Лидар что это такое в автомобиле

Рассматривается принцип работы лазерного лидара , выявляются его преимущества. Лидар позволяет строить объёмную 3D-модель окружающего мира, рассчитывать скорость препятствия и расстояние до него, используя разницу во времени между отправленным и отражённым сигналом. На сегодняшний день не существует альтернативы лидарам с такими же характеристиками точности, компактности и конечной стоимости. Развитие электронных помощников водителям, а также беспилотного транспорта невозможно без использования лидаров .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бопп Виктория Андреевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НАСАДОЧНОГО ТИПА

Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 7. Активные ик системы: лидары, системы ночного видения, 3D — камеры

Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 1. Новые технологии и применения датчиков автомобильных систем помощи водителю

Современные подходы к испытанию систем ADAS на всех этапах разработки
Модифицированный алгоритм построения карты занятости по облаку точек от нескольких лидаров
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Что такое лидары и для чего они нужны беспилотному автомобилю?

При поездке беспилотного автомобиля из точки А в точку Б, используются технологии распознавания препятствий, ограничений и замера расстояний до них. В основе данных технологий лежит устройство лидаров и камер высокой четкости. Также в комплексе работают с лидарами и радарные системы, сканирующие окружающее пространство. В данной статье мы рассмотрим как работает лидар, какие системы лидаров бывают, и кратко коснемся их внутреннего устройства.

Зачем автомобилю нужен лидар?

Но суть лидара состоит в следующем – лазерный луч с вращательной камеры уходит до объекта, отражается, возвращается назад, передавая в процессор данные о предмете, о который отразился луч. Учитываются расстояние до предмета, его геометрические размеры.

По сути лазер лидара является пучком электромагнитных волн высокой частоты, каждая из которых объединяясь с другими, создают лазерный поток.

При этом что касается беспилотного авто , то мощность лидаров автоматически регулируется, в зависимости от местности, по которой едет автомобиль. Так, на узких и коротких улочках, необходимо использовать короткие волны, для измерения расстояний до препятствий и углов. А на просторных и длинных шоссе, проспектах, либо загородных трассах для автомобиля лучше получать информацию о длинных отрезках пути и наличия препятствий на них.

LiDAR технология

Каждую секунду лидар формирует сотни тысяч или несколько миллионов излучений, точнее лазерных лучей, которые доходя до объектов отражаются и приносят информацию для процессора. Который в последующем формирует из таких точек трехмерную 3 D картину изображения окружающего мира. Или как их называют профессионалы – лидарное облако.

Получая сотни тысяч и десятки миллионов точек от лидаров, процессор формирует мгновенно форму каждого объекта, вплоть до разницы в миллиметрах, и далее вычислительная система понимает с какой скоростью и как объезжать то или иное препятствие, где поворот, где прямая дорога, а где стоит забор или ограждение.

На данный момент технологии разработки и программирования лидаров достигли такого уровня, что могут работать даже в темное время суток, формируя цифровую картину окружающей среды.

Перед установкой на автомобили, лидары тестируют. Так, к примеру, компания Яндекс, при разработке своих беспилотных авто, тестировала лидары в разных погодных условиях, в ночное время, а также в разных температурах среды – от минус 30 до плюс 30 градусов по цельсию.

Как обрабатываются данные с лидаров?

Лидары формируют поток данных лазерных сигналов, которые затем оцифровываются, попадая в систему управления автомобилем. В процессе оцифровки системами искусственного интеллекта, определяются координаты предметов, препятствий окружающей среды, проверяются условия на движение или статичность предметов. Определяются размеры и формы предметов. И далее с помощью искусственного интеллекта принимается решение бортовым компьютером о том или ином объезде предметов, с нужной скоростью и по нужной траектории.

Какую роль в работе лидаров играет модулятор Маха Цендера ?

Современные лидары формируют в секунду огромный поток прерывистых лазерных сигналов. С тем, чтобы получить больше возвращаемых лучей и вместе с ними больше данных о предметах и окружающем мире. Но раньше было все не так. Была сложность с формированием огромного количества прерываний и перезапуска направленных потоков излучений лидаров. Было сложно создать большое количество прерываний в единицу времени. И эту проблему решили с помощью фотоники и созданием модулятора Маха Цендера. Далее модулятор Маха Цендера соединили с быстродействующим детектором света, повысили разрешение и качество работы лидара. Образно говоря, с помощью такого лидара, камер, бортовой вычислительной системы, автомобиль начинает видеть дальше, лучше чем обычный человеческий глаз.

Где ставятся лидары и датчики движения у автомобиля?

Раньше, при создании первых беспилотных авто, лидары и системы фотоники ставились на крыше авто, лидар вращался, сканируя таким образом окружающую местность. Сейчас помимо лидара на крыше, у автомобилей ставят мини-лидары в зоне фар, сбоку, сзади, для формирования целостной картины окружающего мира, а также для увеличения глубины сканирования, и улучшенного распознавания препятствий и предметов.

Как работают лидары у квадрокоптеров?

Так, к примеру, компания DJI выпустила лидар для квадрокоптеров, позволяющих решать задачи в топографии, создавать карты местностей, с помощью облаков точек. Лидар способен создавать как обычные, так и цветные точки, для подсвечивания каких-то важных данных или объектов на местности.

Также ранее была сложность у многих лидаров работать с разными поверхностями. Потому что разные поверхности имели различную отражательную способность для взаимодействия с пучками лазеров. И часто данные искажались. Лидар DJI – L1 данную проблему решил.

Конечно, по мощности и производительности, лидары квадрокоптеров проигрывают лидарам автомобилей. Но данные лидары заточены как раз для работы с объектами на высоте. Съемка и получение данных с воздуха требует применения чаще всего длинных волн, соответственно частота сканирования у них не такая высокая как у лидаров машин.

У компании DJI есть специальное оборудование, которое способно обрабатывать 3 D изображения и оцифрованные облака точек, детализировать их, дополнять информацию, и формировать топографические модели местности.

Лидары вместе с камерами, радарами, по сути образуют глаза и дальномер беспилотного транспорта.

Использование технологии LiDAR

Использование технологии Lidar. Система чаще всего используются для геодезических задач. Благодаря своей способности собирать трехмерные измерения, системы лазерного сканирования стали активно использоваться для съемки искусственной среды (например: зданий, дорожных сетей и железных дорог), а также для создания цифровых моделей рельефа (DTM) и рельефа конкретных ландшафтов (DEM).

Лазерное сканирование является популярным методом обнаружения риска наводнений, накопления углерода в лесном хозяйстве и мониторинга береговой эрозии.

С использованием данной технологии также наблюдается повышенный уровень внедрения приложений автоматизации. Многие производители автомобилей используют сканеры меньшего диапазона и с более низкой дальностью, чтобы помочь в навигации автономных транспортных средств. Именно с использованием этой технологии работают системы автоматического управления в автомобилях Тесла и им подобных.

Использование технологии LiDAR

Сферы применение Лидаров

На сегодняшний день наиболее распространенными сферами использования системы лидар являются приложения для географического и атмосферного картографирования. Такие организации, как USGS (Геологическая служба США), NOAA (Национальное управление океанографии и атмосферы) и NASA, десятилетиями использовали лидар для создания карт Земли и космоса.

  • Климатологи используют его, чтобы исследовать состав атмосферы и изучать облака, испарения и глобальное потепление
  • Океанографы используют его для отслеживания береговой эрозии
  • Ботаники используют лидары, чтобы измерить постоянно меняющиеся структуры лесов Земли

Одним из наиболее распространенных применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей, хотя мы обычно думаем, что это радар.

Портативные приборы гораздо чаще используют лазеры с длиной волны 905 нм, которые дешевые, безопасные и очень эффективные.

У лидаров большое будущее, так как данная технология не стоит на месте, постоянно развивая приложения и утилиты. От базовых приложений для датчиков до систем 3D печати, 3D сканирования, моделирования и умных городов. Lidar трансформирует мир разными способами.

Лидар в дополненной реальности (AR)

LiDAR Augmented reality — это технология, которая позволяет пользователю просматривать виртуальный контент так же, как он существовал бы в реальном мире. LiDAR повышает четкость и конечный результат AR систем. Сканер лидара предлагает высококачественное «3D-картирование», которое позволяет другим AR-системам размещать данные поверх карты с высоким разрешением, используя облако точек хорошо дополняя его.
Также ведутся исследования по применению «доплеровского ветра», который позволил бы ясно видеть движение ветра. Этот подход был бы очень полезен для авиационной безопасности, визуализации атмосферных данных, прогнозирования погоды и готовности к стихийным бедствиям.

Лидар в дополненной реальности (AR)

Технология в автономных транспортных средствах

Ожидается, что автономные автомобили скоро появятся на дорогах, которые произведут революцию в автомобильном секторе. Без лидара автономные транспортные средства перестанут существовать. Лидар следует называть глазами автономного транспортного средства, поскольку он смотрит на окружение, вычисляет расстояние, определяет препятствия впереди, освещает объекты лазером, а затем создает цифровое изображение высокого разрешения. Он также используется для предотвращения столкновений, путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки модуля на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков, с помощью которых она решает, когда включать тормоза, замедляться либо ускоряться.

LiDAR и изменение климата

Сверхвысокое разрешение и точные изображения захвата подчеркивают даже мельчайшие детали. По этой причине ученые и геологи все чаще отдают предпочтение данной технологии. Лидар может помочь отслеживать процессы ведения сельского хозяйства более эффективно, чем любой другой метод.

LiDAR в космосе

НАСА разработало для международной космической станции инструмент под названием GEDI (исследование динамики глобальной экосистемы), который обеспечивает уникальное трехмерное изображение лесов Земли и помогает предоставить информацию об углеродном цикле, который ранее не был доступен. GEDI предоставляет жизненно важную информацию о влиянии деревьев на количество углерода в атмосфере. Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранится в лесах, и количество деревьев, которые необходимо посадить, чтобы компенсировать влияние выбросов парниковых газов.

LiDAR в геодезии

Геодезия является одной из самых известных областей применения технологии. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. При съемке материалы собираются очень быстро, превосходя обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительную погрешность, экономят деньги и позволяют принимать решения быстрее. При съемке точки преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности.

LiDAR в археологии

Для исследование старых археологических раскопок, здесь лидар полезен из-за исключительной детализации, которую он может сделать. При этом экономится время, а также усилия археологов, позволяя им «воскрешать» объекты, которые раньше было практически невозможно создать.
Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя, были созданы двумя археологами с помощью лидара. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

LIDAR (Light Detection And Ranging) это световая система обнаружения и измерения дальности. Автономность работы машин и других подобных устройств, основана на использовании лидарных оптических сканеров. В автомобилестроении для автономного вождения используются лидары с дальностью более 100 метров и угловым разрешением 0,1 °, но не всем автономным устройствам требуются такие хорошие параметры. Там где просто нужна помощь при парковке или обнаружение препятствий при уборке, достаточно более простых и дешевых детекторов.

Существует множество технологий измерения дальности, таких как микроволновые радарные датчики, стереоскопические оптические системы, акустические ультразвуковые детекторы и лидары.

Каждый из этих датчиков представляет собой своего рода компромисс между производительностью, размером и ценой решения.

  • Ультразвуковые датчики самые дешевые, но имеют ограниченный диапазон, разрешение и надежность обнаружения.
  • Радарный имеет гораздо лучшую дальность и надежность обнаружения объектов, но заметные ограничения по угловому разрешению.
  • Стереоскопия с двумя камерами может потребовать больших вычислительных мощностей и имеет ограничения по точности, если система не откалибрована должным образом.

Лидар же помогает заполнить эти пробелы благодаря точному измерению дальности, низкому угловому разрешению и небольшим вычислительным ресурсам, необходимым для обработки данных даже на больших расстояниях. Тем не менее лидары обычно воспринимаются как громоздкие и дорогостоящие, что не всегда правда.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Проектирование автономной лидарной системы начинается с определения мельчайшего объекта, который она должна обнаружить, определения коэффициента отражения света и расстояния до него. Это обозначит необходимое угловое разрешение детектора и на основе этого можно дополнительно рассчитать минимальное значение отношения сигнал / шум (SNR), которое необходимо для обеспечения достоверности обнаружения.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Понимание того как работает лидар необходимо для достижения правильного компромисса при проектировании и поиска оптимального решения с точки зрения как стоимости, так и производительности. Например рассмотрим автономный автомобиль, движущийся по дороге со скоростью 100 км / ч, и автономный робот, движущийся по пешеходной зоне или складу со скоростью 5 км / ч. В случае высокой скорости может быть важно учитывать не только само транспортное средство, но и другую машину, движущуюся с той же скоростью в противоположном направлении. Для системы восприятия окружающей среды это эквивалентно приближению объекта с относительной скоростью 200 км / ч. В случае лидарного датчика который обнаруживает объекты на максимальном расстоянии 200 м, транспортные средства уменьшают их взаимное расстояние на 25% в секунду. То есть для устройств высокоскоростного обнаружения объектов необходимы лидары с большей дальностью.

Полезное на сайте:
Модуль отслеживания линий: линейный трекер HW-006

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Разрешение – важная характеристика. Высокое угловое разрешение позволяет принимать сигналы отраженные множеством пикселей от одного объекта. Как показано на рисунке, угловое разрешение 1 ° переводится в пиксели изображения, соответствующие квадратам размером 3,5 метра на расстоянии 200 метров.

Пиксели изображения такого размера больше чем многие объекты которые необходимо обнаружить, что является проблемой. поэтому пространственное усреднение часто используется для улучшения отношения сигнал / шум и, следовательно, обнаруживаемости, но с одним пикселем на объект это невозможно, потому что нет необходимости в усреднении. Более того, даже если объект обнаружен, определить его размер становится невозможно. Ведь осколок или деталь упавшая с автомобиля, животного, дорожного знака или мотоцикла, обычно меньше размера 3,5 метров.

Для определения того, безопасно ли проходить объект, требуется гораздо более высокое разрешение детектора по по вертикальному углу по сравнению с азимутом. Они важны, например, для автономного робота-пылесоса, который движется медленно и должен обнаруживать узкие но высокие объекты, такие как ножки стула.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Определив расстояние и скорость обнаруживаемого объекта, а также последующие требования к характеристикам, можно определить архитектуру (метод обнаружения) лидарной системы. Например Analog Devices предоставляет множество необходимых компонентов для построения такой системы.

AD-FMCLIDAR1-EBZ – эффективная платформа-прототип для лидарного датчика на основе ToF с инфракрасным лазером 905 нм. Он позволяет быстро создавать прототипы робототехнических систем, дронов, сельскохозяйственной и строительной техники, а также решений класса ADAS / AV. Это эталонный проект, предназначенный для разработки устройств с большой дальностью обнаружения.

Источником света управляет встроенный драйвер ADP3634, взаимодействующий с двойным 4-х амперным полевым МОП-транзистором. Детектор представляет собой матрицу из 16 фотодиодов с лавинным дублированием (APD). Они питаются от программируемого источника LT8331, который генерирует высокое напряжение необходимое для их работы. Далее следует 4-х канальный трансимпедансный усилитель (TIA) LTC6561, выбранный из-за низкого уровня шума и высокой пропускной способности.

