятствия на расстоянии 380 ярдов, что почти вдвое больше, чем при использовании обычной антенны. Кроме того, сфера обеспечивает возможность считывания на 360 градусов с одного устройства, а не на 20 градусов традиционного обзора. Благодаря небольшому размеру его легче интегрировать в систему, а уменьшение количества блоков радара снижает нагрузку на процессор при сшивке нескольких изображений.

Лидары в беспилотных транспортных средствах

Лидар означает «Обнаружение и определение дальности света» (Light Detection and Ranging, LiDAR). Это метод визуализации, аналогичный радару, но вместо использования радиоволн он использует свет (лазер) для изображения окружающей среды. Он может легко создать трехмерную карту окружающей среды с помощью облака точек. Однако оно не может соответствовать разрешению камеры, но все же достаточно четкое, чтобы определить направление, в котором смотрит объект.

Изображение, получаемое с помощью лидара в беспилотных автомобилях

Изображение, получаемое с помощью лидара с самолета

Как работает лидар?

LiDAR обычно можно увидеть на крыше беспилотных транспортных средств в виде вращающегося модуля. Во время вращения он излучает свет с высокой скоростью 150 000 импульсов в секунду, а затем измеряет время, необходимое им для возвращения обратно после столкновения с препятствиями перед ним. Поскольку свет движется с высокой скоростью, 300 000 километров в секунду, он может легко измерить расстояние до препятствия с помощью формулы Расстояние = (Скорость света x Время полета) / 2 , а также расстояние до различных точек. Собранная среда используется для формирования облака точек, которое можно интерпретировать в трехмерные изображения. LiDAR обычно измеряет реальные размеры объектов, что дает определенные преимущества если его использовать в автомобильной технике. Вы можете узнать больше о LiDAR и принципах его работы в этой статье.

Использование лидара в автомобилях

Использование лидара в автомобилях

Хотя LiDAR кажется отличной технологией визуализации, у него есть свои недостатки, такие как

  • Высокие эксплуатационные расходы и сложное обслуживание.
  • Неэффективен во время сильного дождя.
  • Плохое изображение в местах с большим углом наклона солнца или сильными отражениями.

Помимо этих недостатков, такие компании, как Waymo, вкладывают значительные средства в эту технологию, чтобы улучшить ее, поскольку они в значительной степени полагаются на эту технологию для своих автомобилей. Waymo использует LiDAR в качестве основного датчика для получения изображений окружающей среды.

Но все же есть такие компании, как Tesla, которые выступают против использования лидаров в своих автомобилях. Генеральный директор Tesla Илон Маск недавно прокомментировал использование лидара: «Лидар — это глупая затея, и любой, кто полагается на лидар, обречен». Его компания Tesla смогла добиться беспилотного вождения без использования лидаров. Датчики, используемые в автомобилях Tesla, и дальность их действия показаны га следующем рисунке.

Датчики, используемые в автомобилях Tesla, и дальность их действия

Это направлено непосредственно против таких компаний, как Ford, GM Cruise, Uber и Waymo, которые считают , что LiDAR является важной частью набора датчиков беспилотного автомобиля. Кроме того, университеты поддерживают решение Маска отказаться от лидаров, поскольку две недорогие камеры по обе стороны от автомобиля могут обнаруживать объекты с точностью, близкой к лидару, и при этом их стоимость намного меньше стоимости лидара. Камеры, расположенные по обеим сторонам автомобиля Tesla, показаны на изображении ниже.

Камеры, расположенные по обеим сторонам автомобиля Tesla

Камеры в беспилотных транспортных средствах

Все беспилотные автомобили используют несколько камер для обзора окружающей среды на 360 градусов. Используются несколько камер с каждой стороны, например, спереди, сзади, слева и справа, и, наконец, изображения сшиваются вместе, чтобы получить обзор на 360 градусов. В то время как некоторые камеры имеют широкое поле зрения до 120 градусов и более короткий диапазон, а другие ориентированы на более узкий обзор, чтобы обеспечить изображение на большом расстоянии. Некоторые камеры в этих автомобилях имеют эффект «рыбий глаз», обеспечивающий сверхширокий панорамный обзор. Все эти камеры используются с некоторыми алгоритмами компьютерного зрения, которые выполняют всю аналитику и анализ окружающих автомобиль условий. 

Использование камер в автомобилях

Камеры в транспортных средствах уже давно используются в таких приложениях, как помощь при парковке и наблюдение за задней частью автомобилей. Сейчас, по мере развития технологий беспилотных автомобилей, роль камеры в транспортных средствах переосмысливается. Обеспечивая обзор окружающей среды на 360 градусов, камеры способны автономно управлять транспортными средствами во время их движения.

Чтобы иметь круговой обзор дороги, камеры интегрированы в разных местах автомобиля: спереди используется датчик камеры с широким обзором, также известный как система бинокулярного зрения , а слева и справа используются системы монокулярного зрения , а сзади используется парковочная камера. Все эти блоки камер передают изображения на блоки управления, которые сшивают изображения для получения объемного обзора.

Типовое использование камер в автомобилях

Другие типы датчиков в беспилотных транспортных средствах

Помимо трех вышеупомянутых датчиков, существуют датчики других типов, которые используются в беспилотных транспортных средствах для различных целей, таких как обнаружение полосы движения, контроль давления в шинах, контроль температуры, управление внешним освещением, телематическая система, управление фарами и т. д.

Будущее беспилотных транспортных средств является захватывающим и все еще находится в стадии разработки. В будущем многие компании примут участие в этой гонке технологий, и благодаря этому будет создано множество новых законов и стандартов для безопасного использования этой технологии.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
14 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *