Obalanie magii czujników używanych w pojazdach samojezdnych

W piękny poranek przechodzisz przez ulicę, aby dotrzeć do swojego biura po drugiej stronie, a gdy jesteś w połowie drogi, zauważysz kawałek metalu bez kierowcy, robota, zbliżający się do i stajesz przed dylematem, decydując się na przekroczenie droga czy nie? W głowie pojawia się mocne pytanie: „Czy samochód mnie zauważył?” Wtedy poczujesz ulgę, gdy zauważysz, że prędkość pojazdu jest automatycznie zmniejszana i wychodzi ci na drogę. Ale poczekaj, co się właśnie stało? W jaki sposób maszyna uzyskała inteligencję na poziomie ludzkim?

W tym artykule postaramy się odpowiedzieć na te pytania, przyglądając się dogłębnie czujnikom używanym w samochodach samojezdnych i sposobom przygotowania się do prowadzenia samochodów naszej przyszłości. Zanim zagłębimy się w ten temat, przyjrzyjmy się również podstawom autonomicznych pojazdów, ich standardom jazdy, głównym kluczowym graczom, ich obecnemu etapowi rozwoju i wdrożeniu itp. W tym wszystkim będziemy rozważać samochody autonomiczne, ponieważ stanowią one ważny rynek. udział pojazdów autonomicznych.

Historia samochodów samojezdnych

Samojezdne samochody bez kierowców początkowo wyszły z science fiction, ale teraz są prawie gotowe do wyjazdu na drogi. Ale technologia nie pojawiła się z dnia na dzień; Eksperymenty z samojezdnymi samochodami rozpoczęły się pod koniec lat dwudziestych XX wieku, kiedy samochody były zdalnie sterowane za pomocą fal radiowych. Jednak obiecująca próba tych samochodów zaczęła się pojawiać w latach 1950-1960, bezpośrednio finansowana i wspierana przez organizacje badawcze, takie jak DARPA.

Rzeczy zaczęły się realistycznie dopiero w 2000 roku, kiedy giganci technologiczni, tacy jak Google, zaczęli się pojawiać po to, zadając cios konkurencyjnym firmom branżowym, takim jak General Motors, Ford i inne. Firma Google rozpoczęła od opracowania projektu samojezdnego samochodu, który obecnie nosi nazwę Google waymo. Firma taksówkarska Uber również wystąpiła ze swoim autonomicznym samochodem z rzędu wraz z konkurencją z Toyotą, BMW, Mercedes Benz i innymi głównymi graczami na rynku, a do czasu, gdy Tesla prowadzona przez Elona Muska również uderzyła na rynek, aby rzeczy Pikantny.

Standardy jazdy

Istnieje duża różnica między terminem samochód autonomiczny a samochód w pełni autonomiczny. Ta różnica wynika z poziomu standardu jazdy, który wyjaśniono poniżej. Normy te są nadawane przez sekcję J3016 międzynarodowego stowarzyszenia przemysłu inżynieryjno-motoryzacyjnego SAE (Society of Automotive Engineers), aw Europie przez Federalny Instytut Badań Drogowych. Jest to sześciostopniowa klasyfikacja od poziomu zera do poziomu piątego. Jednak poziom zerowy oznacza brak automatyzacji, ale pełną kontrolę nad pojazdem przez człowieka.

Poziom 1 - wspomaganie kierowcy: niskopoziomowe wspomaganie samochodu, takie jak kontrola przyspieszenia lub kierownica, ale nie oba jednocześnie. Tutaj główne zadania, takie jak kierowanie, hamowanie, poznanie otoczenia są nadal kontrolowane przez kierowcę.

Poziom 2 - częściowa automatyzacja: na tym poziomie samochód może wspomagać zarówno sterowanie, jak i przyspieszanie, podczas gdy większość krytycznych funkcji jest nadal monitorowana przez kierowcę. To najczęściej spotykany poziom, jaki możemy spotkać w dzisiejszych samochodach na drogach.

Poziom 3 - warunkowa automatyzacja: Przejście do poziomu 3, gdzie samochód monitoruje warunki otoczenia za pomocą czujników i podejmuje niezbędne działania, takie jak hamowanie i toczenie się na kierownicy, podczas gdy ludzki kierowca jest po to, aby interweniować w systemie, jeśli wystąpią jakiekolwiek nieoczekiwane warunki.

Poziom 4 - Wysoka automatyzacja: Jest to wysoki poziom automatyzacji, w którym samochód jest w stanie pokonać całą podróż bez udziału człowieka. Jednak ten przypadek ma swój własny warunek, że kierowca może przełączyć samochód w ten tryb tylko wtedy, gdy system wykryje, że warunki na drodze są bezpieczne i nie ma korka.

Poziom 5 - pełna automatyzacja: Ten poziom dotyczy w pełni zautomatyzowanych samochodów, które nie istnieją do tej pory. Inżynierowie próbują to urzeczywistnić. Pozwoli nam to dotrzeć do celu bez ręcznego sterowania kierownicą lub hamulcami.

Różne typy czujników stosowanych w pojazdach autonomicznych / samojezdnych

Istnieją różne typy czujników stosowanych w pojazdach autonomicznych, ale głównym z nich jest użycie kamer, radarów, LIDARów i czujników ultradźwiękowych. Poniżej przedstawiono położenie i typ czujników używanych w samochodach autonomicznych.

Wszystkie wyżej wymienione czujniki przekazują dane w czasie rzeczywistym do elektronicznej jednostki sterującej znanej również jako Fusion ECU, gdzie dane są przetwarzane w celu uzyskania 360-stopniowych informacji o otaczającym środowisku. Najważniejszymi czujnikami, które tworzą serce i duszę samojezdnych pojazdów są RADAR, LIDAR i czujniki kamery, ale nie możemy ignorować wkładu innych czujników, takich jak czujnik ultradźwiękowy, czujniki temperatury, czujniki wykrywania pasa ruchu i GPS..

Poniższy wykres pochodzi z badania przeprowadzonego na Google Patents, koncentrującego się na wykorzystaniu czujników w pojazdach autonomicznych lub autonomicznych, badanie analizuje liczbę pól patentowych w każdej technologii (wiele czujników, w tym Lidar, sonar, radar i kamery do wykrywania, klasyfikacji i śledzenia obiektów i przeszkód) z wykorzystaniem podstawowych czujników stosowanych w każdym pojeździe autonomicznym.

Powyższy wykres przedstawia trendy zgłaszania patentów dla pojazdów samojezdnych skupiając się na zastosowaniu w nim czujników, gdyż można by interpretować, że rozwój tych pojazdów z pomocą czujników rozpoczął się około lat 70-tych XX wieku. Chociaż tempo rozwoju nie było wystarczająco szybkie, ale rosło w bardzo wolnym tempie. Przyczyny tego mogą być liczne, takie jak niezabudowane fabryki, nierozwinięte odpowiednie obiekty badawcze i laboratoria, niedostępność wysokiej klasy komputerów i oczywiście niedostępność szybkiego Internetu, chmury i architektur brzegowych do obliczania i podejmowania decyzji w przypadku pojazdów autonomicznych.

W latach 2007-2010 nastąpił gwałtowny rozwój tej technologii. Ponieważ w tym okresie była za to odpowiedzialna tylko jedna firma, tj. General Motors, aw kolejnych latach do wyścigu dołączył technologiczny gigant Google, a teraz różne firmy pracują nad tą technologią.

Można prognozować, że w nadchodzących latach do tego obszaru technologicznego wejdzie cała nowa grupa firm, prowadząc badania na różne sposoby.

RADARY w pojazdach samojezdnych

Radar odgrywa ważną rolę, pomagając pojazdom zrozumieć ich system, wcześniej zbudowaliśmy prosty ultradźwiękowy system radarowy Arduino. Technologia radarowa po raz pierwszy znalazła szerokie zastosowanie podczas II wojny światowej, dzięki zastosowaniu opatentowanego przez niemieckiego wynalazcę Christiana Huelsmeyera „telemobiloskopu”, wczesnej implementacji technologii radarowej, która mogłaby wykrywać statki w odległości do 3000 m.

