Розвінчання магії датчиків, що використовуються в автономних транспортних засобах

Гарного ранку ви переходите дорогу, щоб дістатися до свого офісу з іншого боку, саме тоді, коли ви пройдете половину шляху, ви помітите металевий шматок металу, робота, який рухається до вас, і ви потрапляєте в дилему, вирішивши перетнути дорога чи ні? Важке запитання тисне на вашу думку: "Чи помітила мене машина?" Тоді ви відчуваєте полегшення, коли спостерігаєте, що швидкість автомобіля автоматично зменшується, і це робить для вас вихід. Але почекай, що щойно сталося? Як машина отримала інтелект людського рівня?

У цій статті ми спробуємо відповісти на ці запитання, глибоко розглянувши датчики, що використовуються в Самохідних автомобілях, і те, як вони готуються керувати автомобілями нашого майбутнього. Перш ніж заглибитися в це, давайте також наздоганемо основи автономних транспортних засобів, їх стандарти водіння, основні ключові гравці, їх поточний етап розвитку та розгортання тощо. Для всього цього ми розглянемо автономні машини, оскільки вони роблять основний ринок збуту частка автономних транспортних засобів.

Історія самокерованих автомобілів

Самохідні автомобілі без керма спочатку вийшли з наукової фантастики, але зараз вони майже готові вирушити на дороги. Але технологія з’явилася не за одну ніч; експерименти на самокерованих автомобілях розпочалися наприкінці 1920-х років з автомобілями, керованими за допомогою радіохвиль дистанційно. Однак перспективний випробувальний процес цих автомобілів почав виходити в 1950-1960-х роках, безпосередньо фінансуючись та підтримуючись дослідницькими організаціями, такими як DARPA.

Все почалося реалістично лише в 2000-х роках, коли такі технічні гіганти, як Google, починають виступати за те, що він завдає удару своїм конкуруючим польовим компаніям, таким як General Motors, Ford та ін. Google розпочав з розробки свого проекту з самокеруванням автомобілів, який тепер називають Google waymo. Таксомобільна компанія Uber також виступає із своїм самохідним автомобілем поспіль, конкуруючи з Toyota, BMW, Mercedes Benz та іншими основними гравцями на ринку, і до того моменту, коли Tesla, керована Ілоном Маск, також вдарила ринок робити щось гострий.

Стандарти водіння

Існує велика різниця між терміном самохідний автомобіль та повністю автономний автомобіль. Ця різниця базується на Рівні стандартів водіння, який пояснюється нижче. Ці стандарти надані секцією J3016 міжнародної асоціації машинобудування та автомобільної промисловості SAE (Товариство автомобільних інженерів), а в Європі - Федеральним дослідницьким інститутом автомобільних доріг. Це шестирівнева класифікація від нуля до рівня п’ятого. Однак нульовий рівень передбачає не автоматизацію, а повний контроль автомобіля з боку людини.

Рівень 1 - допомога водієві: допомога автомобіля на низькому рівні, така як регулювання прискорення або керування кермом, але не одночасно. Тут основні завдання, такі як рульове управління, розбиття, знання оточення, як і раніше контролюються водієм.

Рівень 2 - Часткова автоматизація: на цьому рівні автомобіль може сприяти як рульовому керуванню, так і прискоренню, тоді як більшість критичних функцій все ще контролюється водієм. Це найпоширеніший рівень, який ми можемо зустріти в машинах, які сьогодні в дорозі.

Рівень 3 - Умовна автоматизація: Перехід до рівня 3, де автомобіль відстежує стан навколишнього середовища за допомогою датчиків та вживає необхідних дій, таких як гальмування та кочення на рульовому керуванні, тоді як водій-людина тут, щоб втрутитися в систему, якщо виникнуть якісь несподівані умови.

Рівень 4 - Висока автоматизація: Це високий рівень автоматизації, при якому автомобіль здатний пройти всю подорож без участі людини. Однак цей випадок має власну умову, згідно з якою водій може перевести машину в цей режим лише тоді, коли система виявить безпеку дорожнього руху та відсутність заторів.

Рівень 5 - Повна автоматизація: Цей рівень призначений для повністю автоматизованих автомобілів, які не існують на сьогоднішній день. Інженери намагаються це здійснити. Це дозволить нам дістатися до пункту призначення без ручного введення керування рульовим управлінням або гальмами.

