LiDAR

LiDAR – повече сигурност, ефективност и автономия в автомобила

Иновативните Lidar сензори са ключова технология в автомобилната индустрия на бъдещето. Множество автоматизирани процеси, които при автономното шофиране играят роля, трудно биха могли да се осъществят без подпомагане от Lidar. Хиляди отделни измервания на разстояния се състоят от 10 до 30 3D снимки в секунда и така генерират точно триизмерно изображение на околността на превозното средство. Подобно и на измерването с радар сензорите помагат за разпознаване на пречки и измерване на разстояния.

Какво представлява LiDAR – Light Detection and Ranging

За разлика от радарното измерване LiDAR, както терминът „Light“ (Светлина) в името издава, използва оптична измервателна процедура. При нея лазерни лъчи се излъчват от сензор и се отразяват от обект. Отразените лазерни лъчи след това се приемат отново от сензор и се оценяват от свързан компютър. За оценката на емисиите на лазерни лъчи на разположение са различни технологични процедури.

Как функционира LiDAR технологията?

Към момента най-разпространеният метод е т.нар. измерване Time to Flight (ToF).

При него се изпраща импулсен инфрачервен лазер (850 и 905 nm) и се измерва времето до обратното разпознаване на отразения лъч от сензора. Предизвикателството при това е, че наличните в дневната светлина инфрачервени дялове със същата дължина на вълните влияят негативно на лъча чрез шум. Поради тази причина лазерните импулси са снабдени с код, подобен на морзовия код. Оценяват се само получените сигнали със същия код. Независимо от това е нужна много висока светлинна мощност за лазерния лъч, така че изпратеният импулс при големи разстояния да не изчезне в шума. Мощността на изпращане обаче трябва да се ограничава поради нуждата от защита на очите на хората. Така обсегът на ToF процедурата е ограничен. Целта е автомобилите с черна боя да се разпознават при разстояние от 200 метра. В момента дистанциите са максимум 80 до 100 метра. За да се определя скоростта от движещи се хора или обекти, с този метод са нужни няколко измервания. Актуално се работи по алгоритми (процес FireFly), за да се увеличи обхвата на метода ToF.

Процесът FireFly разчита на тестване на хипотези, което използва модели на движение на пиксели, за да определи кои са реалистични и кои не в шумни сигнали. Това означава, че само „истински“ точки на измерване се държат съгласно физичните ограничения. „Грешните“ точки на измерване по този начин могат да се филтрират.

Нова процедура е методът Frequency Modulated Continous Wave (FMCW).
FMCW е известен още от радарната техника, въпреки че към момента още не е наличен серийно за LiDAR.

Излъчваният лазерен лъч (1550 nm) се модулира с FMCW метода постоянно и „чурулика“. Това означава, че честотата на сигнала периодично се увеличава и намалява. Ако лазерният лъч достигне обект, той се отразява от него. Въз основа на времето на движение и периодичната промяна в честотата приеманият лъч променя честотата си от тази на изпратения. Разликата между тези две честоти е пропорционална на разстоянието и така дава представа за разстоянието до обекта. Ако обектът се движи, то се стига до допълнително изместване на честотата въз основа на доплеровия ефект. Така може да се определи и скоростта на обекта.

Системите с дължина на вълната 1550 nm (FMCW-LiDAR) са по-издръжливи спрямо слънчевите лъчи и могат да работят с доста по-малка светлинна мощност щадящо за очите (40 пъти по-добра безопасност за очите). FMCW-LiDAR предлага допълнително по-висока резолюция от ToF-LiDAR.

LiDAR сензори

Първите LiDAR сензори бяха много скъпи (> 10 000 €) и механично сложни. Съответно серийното използване в превозното средство бе на практика невъзможно. Въртящи се огледала насочваха лазерния лъч постепенно в желаната посока – както при скенер. Необходимата за това механика е много голяма и тежка и изисква максимална прецизност за въртящите се части.
Освен това тези скенери са чувствителни към вибрация и удар. Едва с разработката на т.нар. сензори Solid State, които се справят без механични части, пътят към серийното включване в превозните средства изглеждаше свободен. Цените в бъдеще трябва да са около трицифрени.
Тук върху отчасти големи колкото кредитна карта сензорни полета се реализират предаватели и приематели за около 80 реда и съответно с повече от 100 точки на ред. Могат да бъдат записвани 25 снимки в секунда.
Ако в автомобила се поставят стратегически повече от тези сензори, става възможен изглед на 360°.

Предимства и недостатъци на LiDAR сензорите

LiDAR сензорите са в състояние да генерират пълно триизмерно изображение на околността на автомобила. Това изображение не оставя място за интерпретации и генерира реални 3D данни. С LiDAR много точно могат да се определят разстояния и скорости на обектите.

LiDAR сензорите имат обаче два сериозни недостатъка:

• Те не могат да разпознават цветове, което прави невъзможно прочитането на пътни знаци.
• При мъгла те имат проблеми – поради влажния въздух инфрачервеният лазер не може да дава надеждни данни.

LiDAR сензори

LiDAR сензорите са съществен компонент, за да може да се направи по-безопасно и да се реализира автономното шофиране.
На практика обаче тази технология има значителни недостатъци. Повечето производители на автомобили са съгласни с това, че е нужна комбинация от LiDAR, радар, камерна техника и GPS (Sensor Fusion), за да може автомобилът в бъдеще да се използва автономно и на трудни пътни участъци.