Szybki rozwój technologii radarowej przyniósł dziś na całym świecie wiele zastosowań w wojsku, samolotach, statkach i łodziach podwodnych.

Jak działa radar?

RADAR jest skrótem ra dio d Detekcja nd r anging, i prawie od jego nazwy można zrozumieć, że to działa na falach radiowych. Nadajnik przesyła sygnały radiowe we wszystkich kierunkach, a jeśli na drodze znajduje się obiekt lub przeszkoda, te fale radiowe odbijają się z powrotem do odbiornika radaru, różnica częstotliwości nadajnika i odbiornika jest proporcjonalna do czasu podróży i może być wykorzystana do pomiaru odległości i rozróżniać różne typy obiektów.

Poniższy obraz przedstawia wykres transmisji i odbioru radaru, na którym czerwona linia to transmitowany sygnał, a niebieskie linie to odebrane sygnały z różnych obiektów w czasie. Ponieważ znamy czas nadawania i odbierania sygnału, możemy przeprowadzić analizę FFT, aby obliczyć odległość obiektu od czujnika.

Korzystanie z RADARU w samochodach samojezdnych

RADAR jest jednym z czujników, które jeżdżą za blachą samochodu, aby uczynić go autonomicznym, jest to technologia, która jest stosowana w produkcji samochodów od 20 lat do teraz, i umożliwia samochodowi posiadanie adaptacyjnego tempomatu i automatycznego hamowanie awaryjne. W przeciwieństwie do systemów wizyjnych, takich jak kamery, może widzieć w nocy lub przy złej pogodzie i może przewidywać odległość i prędkość obiektu z setek metrów.

Wadą RADARU jest to, że nawet wysoce zaawansowane radary nie są w stanie jasno przewidzieć otoczenia. Weź pod uwagę, że jesteś rowerzystą stojącym przed samochodem, tutaj Radar nie może z pewnością przewidzieć, że jesteś rowerzystą, ale może zidentyfikować Cię jako obiekt lub przeszkodę i może podjąć niezbędne działania, a także nie może przewidzieć kierunku w w którą stoisz, może wykryć tylko twoją prędkość i kierunek ruchu.

Aby jeździć jak ludzie, pojazdy muszą najpierw widzieć jak ludzie. Niestety, RADAR nie jest zbyt szczegółowy, dlatego musi być używany w połączeniu z innymi czujnikami w pojazdach autonomicznych. Większość firm produkujących samochody, takich jak Google, Uber, Toyota i Waymo, w dużym stopniu polega na innym czujniku o nazwie LiDAR, ponieważ są one szczegółowe, ale ich zasięg wynosi tylko kilkaset metrów. Jest to jedyny wyjątek w stosunku do producenta samochodów autonomicznych TESLA, ponieważ używają RADARU jako głównego czujnika, a Musk jest przekonany, że nigdy nie będą potrzebować LiDAR w swoich systemach.

Wcześniej nie było wiele zmian w technologii radarowej, ale teraz z ich znaczeniem w pojazdach autonomicznych. Postęp w systemie RADAR jest podnoszony przez różne firmy technologiczne i startupy. Te firmy, które są wymyślania rolę radaru mobilności są wymienione poniżej

BOSCH

Najnowsza wersja RADAR firmy Bosch pomaga w tworzeniu lokalnej mapy, po której pojazd może się poruszać. Używają warstwy mapy w połączeniu z RADAREM, który umożliwia ustalenie lokalizacji na podstawie informacji GPS i RADAR, podobnie jak w przypadku tworzenia znaków drogowych.

Dodając dane wejściowe z GPS i RADAR, system Bosch może pobierać dane w czasie rzeczywistym i porównywać je z mapą podstawową, dopasowywać wzorce między nimi i określać lokalizacje z dużą dokładnością.

Z pomocą tej technologii samochód może jeździć samodzielnie w złych warunkach pogodowych bez zbytniego polegania na kamerach i LiDAR-ach.