Різні типи датчиків, що використовуються в автономних / самокерованих транспортних засобах

Існують різні типи датчиків, що використовуються в автономних транспортних засобах, але основний з них включає використання камер, радіолокаторів, лідарів та ультразвукових датчиків. Положення і тип датчиків, які використовуються в автономних автомобілів наведені нижче.

Всі вищезазначені датчики подають дані в режимі реального часу до електронного блоку управління, також відомого як Fusion ECU, де дані обробляються для отримання 360-градусної інформації навколишнього середовища. Найважливішими датчиками, що утворюють серце та душу автономних автомобілів, є РАДАРОВІ, ЛІДАРОВІ та датчики камер, але ми не можемо ігнорувати внесок інших датчиків, таких як ультразвуковий датчик, датчики температури, датчики виявлення смуги руху та GPS..

Графік, показаний нижче, наведено в результаті досліджень, проведених на Google Patents, зосереджених на використанні датчиків в автономних або самохідних транспортних засобах, в аналізі дослідження кількості патентних полів для кожної технології (декілька датчиків, включаючи Lidar, гідролокатор, радар та ін. камери для виявлення, класифікації та відстеження об'єктів та перешкод) з використанням базових датчиків, що використовуються в кожному самохідному транспортному засобі

Наведений графік демонструє тенденції подання патентів на самокеровані транспортні засоби, зосереджуючи увагу на використанні в них датчиків, оскільки це можна інтерпретувати, що розробка цих автомобілів за допомогою датчиків розпочалася приблизно в 1970-х роках. Хоча темпи розвитку були недостатньо швидкими, але зростали дуже повільними темпами. Причини цього можуть бути численні, такі як нерозвинені заводи, нерозвинені належні науково-дослідні установи та лабораторії, недоступність високоякісних обчислень і, звичайно, недоступність високошвидкісного Інтернету, хмарних та крайових архітектур для обчислення та прийняття рішень автономних транспортних засобів.

У 2007-2010 рр. Відбулося раптове зростання цієї технології. Тому що в цей період за це відповідала лише одна компанія, тобто General motors, і в наступні роки до цієї гонки приєднався технічний гігант Google, і зараз різні компанії працюють над цією технологією.

У найближчі роки можна передбачити, що в цю технологічну область буде входити цілий новий набір компаній, які по-різному продовжать дослідження.

РАДАРИ в самохідних транспортних засобах

Радар відіграє важливу роль, допомагаючи автомобілям зрозуміти його систему, ми вже створили просту ультразвукову радіолокаційну систему Arduino раніше. Радіолокаційна технологія вперше знайшла своє широке застосування під час Другої світової війни, застосувавши німецький винахідник Крістіан Хюльсмайєр патент «телемобілоскоп», що на початку застосував радіолокаційну технологію, яка могла виявити кораблі на відстані до 3000 м.

Швидко просунувшись сьогодні, розвиток радіолокаційної технології призвело до багатьох випадків використання у військовій галузі, літаках, кораблях і підводних човнах.

Як працює радар?

РАДАРА є абревіатурою ра DIO д etection й г anging, і в значній мірі від його імені можна зрозуміти, що він працює на радіохвилях. Передавач передає радіосигнали у всіх напрямках, і якщо на шляху є предмет або перешкода, ці радіохвилі відбиваються назад до радіолокаційного приймача, різниця в частоті передавача та приймача пропорційна часу руху і може бути використана для вимірювання відстані та розрізняти різні типи предметів.

На зображенні нижче показано графік передачі та прийому радіолокатора, де червона лінія - це переданий сигнал, а синя - прийняті сигнали від різних об’єктів у часі. Оскільки ми знаємо час переданого та прийнятого сигналу, ми можемо виконати аналіз ШПФ для розрахунку відстані об'єкта від датчика.

Використання РАДАРУ в самохідних автомобілях

RADAR - це один з датчиків, який рухається позаду листового металу автомобіля, щоб зробити його автономним, це технологія, яка виробляється з 20 років до цього часу, і дозволяє машині мати адаптивний круїз-контроль та автоматичну екстрене гальмування. На відміну від систем зору, таких як камери, він може бачити вночі або в негоду і може передбачати відстань і швидкість об'єкта з сотні ярдів.

Недоліком РАДАРА є те, що навіть високодосконалі радари не можуть чітко передбачити своє середовище. Вважайте, що ви велосипедист, який стоїть перед автомобілем, тут Радар не може точно передбачити, що ви велосипедист, але він може ідентифікувати вас як об'єкт або перешкоду і може вжити необхідних дій, а також не може передбачити напрямок руху в з яким ви стикаєтесь, може визначити лише вашу швидкість і напрямок руху.