Сведение к минимуму энергопотребления датчика важно, поскольку меньшее тепловыделение упрощает механическую конструкцию и позволяет уменьшить размер датчика.

Здесь все поле зрения освещается широким расходящимся лазерным лучом за одну короткую вспышку. Обнаружение основано на измерении времени пролета от источника до объекта и обратно (ToF) и матричном датчике (так называемая 2D-камера), с которого каждый пиксель собирает информацию о местоположении и интенсивности отраженного сигнала. Информация о дальности собирается на основе времени пролета лазерного импульса до объекта и обратно.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Рабочий диапазон зависит от частоты дискретизации АЦП. Он также отвечает за точность определения дальности, поскольку позволяет системе точно знать как далеко находится объект, что может быть критичным в случаях когда требуется безопасное перемещение на короткие расстояния, например при парковке авто.

Кроме того, для расчета скорости можно использовать последовательные измерения расстояния, но точность схемы измерения является ключом к достижению надежных результатов. Используя простой алгоритм с порогом, такой как прямой ToF, можно достичь точного измерения расстояния в 15 см для частоты дискретизации 1 нс, то есть с использованием преобразователя 1 Гвыб / с.

Используя интерполяцию данных нескольких последовательных измерений, измерение расстояния может быть дополнительно улучшено за счет статистической обработки данных, обеспечивающей устранение шума. В качестве оценки можно предположить, что точность определения дальности может быть улучшена за счет квадратного корня из отношения сигнал / шум.

Квантовый лидар: новая технология обнаружения, которая выведет автономные транспортные средства на новый уровень?

Индустрия автономных транспортных средств постоянно развивается, внедряя передовые технологии для повышения безопасности и эффективности. Среди этих технологических достижений квантовая область потенциально может сыграть центральную роль в этом совершенствовании. В частности, квантовый лидар, основанный на принципах, связанных с квантовым поведением света, открывает перспективы для оптимизации систем обнаружения, используемых в автономных автомобилях.

Обычный лидар, обеспечивая передовое обнаружение, играет решающую роль в обеспечении безопасности пассажиров и участников дорожного движения. Эта система составляет карту окружающей среды автомобиля, обеспечивая ее очень точное отображение. В сочетании с другими датчиками автономного автомобиля она позволяет в режиме реального времени определять положение и ориентацию автомобиля относительно окружающей среды. Лидар также помогает распознавать полосы движения и обнаруживать дорожную разметку. Благодаря всем этим функциям он может замечать препятствия и избегать их.

Однако, несмотря на неоспоримую эффективность, эта технология имеет свои ограничения, особенно когда речь идет о вмешательстве окружающего света. Сложности возрастают в условиях яркого освещения, особенно когда свет, отраженный от других транспортных средств, мешает работе системы. Именно здесь на помощь приходит квантовый лидар.

Уменьшение световых помех

Вместо использования традиционных лазеров квантовый лидар использует квантовые свойства света с помощью запутанных фотонов. Они генерируются с помощью специального источника (например, нелинейного кристалла) и посылаются в виде лазерных импульсов. Когда фотоны запутаны, это означает, что они тесно коррелированы. Такое квантовое состояние дает возможность лидару более точно обнаруживать и измерять расстояние до окружающих объектов. Фактически, этот процесс включает в себя однофотонное детектирование.

Квантовый детектор, используемый в этой операции, способен работать с большой точностью. Он предназначен для обнаружения и регистрации фотонов, возвращаемых объектами, с которыми взаимодействовали лазерные импульсы.

Благодаря однофотонному детектированию квантовый лидар работает даже в условиях интерференции света. Согласно эксперименту , проведенному исследователями из Университета Гериот-Ватта и Эдинбургского университета, эта технология также эффективна в условиях низкой освещенности. Благодаря однофотонному детектированию исследователи даже смогли получить изображение целей, маскируемых мутной водой и поэтому невидимых для обычных систем визуализации лидар. Это может поставить под сомнение ограничение, наложенное на автономные автомобили третьего уровня, которым в настоящее время запрещено автономное вождение в ночное время.