WaveSense

WaveSense to bostońska firma RADAR, która uważa, że ​​autonomiczne samochody nie muszą postrzegać otoczenia tak samo, jak ludzie.

Ich RADAR, w przeciwieństwie do innych systemów, wykorzystuje fale penetrujące ziemię do patrzenia przez drogi, tworząc mapę nawierzchni drogi. Ich systemy transmitują fale radiowe 10 stóp pod drogą i odbierają z powrotem sygnał, który przedstawia typ gleby, gęstość, skały i infrastrukturę.

Mapa to unikalny odcisk palca drogi. Samochody mogą porównać swoją pozycję z fabrycznie załadowaną mapą i zlokalizować się z dokładnością do 2 cm w poziomie i 15 cm w pionie.

Technologia Waveense nie jest również zależna od warunków pogodowych. Radar penetrujący ziemię jest tradycyjnie używany w archeologii, pracach przy rurociągach i ratownictwie; Wavesense jest pierwszą firmą, która używa go do celów motoryzacyjnych.

Lunewave

Anteny w kształcie kuli są rozpoznawane przez przemysł RADAR od ich pojawienia się w 1940 roku przez niemieckiego fizyka Rudolfa Luneburga. Mogą zapewniać wykrywanie w zakresie 360 ​​stopni, ale do tej pory problemem było to, że były trudne do wyprodukowania w małych rozmiarach do użytku samochodowego.

Dzięki drukowaniu 3D można je było łatwo zaprojektować. Lunewave projektuje anteny 360 stopni za pomocą druku 3D z grubsza do rozmiaru piłeczki pingpongowej.

Unikalna konstrukcja anten pozwala RADAROWI wykrywać przeszkodę z odległości 380 jardów, czyli prawie dwukrotnie więcej niż w przypadku zwykłej anteny. Ponadto kula pozwala na wykrywanie w zakresie 360 ​​stopni z pojedynczej jednostki, zamiast tradycyjnego widoku 20 stopni. Dzięki niewielkim rozmiarom łatwiej jest zintegrować go z systemem, a zmniejszenie liczby jednostek RADAR zmniejsza obciążenie procesora zszywaniem wielu obrazów.

LiDary w pojazdach samojezdnych

LiDAR oznacza Li ght D Detekcja nd R anging, jest to technika obrazowania podobnie jak RADAR ale zamiast przy użyciu fal radiowych używa światła (laser) do obrazowania otoczenie. Z łatwością może wygenerować trójwymiarową mapę otoczenia za pomocą chmury punktów. Jednak nie może dopasować rozdzielczości aparatu, ale nadal jest wystarczająco wyraźny, aby określić kierunek, w którym zwrócony jest obiekt.

Jak działa LiDAR?

LiDAR można zwykle zobaczyć na szczycie pojazdów autonomicznych jako wirujący moduł. Obracając się, emituje światło z dużą prędkością 150000 impulsów na sekundę, a następnie mierzy czas potrzebny na powrót z powrotem po uderzeniu w przeszkodę przed nim. Ponieważ światło porusza się z dużą prędkością, 300 000 kilometrów na sekundę, może z łatwością zmierzyć odległości przeszkody za pomocą wzoru Odległość = (prędkość światła x czas lotu) / 2 i jako odległość różnych punktów w środowisko jest gromadzone, a następnie używane do utworzenia chmury punktów, która może zostać zinterpretowana na obrazy 3D. LiDAR zwykle mierzy rzeczywiste wymiary obiektów, co daje plus, jeśli jest używany w pojazdach samochodowych. Możesz dowiedzieć się więcej o LiDAR i jego działaniu w tym artykule.

Korzystanie z LiDar w samochodach

Chociaż LiDAR wydaje się być nieubłaganą technologią obrazowania, ma swoje wady, takie jak

• Wysokie koszty operacyjne i trudna konserwacja
• Nieskuteczny podczas ulewnego deszczu
• Słabe obrazowanie w miejscach o dużym kącie nasłonecznienia lub silnych odbiciach

Oprócz tych wad firmy takie jak Waymo intensywnie inwestują w tę technologię, aby ją ulepszyć, ponieważ w dużym stopniu polegają na tej technologii w swoich pojazdach, nawet Waymo używa LiDAR jako głównego czujnika do obrazowania środowiska.

Ale nadal istnieją firmy takie jak Tesla, które sprzeciwiają się używaniu LiDAR w swoich pojazdach. Dyrektor generalny Tesli, Elon Musk, niedawno skomentował użycie LiDAR „ lidar to głupiec, a każdy, kto polega na lidarze, jest skazany na zagładę ”. Jego firmie Tesla udało się osiągnąć autonomiczną jazdę bez LiDAR, czujniki zastosowane w Tesli i jej zasięg pokazano poniżej.

Dotyczy to bezpośrednio firm takich jak Ford, GM Cruise, Uber i Waymo, które uważają, że LiDAR jest istotną częścią zestawu czujników. Musk cytuje go jako „ LiDAR jest kiepski, zrzucą LiDAR, zaznacz moje słowa. To moja prognoza ”. Również uniwersytety wspierają decyzję Muska o zrzuceniu LiDAR-ów, ponieważ dwie niedrogie kamery po obu stronach pojazdu mogą wykrywać obiekty z niemal dokładnością LiDAR za ułamek ceny LiDAR. Kamery umieszczone po obu stronach samochodu Tesli pokazano na poniższym obrazku.

Kamery w pojazdach samojezdnych

Wszystkie samojezdne pojazdy korzystają z wielu kamer, aby mieć 360-stopniowy widok na otaczające środowisko. Używa się wielu kamer z każdej strony, takiej jak przednia, tylna, lewa i prawa, a na koniec obrazy są łączone, aby uzyskać widok 360 stopni. Podczas gdy niektóre kamery mają szerokie pole widzenia aż do 120 stopni i mniejszy zasięg, a inne skupiają się na węższym polu widzenia, aby zapewnić widzenie z dużej odległości. Niektóre kamery w tych pojazdach mają efekt rybiego oka, dając bardzo szeroki widok panoramiczny. Wszystkie te kamery są używane z niektórymi algorytmami widzenia komputerowego, które wykonują wszystkie analizy i wykrywanie pojazdu. Możesz również zapoznać się z innymi artykułami dotyczącymi przetwarzania obrazu, które omówiliśmy wcześniej.

Korzystanie z aparatu w samochodach

Kamery w pojazdach są używane od dłuższego czasu z aplikacjami takimi jak wspomaganie parkowania i monitorowanie tyłu samochodów. Obecnie, w miarę rozwoju technologii autonomicznych pojazdów, na nowo przemyślana jest rola kamery w pojazdach. Zapewniając 360-stopniowy widok otoczenia, kamery są w stanie samodzielnie prowadzić pojazdy po jezdni.

Aby uzyskać widok dookoła drogi, kamery są zintegrowane w różnych miejscach pojazdu, z przodu używany jest czujnik kamery szerokokątnej, znany również jako system widzenia obuocznego, a po lewej i prawej stronie zastosowano monokularowe systemy wizyjne, a z tyłu koniec używana jest kamera parkowania. Wszystkie te kamery przesyłają obrazy do jednostek sterujących i zszywa obrazy, aby uzyskać widok przestrzenny.

Inny rodzaj czujników w pojazdach samojezdnych

Oprócz powyższych trzech czujników istnieją inne rodzaje czujników, które są używane w pojazdach samojezdnych do różnych celów, takich jak wykrywanie pasa ruchu, monitorowanie ciśnienia w oponach, kontrola temperatury, zewnętrzne sterowanie oświetleniem, system telematyczny, sterowanie reflektorami itp.

Przyszłość samojezdnych pojazdów jest ekscytująca i wciąż się rozwija, w przyszłości wiele firm będzie startować w wyścigu, a wraz z tymi nowymi przepisami i normami stworzonych zostanie wiele nowych przepisów i norm w celu bezpiecznego korzystania z tej technologii.