Щоб їздити як люди, транспортні засоби повинні спочатку бачити як люди. На жаль, РАДАР не надто детальний, тому його слід використовувати в поєднанні з іншими датчиками в автономних автомобілях. Більшість компаній-виробників автомобілів, такі як Google, Uber, Toyota та Waymo, значною мірою покладаються на інший датчик під назвою LiDAR, оскільки вони специфічні для деталей, але їх радіус дії становить лише кілька сотень метрів. Це єдиний виняток для автономного виробника автомобілів TESLA, оскільки вони використовують РАДАР як головний датчик, і Маск впевнений, що їм ніколи не знадобиться LiDAR у своїх системах.

Раніше технологія радіолокації не мала особливого розвитку, а зараз - їх значення в автономних транспортних засобах. Покращення системи РАДАР розвивають різні технологічні компанії та стартапи. У компанії, які Оновлене роль РЛС в мобільності, перераховані нижче

BOSCH

Остання версія RADAR від Bosch допомагає створити локальну карту, по якій транспортний засіб може їздити. Вони використовують шар карти у поєднанні з РАДАРОМ, що дозволяє з’ясувати місце розташування на основі даних GPS та РАДАР, подібних до створення дорожніх підписів.

Додаючи входи з GPS та РАДАРУ, система Bosch може отримувати дані в режимі реального часу та порівнювати їх з базовою картою, узгоджувати схеми між ними та визначати їх розташування з високою точністю.

За допомогою цієї технології автомобіль може їздити в поганих погодних умовах, не надто покладаючись на камери та LiDAR.

WaveSense

WaveSense - це компанія, що базується в Бостоні, компанія RADAR, яка вважає, що самокеровані машини не повинні сприймати оточення так само, як людей.

Їх РАДАР на відміну від інших систем використовує проникаючі в землю хвилі для прогляду доріг, створюючи карту дорожнього покриття. Їх системи передають радіохвилі на 10 футів нижче дороги і отримують сигнал назад, який відображає тип ґрунту, щільність, гірські породи та інфраструктуру.

Карта - це унікальний відбиток пальця дороги. Автомобілі можуть порівняти своє положення з попередньо завантаженою картою та локалізуватися в межах 2 сантиметрів по горизонталі та 15 сантиметрів по вертикалі.

Технологія wavesense також не залежить від погодних умов. Радіолокаційний наземний радар традиційно використовується в археології, роботах трубопроводів та рятувальних служб; wavesense - перша компанія, яка використовує його в автомобільних цілях.

Lunewave

Сфероподібні антени визнані промисловістю РАДАР з їх появи в 1940 році німецьким фізиком Рудольфом Люнебургом. Вони можуть забезпечити зондування на 360 градусів, але дотепер проблема полягала в тому, що їх було важко виготовляти в невеликих розмірах для автомобільного використання.

Завдяки результатам 3D-друку їх можна було легко спроектувати. Lunewave розробляє 360-градусні антени за допомогою 3D-друку приблизно за розміром кулі для пінг-понгу.

Унікальний дизайн антен дозволяє РАДАРУ розпізнавати перешкоду на відстані 380 ярдів, що майже вдвічі більше, ніж можна було б досягти за допомогою звичайної антени. Крім того, сфера дозволяє чутливу здатність 360 градусів з одного одиниці, а не 20-градусний традиційний вигляд. Завдяки невеликому розміру його легше інтегрувати в систему, а зменшення одиниць РАДАР зменшує навантаження зшивання декількох зображень над процесором.

LiDars в самохідних транспортних засобах

LiDAR означає Li GHT D etection й R anging, це техніка візуалізації, як і RADAR, але замість того, щоб використовувати радіохвилі він використовує світло (лазер) для візуалізації околиць. Він може легко створити 3D-карту оточення за допомогою хмари точок. Однак він не може збігатися з роздільною здатністю камери, але все-таки він досить чіткий, щоб визначити напрямок, в який спрямований об'єкт.

Як працює LiDAR?

LiDAR зазвичай можна побачити на верхній частині самохідних автомобілів як спінінг-модуль. Обертаючись, він випромінює світло з високою швидкістю 150 000 імпульсів в секунду, а потім вимірює час, необхідний для їх повернення назад після удару попереду перешкод. Оскільки світло рухається з високою швидкістю, 300 000 кілометрів на секунду, воно може легко виміряти відстань перешкоди за допомогою формули Відстань = (Швидкість Світла x Час польоту) / 2 і як відстань до різних точок в навколишнє середовище збирається, воно використовується для формування хмари точок, яку можна інтерпретувати у тривимірні зображення. LiDAR зазвичай вимірює фактичні розміри об'єктів, що дає плюс, якщо він використовується в автомобільних транспортних засобах. Ви можете дізнатись більше про LiDAR та його роботу в цій статті.

Використання LiDar в автомобілях

Хоча LiDAR, здається, є неприступною технологією обробки зображень, вона має свої недоліки

• Висока експлуатаційна вартість та жорстке обслуговування
• Неефективний під час сильного дощу
• Погана візуалізація в місцях з високим кутом сонця або величезними відблисками

Окрім цих недоліків, такі компанії, як Waymo, дуже інвестують у цю технологію, щоб зробити її кращою, оскільки вони значною мірою покладаються на цю технологію для своїх автомобілів, навіть Waymo використовує LiDAR як основний датчик для зображення навколишнього середовища.

Але все ж є такі компанії, як Tesla, які виступають проти використання LiDAR у своїх автомобілях. Нещодавно генеральний директор Tesla Ілон Маск прокоментував використання LiDAR " lidar - це дурна справа, і кожен, хто покладається на lidar, приречений ". Його компанія Tesla змогла досягти самостійного керування автомобілем без LiDAR, датчиків, що використовуються в Tesla, та діапазон охоплення показаний нижче.

Це стосується таких компаній, як Ford, GM Cruise, Uber і Waymo, які вважають, що LiDAR є важливою частиною набору датчиків. Мускус цитує його як " LiDAR кульгає, вони збираються скинути LiDAR, відзначте мої слова. Це мій прогноз ". Крім того, університети підтримують рішення Москви скинути LiDAR, оскільки дві недорогі камери по обидва боки транспортного засобу можуть виявляти об'єкти з майже точністю LiDAR лише з часткою вартості LiDAR. Камери, розташовані по обидва боки автомобіля Tesla, показані на зображенні нижче.

Камери в самохідних транспортних засобах

Усі самохідні транспортні засоби використовують кілька камер, щоб мати 360-градусний огляд навколишнього середовища. Використовується кілька камер з кожного боку, як спереду, ззаду, зліва та справа, і нарешті зображення зшиваються, щоб мати 360-градусний огляд. Хоча деякі камери мають широке поле зору на 120 градусів і менший діапазон, а інші фокусуються на більш вузькому огляді, щоб забезпечити візуальні ефекти далекого діапазону. Деякі камери в цих автомобілях мають ефект риб’ячого ока, щоб мати надзвичайно широкий панорамний вигляд. Всі ці камери використовуються з деякими алгоритмами комп'ютерного зору, які виконують всю аналітику та виявлення для автомобіля. Ви також можете ознайомитися з іншими статтями, пов’язаними з обробкою зображень, які ми вже висвітлювали раніше.

Використання камери в автомобілях

Камери в транспортних засобах використовуються протягом тривалого часу з таким додатком, як допомога при паркуванні та моніторинг задньої частини автомобілів. Зараз, коли технологія самокерування автомобілем розвивається, роль камери в транспортних засобах переглядається. Забезпечуючи оточення навколишнього середовища на 360 градусів, камери можуть автономно керувати транспортними засобами через дорогу.

Щоб мати оточуючий огляд дороги, камери інтегровані в різних місцях автомобіля, спереду використовується датчик камери з широким оглядом, також відомий як система бінокулярного зору, а зліва та справа використовуються системи монокулярного зору та ззаду кінець використовується паркувальна камера. Всі ці блоки камери передають зображення на блоки управління, і вони зшивають зображення, щоб мати вигляд об'ємного звучання.

Інший тип датчиків у самохідних транспортних засобах

Окрім вищезазначених трьох датчиків, існують ще деякі типи датчиків, які використовуються в самохідних автомобілях для різних цілей, такі як виявлення смуги руху, контроль тиску в шинах, контроль температури, контроль зовнішнього освітлення, система телематики, управління фарами тощо.

Майбутнє самохідних транспортних засобів є захоплюючим і все ще перебуває в стадії розробки, в майбутньому багато компаній виступатимуть для участі в перегонах, і разом із цим буде створено багато нових законів та стандартів для безпечного використання цієї технології.