Квантовый лидар также будет иметь большую дальность обнаружения, что позволит автомобилю раньше обнаруживать удаленные объекты и быстрее предвидеть дорожные ситуации. Это будет полезно для планирования траектории движения и предотвращения столкновений. Одним словом, технология улучшает способность автономных автомобилей принимать более безопасные и надежные решения при вождении, тем самым снижая риск аварий.

Главные преимущества системы

Лидар в самоуправляющемся транспорте – это устройство, которое помогает имитировать карту местности. Это обязательный элемент автономной машины (за редкими исключениями), также как видеокамеры, радиолокаторы или датчики. Лидар – комплект самостоятельно крутящихся зеркал, обычно находящихся на крыше беспилотного автомобиля. Технология может определять различные объекты на расстоянии от пары сантиметров до сотни метров.

Минимальная дистанция, на котором лидар может определить объект, составляет два сантиметра, например у системы GPS минимальное расстояние – 2 метра. Также устройство работает при низкой освещенности, поэтому в любой ситуации и погодных условиях лидар сможет распознать объект.

Эффективность лидара уже была доказана компанией Volvo. Исследования были проведены на полях фермеров. Компания протестировала свои модели грузовиков с лидаром. При вождении обычной фуры фермеры теряли порядка 4% урожая. Грузовики, оснащенные лидарами, имели плавный ход, одинаковую скорость и не пропускали ни одного посева.

Необходимость новых технологий

Многие разработчики беспилотных автомобилей говорят о необходимости установления лидаров на любой автомобиль. Но например, разработчики Tesla пока не торопятся внедрять данную технологию. Недавно были проведены испытания беспилотных моделей компании Tesla и автомобили не смогли правильно сориентироваться в окружающем пространстве, из-за чего возникло несколько аварийных ситуаций. Несмотря на это, пока Tesla отказывается от применения лидаров.

Лидар является один из самых дорогих составляющих беспилотного автомобиля. Стоимость такого устройства может составлять до 75000 долларов. В скором будущем цена будет намного ниже, и многие владельцы автомобилей смогут позволить себе это устройство.

Алгоритмы принятия решений

Это самый важный компонент в любой беспилотной машине — от него зависит, что будет делать машина в любой ситуации:

  • как объехать препятствие;
  • когда включать поворотник;
  • когда нужно снизить скорость перед поворотом;
  • что делать, если на дорогу внезапно выбежит человек.

Для этого используются линейные алгоритмы, нейросети и самообучающиеся алгоритмы — они обрабатывают огромный поток данных со всех радаров, камер и датчиков и принимают решение, что делать дальше. Это позволяет избежать аварии в сложных ситуациях — посмотрите на эту подборку, где автопилот спасает жизни водителей, пешеходов и даже животных:

Но если с такими ситуациями компьютер уже справляется, то с остальными всё пока сложно. И это нас приводит к моральной проблеме беспилотных машин.

Моральная проблема беспилотных машин

Существует принципиальная проблема, которую не могут решить разработчики беспилотных авто — что делать, когда ситуация угрожает жизни пассажиров или пешеходов? Классический пример — едет такая машина с двумя пассажирами, на дорогу внезапно выбегают дети, а единственный способ избежать столкновения с ними — увести машину в столб.

Это не вопрос автоматизации, программирования и алгоритмов — в современном виде инженер может запрограммировать любое поведение машины, и она это исполнит (в рамках законов физики). Проблема в том, что люди ещё не сталкивались с вопросом, как алгоритму доверить такой сложный моральный выбор, связанный с жизнью людей, поэтому ни у кого нет правильного ответа. По этой причине все автомобили с подобными системами до сих пор требуют, чтобы водитель держал руки на руле — и в сложной ситуации сам принял решение.

Получите ИТ-профессию

В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий