Разоблачение магии датчиков, используемых в беспилотных автомобилях

В ясное утро вы переходите дорогу, чтобы добраться до своего офиса на другой стороне, как раз на полпути вы замечаете кусок металла без водителя, робота, приближающегося к вам, и вы попадаете в дилемму, решив перейти через дорога или нет? Сильный вопрос давит на ум: «Машина меня заметила?» Затем вы чувствуете облегчение, когда замечаете, что скорость автомобиля автоматически снижается, и он дает вам выход. Но подождите, что только что произошло? Как машина получила интеллект человеческого уровня?

В этой статье мы попытаемся ответить на эти вопросы, подробно рассмотрев датчики, используемые в самоуправляемых автомобилях, и то, как они готовятся к управлению автомобилями нашего будущего. Прежде чем углубиться в это, давайте также познакомимся с основами автономных транспортных средств, их стандартами вождения, основными ключевыми игроками, их текущим этапом разработки и развертывания и т. Д. Для всего этого мы будем рассматривать беспилотные автомобили, потому что они составляют основной рынок доля автономных транспортных средств.

История самоуправляемых автомобилей

Беспилотные автомобили Изначально беспилотные автомобили вышли из научной фантастики, но теперь они почти готовы отправиться в путь. Но технология появилась не сразу; 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 при прямом финансировании и поддержке таких исследовательских организаций, как DARPA.

Все началось реалистично только в 2000-х годах, когда технические гиганты, такие как Google, начали выступать за это, нанося удар по своим конкурирующим отраслевым компаниям, таким как General Motors, Ford и другим. Google начал с разработки своего проекта беспилотных автомобилей, 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 вышла на рынок, чтобы делать вещи. острый.

Стандарты вождения

Существует большая разница между терминами самоуправляемый автомобиль и полностью автономный автомобиль. Эта разница основана на Стандарте уровня вождения, который объясняется ниже. Эти стандарты устанавливаются секцией J3016 международной ассоциации инженеров и автомобилестроителей SAE (Общество автомобильных инженеров), а в Европе - Федеральным исследовательским институтом автомобильных дорог. Это шестиуровневая классификация от нулевого до пятого уровня. Однако нулевой уровень подразумевает не автоматизацию, а полный контроль над автомобилем со стороны человека.

Уровень 1 - Помощь водителю: помощь автомобилю на низком уровне, такая как контроль ускорения или рулевое управление, но не то и другое одновременно. Здесь основные задачи, такие как рулевое управление, торможение, знание окружающей обстановки, все еще контролируются водителем.

Уровень 2 - Частичная автоматизация: на этом уровне автомобиль может помогать как в рулевом управлении, так и в ускорении, в то время как большинство важных функций все еще контролируются водителем. Это самый распространенный уровень, который мы можем 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 перекат рулевого управления, в то время как водитель-человек вмешивается в систему, если возникает какое-либо непредвиденное состояние.

Уровень 4 - Высокая автоматизация: это высокий уровень автоматизации, при котором автомобиль может пройти весь путь без участия человека. Однако этот случай имеет свое собственное условие, что водитель может переключить автомобиль в этот режим только тогда, когда система обнаружит, что условия движения безопасны и нет пробок.

Уровень 5 - Полная автоматизация: Этот уровень предназначен для полностью автоматизированных автомобилей, которые не существуют до настоящего времени. Инженеры пытаются добиться этого. Это позволит нам добраться до места назначения без ручного управления рулевым управлением или тормозами.

Различные типы датчиков, используемых в автономных / самоходных 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 ниже.

Все вышеупомянутые датчики передают данные в реальном времени в электронный блок управления, также известный как Fusion ECU, где данные обрабатываются для получения информации об окружающей среде на 360 градусов. Самыми важными датчиками, которые составляют сердце и душу беспилотных транспортных средств, являются датчики RADAR, LIDAR и 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 полей по каждой технологии (несколько датчиков, включая лидар, сонар, радар и др.) камеры для обнаружения, классификации и отслеживания объектов и препятствий) с использованием базовых датчиков, используемых в каждом беспилотном автомобиле.

На приведенном выше графике показаны тенденции подачи заявок на патенты для беспилотных транспортных средств с акцентом на использование в них датчиков, поскольку можно интерпретировать, что разработка этих транспортных средств с помощью датчиков началась примерно в 1970-х годах. Хотя темп разработки был недостаточно быстрым, но увеличивался очень медленно. Причин этого может быть множество, например, неразвитые фабрики, неразвитые надлежащие исследовательские центры и лаборатории, недоступность высокопроизводительных вычислений и, конечно, недоступность высокоскоростного Интернета, облачных и периферийных архитектур для вычислений и принятия решений беспилотных транспортных средств.

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

В ближайшие годы можно прогнозировать, что в эту технологическую область войдет целый ряд компаний, которые будут продолжать исследования различными способами.

Радары в самоходных транспортных средствах

Радар играет важную роль, помогая транспортным средствам понять его систему, мы уже создали простую ультразвуковую радарную систему Arduino ранее. Радарная технология впервые нашла свое широкое распространение во время Второй мировой войны, когда немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмейер запатентовал «телемобилоскоп» - раннюю реализацию радарной технологии, которая могла обнаруживать корабли на расстоянии до 3000 м.

Быстро продвигаясь сегодня, развитие радарной технологии принесло множество вариантов использования по всему миру в армии, самолетах, кораблях и подводных лодках.

Как работает радар?

РАДАРА является аббревиатурой ра DIO д etection й г anging, и в значительной степени от его имени 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 в приемник радара, разница в частоте передатчика и приемника пропорциональна времени прохождения и может использоваться для измерения расстояния и различать разные типы объектов.

На изображении ниже показан график передачи и приема радара, где красная линия - это переданный сигнал, а синие линии - это принятые сигналы от различных объектов во времени. Поскольку мы знаем время переданного и принятого сигнала, мы можем выполнить анализ БПФ, чтобы вычислить расстояние от объекта до датчика.

Использование радара в самоуправляемых автомобилях

РАДАР - это один из датчиков, которые устанавливаются за листовым металлом автомобиля, чтобы сделать его автономным, это технология, которая используется в производстве автомобилей с 20 лет до настоящего времени, и позволяет автомобилю иметь адаптивный круиз-контроль и автоматику. экстренное торможение. В отличие от систем технического зрения, таких как камеры, он может видеть ночью или в плохую погоду и может предсказывать расстояние и скорость объекта на сотни ярдов.

Обратной стороной RADAR является то, что даже самые современные радары не могут точно предсказать окружающую их среду. Представьте, что вы велосипедист, стоящий перед автомобилем, здесь 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 движения. с которым вы сталкиваетесь, он может определять только вашу скорость и направление движения.

Чтобы водить машину как человек, транспорт сначала должен видеть как люди. К сожалению, RADAR не очень детализирован, 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 под названием LiDAR, поскольку они детализированы, но их диапазон составляет всего несколько сотен метров. Это единственное исключение для производителя автономных автомобилей TESLA, поскольку они используют RADAR в качестве основного датчика, и Маск уверен, что им никогда не понадобится LiDAR в своих системах.

Раньше радарные технологии не развивались особо, но теперь они важны для автономных транспортных средств. Развитие системы RADAR осуществляется различными технологическими компаниями и стартапами. В компании, которые Обновленное роль РЛС в мобильности, перечислены ниже

BOSCH

Последняя версия RADAR от Bosch помогает создать карту местности, по которой может проехать автомобиль. Они используют слой карты в сочетании с RADAR, который позволяет определять местоположение на основе информации GPS и RADAR, аналогично созданию дорожных подписей.

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

С помощью этой технологии автомобиль может вести себя в плохих погодных условиях, не полагаясь на камеры и LiDAR.

WaveSense

WaveSense - бостонская компания RADAR, которая считает, что беспилотные автомобили не должны воспринимать свое окружение так же, как люди.

Их РАДАР, в отличие от других систем, использует проникающие через землю волны, чтобы видеть сквозь дороги, создавая карту дорожного покрытия. Их системы передают радиоволны на 10 футов ниже дороги и получают сигнал, который отображает тип почвы, плотность, скалы 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 wavesense также не зависит от погодных условий. Наземный радар традиционно используется в археологии, на трубопроводах и при спасательных работах; wavesense - первая компания, которая использовала его для автомобильных целей.

Lunewave

Антенны сферической формы признаны радиолокационной промышленностью с момента их изобретения в 1940 году немецким физиком Рудольфом Люнебургом. Они могут обеспечивать возможность обнаружения на 360 градусов, но до сих пор проблема заключалась в том, что их было трудно изготовить в небольших размерах для использования в автомобилях.

Благодаря 3D-печати их можно было легко спроектировать. Lunewave проектирует антенны на 360 градусов с помощью 3D-печати, примерно размером с мяч для пинг-понга.

Уникальная конструкция антенн позволяет радару обнаруживать препятствие на расстоянии 380 ярдов, что почти вдвое больше, чем можно было бы достичь с помощью обычной антенны. Кроме того, сфера обеспечивает возможность восприятия на 360 градусов от одного устройства, а не на 20 градусов при традиционном обзоре. Из-за небольшого размера его легче интегрировать в систему, а уменьшение количества радаров снижает нагрузку на процессор при сшивании нескольких изображений.

Лидары в беспилотных автомобилях

LiDAR означает Li GHT D etection й R anging, это техника визуализации, как и RADAR, но вместо того, чтобы использовать радиоволны он использует свет (лазер) для визуализации окрестностей. Он может легко создать трехмерную карту окружающей местности с помощью облака точек. Однако он не может соответствовать разрешению камеры, но все же достаточно четкий, чтобы определить направление, в котором смотрит объект.

Как работает LiDAR?

LiDAR обычно можно увидеть на крыше беспилотных автомобилей в виде вращающегося модуля. Во время вращения он излучает свет с высокой скоростью 150 000 импульсов в секунду, а затем измеряет время, необходимое им, чтобы вернуться назад после столкновения с препятствиями впереди. Поскольку свет движется с высокой скоростью, 300000 километров в секунду, он может легко измерить расстояние до препятствия с помощью формулы Distance = (Speed of Light x Time of Flight) / 2 и как расстояние до различных точек в Собранная среда используется для формирования облака точек, которое можно интерпретировать в трехмерные изображения. LiDAR обычно измеряет фактические размеры объектов, что дает положительный результат при использовании в автомобильной технике. Вы можете узнать больше о LiDAR и его работе в этой статье.

Использование LiDar в автомобилях

Хотя LiDAR кажется неумолимой технологией визуализации, у нее есть свои недостатки, такие как

Высокая стоимость эксплуатации и сложное обслуживание
Неэффективен во время сильного дождя
Плохое изображение в местах с высоким углом наклона солнца или сильными отражениями

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

Но все же есть компании, такие как Tesla, которые выступают против использования LiDAR в своих автомобилях. Генеральный директор Tesla Илон Маск недавно прокомментировал использование лидара LiDAR: « Лидар - глупая затея, и любой, кто полагается на лидар, обречен ». Его компания Tesla смогла добиться самостоятельного вождения без LiDAR, датчики, используемые в Tesla, и их диапазон покрытия показаны ниже.

Это идет прямо против таких компаний, как Ford, GM Cruise, Uber и Waymo, которые считают, что LiDAR является неотъемлемой частью набора датчиков. Мускус Цитируется на нем так: « LiDAR - отстой, они собираются выбросить LiDAR, помяните мои слова. Это мой прогноз ». Также университеты поддерживают решение Маска отказаться от LiDAR, поскольку две недорогие камеры по обе стороны от транспортного средства могут обнаруживать объекты с точностью, близкой к LiDAR, всего за небольшую часть стоимости LiDAR. Камеры, размещенные по обе стороны от автомобиля Tesla, показаны на изображении ниже.

Камеры в самоуправляемых автомобилях

Все беспилотные автомобили используют несколько камер, чтобы иметь 360-градусный обзор окружающей среды. Используются несколько камер с каждой стороны, такие как передняя, задняя, левая и правая, и, наконец, изображения сшиваются вместе, чтобы иметь обзор на 360 градусов. В то время как некоторые камеры имеют широкое поле зрения до 120 градусов и меньший диапазон, а другие фокусируются на более узком поле зрения, чтобы обеспечить визуальные эффекты на большом расстоянии. Некоторые камеры в этих автомобилях имеют эффект «рыбьего глаза» для сверхширокого панорамного обзора. Все эти камеры используются с некоторыми алгоритмами компьютерного зрения, которые выполняют всю аналитику и обнаружение автомобиля. Вы также можете ознакомиться с другими статьями, посвященными обработке изображений, которые мы рассмотрели ранее.

Использование камеры в автомобилях

Камеры в транспортных средствах уже давно используются в таких приложениях, как помощь при парковке и мониторинг задней части автомобилей. Сейчас, когда технология беспилотных автомобилей развивается, роль камеры в транспортных средствах пересматривается. Обеспечивая круговой обзор окружающей среды, камеры могут автономно управлять транспортными средствами по дороге.

Чтобы обеспечить объемный обзор дороги, камеры интегрированы в разных местах транспортного средства, спереди используется датчик камеры с широким обзором, также известный как система бинокулярного зрения, а слева и справа используются системы монокулярного зрения и сзади. конец используется парковочная камера. Все эти камеры передают изображения на блоки управления, и они сшивают изображения, чтобы получить объемный обзор.

Другой тип датчиков в самоходных транспортных средствах

Помимо трех вышеупомянутых датчиков, есть еще несколько типов датчиков, которые используются в беспилотных транспортных средствах для различных целей, таких как обнаружение полосы движения, контроль давления в шинах, контроль температуры, контроль внешнего освещения, телематическая система, управление фарами и т. Д.

Будущее беспилотных транспортных средств является захватывающим и все еще находится в стадии разработки, в будущем многие компании будут участвовать в гонке, и с этим будет создано множество новых законов и стандартов для безопасного использования этой технологии.