LiDAR

LiDAR – větší bezpečnost, efektivita a autonomie ve vozidle

Inovativní senzory Lidar jsou klíčovou technologií v automobilovém průmyslu budoucnosti. Řadu automatizovaných procesů, které hrají roli v autonomním řízení, by bylo obtížné realizovat bez podpory Lidaru. Tisíce jednotlivých měření vzdáleností se skládají z 10 až 30 3D snímků za sekundu a vytvářejí přesný trojrozměrný obraz okolí vozidla. Podobně jako v případě měření radarem pomáhají senzory detekovat překážky a měřit vzdálenosti.

Co je LiDAR – Light Detection and Ranging

Na rozdíl od měření radarem využívá LiDAR, jak napovídá výraz „light“ v názvu, optickou metodu měření.
Senzor vysílá laserové paprsky a ty jsou odráženy objektem. Odražené laserové paprsky jsou pak opět přijímány senzorem a vyhodnocuje je připojená počítačová jednotka.

Pro vyhodnocování emisí laserového paprsku jsou k dispozici různé technologické metody.

Jak funguje technologie LiDAR?

Nejběžnější metodou je v současnosti takzvané měření doby letu (Time to Flight = ToF).

Jedná se o časový úsek, který potřebuje infračervený laserový pulz (850 a 905 nm), aby urazil vzdálenost od senzoru po místo odrazu a zpátky do senzoru. Problémem je, že infračervené složky stejné vlnové délky přítomné v denním světle negativně ovlivňují paprsek prostřednictvím šumu. Z tohoto důvodu jsou laserové pulzy opatřeny kódem, podobně jako u Morseovy abecedy. Vyhodnocují se pouze přijaté signály se stejným kódem.
Bez ohledu na to je pro laserový paprsek vyžadován velmi vysoký světelný výkon, aby vysílaný pulz nezanikl v šumu na větší vzdálenosti. Vysílací výkon však musí být omezen z důvodu ochrany očí osob. To omezuje dosah použití metody ToF. Cílem je rozpoznat auta s černým lakem i na vzdálenost 200 metrů. V současné době je maximální dosah 80 až 100 metrů.
K určení rychlosti pohybujících se osob nebo předmětů je při této metodě zapotřebí několik měření. V současné době se pracuje na algoritmech (proces FireFly), které mají zvýšit dosah metody ToF.Proces FireFly se opírá o testování hypotéz, které využívají vzory pohybu pixelů v zašuměných signálech k určení, které jsou realistické a které nikoli. To znamená, že pouze „skutečné“ měřicí body se chovají v souladu s fyzikálními limity. Lze tak odfiltrovat „nesprávné“ body měření.

Novější metodou je metoda Frequency Modulated Continous Wave (FMCW).
Technologie FMCW je již známá z radarové technologie, ale pro LiDAR zatím není k dispozici v sériové výrobě.

Vysílaný laserový paprsek (1550 nm) je kontinuálně modulován a „chirpován“ pomocí metody FMCW. To znamená, že frekvence signálu se periodicky zvyšuje a snižuje. Když laserový paprsek dopadne na objekt, odrazí se od něj. V důsledku doby letu a periodické změny frekvence se frekvence přijímaného paprsku liší od právě vyslaného. Rozdíl mezi těmito dvěma frekvencemi je úměrný vzdálenosti, a poskytuje tak informaci o vzdálenosti k objektu. Pokud se objekt pohybuje, dochází v důsledku Dopplerova jevu k dalšímu frekvenčnímu posunu. Tímto způsobem lze také určit rychlost objektu.

Systémy s vlnovou délkou 1550 nm (FMCW-LiDAR) jsou odolnější vůči slunečnímu záření a mohou pracovat šetrněji k očím s výrazně nižším světelným výkonem (40krát vyšší bezpečnost pro oči). FMCW-LiDAR navíc nabízí vyšší rozlišení než ToF-LiDAR.

Senzory LiDAR

První senzory LiDAR byly velmi drahé (> 10 000 eur) a mechanicky složité. Sériové použití ve vozidle bylo tedy více než sporné. Otáčející se zrcadla směrovala laserový paprsek řádek po řádku požadovaným směrem – jako skener. Mechaniky, které jsou k tomu zapotřebí, jsou velmi velké a těžké a vyžadují nejvyšší přesnost rotujících částí.
Kromě toho jsou tyto skenery velmi citlivé na vibrace a nárazy. Teprve když byly vyvinuty tzv. Solid State senzory, které nevyžadovaly žádné mechanické části, zdálo se, že cesta do sériových vozidel je volná. Očekává se, že ceny se v budoucnu ustálí na trojmístných číslech.
Zde jsou realizovány vysílače a přijímače pro přibližně 80 řádků a s více než 100 body na řádek na senzorových polích, která mají částečně velikost šekové karty. Lze pořídit 25 snímků za sekundu.
Strategickým umístěním několika těchto snímačů na vozidle je umožněn 360° pohled do všech stran.

Výhody a nevýhody senzorů LiDAR

Senzory LiDAR jsou schopny generovat kompletní trojrozměrný obraz okolí vozidla.
Tento snímek neponechává žádný prostor pro interpretace a vytváří skutečná 3D data.
Pomocí systému LiDAR lze velmi přesně určit vzdálenost a rychlost objektů.

Senzory LiDAR však mají dvě velké nevýhody:

• Nerozeznávají barvy, což jim znemožňuje číst dopravní značky.
• Problémy mají v mlze – vlhký vzduch znamená, že infračervený laser již nemůže poskytovat spolehlivé údaje.

Senzory LiDAR

Senzory LiDAR jsou nezbytnou součástí pro zvýšení bezpečnosti autonomního řízení a pro jeho realizaci. V praxi se však projevují i značné nevýhody této technologie. Většina výrobců vozidel se shoduje na tom, že k tomu, aby mohl automobil v budoucnu autonomně fungovat v obtížných dopravních úsecích, bude zapotřebí kombinace technologií LiDAR, radarů, kamer a GPS (fúze senzorů).