Что такое лидары в машине

Лидар: просто о сложном

LIDAR (Light Detection And Ranging — световая система обнаружения и измерения дальности) — технология, которая незаметно, но прочно входит в жизнь автолюбителей. Все больше автомобилей комплектуются лидар-сенсорами, а значит, пришло время рассказать, что здесь к чему. Тем более, что DENSO стоит у истоков автомобильных лидар-технологий.

В середине 1930-х годов был изобретен ЭОП — электронно-оптический преобразователь, в котором электроны, выбитые инфракрасным излучением с фотокатода, разгонялись и фокусировались электромагнитным полем на аноде, буквально рисуя видимое излучение. Технология заинтересовала военных, и на этой основе немецкие и советские конструкторы создали несколько экспериментальных систем ночного видения. Причем немецкая система к концу Второй мировой войны даже пошла в серию. Активный инфракрасный прожектор подсвечивал местность, а оптический приемник улавливал отражение ИК-волн и выводил (пусть и нечеткую) картинку ночной местности.

Приборы ночного видения, созданные на принципе улавливания отраженных в ИК-диапазоне волн, с тех пор прошли долгую эволюцию, и постепенно инфракрасные оптические технологии перестали быть военным эксклюзивом. Принцип взаимодействия с отраженными инфракрасными волнами использует и современный лидар.

Прогресс сделал возможным поместить активный источник инфракрасного излучения и его приемник в компактный корпус. Еще в начале 1990-х годов автомобильным инженерам стало понятно, что при современном росте скоростей и плотности движения необходимо создать технологию автоматического распознавания препятствий впереди машины.

В 1996 году компания DENSO показала оптический датчик, который широким горизонтальным лучом «сканировал» местность впереди машины. Еще через год, в 1997 году, DENSO разработала первый в мире оптический датчик, работающий в двух измерениях. Так компания представила первый лидар современного вида.

Лидар направляет перед собой инфракрасный свет в широком диапазоне (до 180̊) на расстояние до 400 м. Свет частично отражается от препятствий впереди, а частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до препятствия, а в случае с движущимся впереди автомобилем — и его скорость. Множество ИК-лучей и их одновременная обработка позволяют лидару строить 3D-изображение окружающей обстановки:

Мастер на все руки

Помимо этого, благодаря особенностям отражения, лидар «умеет» читать разметку — она отражает ИК-лучи иначе, чем асфальт. Лидару также под силу определить влажность воздуха, наличие осадков и тумана. Впрочем, при интенсивном дожде и снеге лидар пасует и не может адекватно оценить информацию — инфракрасные лучи хаотично преломляются и отражаются каплями воды в воздухе. По этой причине лидар практически всегда дублируется субмиллиметровым радаром (первенство в установке которого на автомобиль, к слову, также принадлежит DENSO).

Сегодня на основе информации, полученной от оптического датчика-лидара, функционируют многие системы безопасности автомобиля. Это и адаптивный круиз-контроль, и система аварийного торможения, и система распознавания дорожной разметки и удержания в полосе. Большим плюсом лидара по сравнению с радаром является его относительно дешевизна, а также простота и отработанный процесс производства. Лидар можно сравнить с оптической технологией, применяемой в дистанционных пультах для бытовой техники — никто уже давно не удивляется их наличию. Примерно то же ждет лидар в контексте использования в автомобильной промышленности.

Создание все более сложных, умных и надежных систем безопасности — это одна из глобальных целей DENSO. Однако не стоит забывать и о простом. К примеру, о том, что основа основ безопасности автомобиля – это нормальный обзор. Который обеспечивают качественные щетки стеклоочистителя. Подобрать подходящие щетки DENSO можно с помощью электронного каталога.

Источник

LIDAR от Mazda. Тестируем, ставим на Lada

Здравствуйте.
В этот раз мне в руки попал самый настоящий LIDAR от автомобиля Mazda CX5, примерно 2012г. выпуска. В этой статье я намерен разобрать модуль и включить его на столе. И самое смешное, я установлю сей LIDAR в Datsun Mido (Лада Калина в девичестве).

Хоть на девайсе и написано LIDAR, по сути это такая лазерная автомобильная рулетка, которая способна измерять расстояние до впереди идущего объекта. Основная функция—Обеспечение срабатывания автоматического торможения в случае опасного сближения с другим автомобилем, или, например, стеной. Устройство является одним из основных в комплексе ADAS автомобилей Mazda и производится компанией Continental (они не только шины делают из резины). Опция ADAS называется CitySafety. Автоматическая система торможения называется у Mazda –SCBS. Дальность обнаружения препятствия 6 м, работает система на скорости до 40 км/ч. По заверениям производителя система поможет предотвратить аварию на скорости до 15 км/ч и снизить тяжесть аварии на скорости до 30 км/ч.

Пример работы системы:

Отмечу что на сайте производителя (ссылка) удалось найти достаточно подробную документацию на модуль. Из документации следует что устройство разрабатывалось не под конкретную марку автомобилей, имеет достаточно развитое внутреннее ПО позволяющее измерять дальность до объекта, а также скорость этого объекта.
Вот выдержка из документации об основных ТТХ:

Характеристики заявленные производителем сенсора:

Приступим к осмотру и препарации

Устройство достаточно компактное, имеет три стеклянных «глаза». Два линзы для приема отраженного излучения и одна линза Френеля для формирования необходимой проекции лазерного луча. Собрано в пластиковом корпусе без использования винтов. Все на клипсах.

Внутренности с нижней стороны

Здесь расположен излучающий ИК элемент –совсем непохожий на лазер. Под излучателем располагается ИК фотодиод, контролирующий наличие излучения. Управляет системой специализированный для automotive применений 16-битный микроконтроллер MC9S12XEG128. Так же с этой стороны расположены элементы импульсного источника питания.

Внутренности с верхней стороны

Здесь мы видим таинственную микросхему от ST, которая, судя по всему, реализует функции лазерного дальномера. CAN трансивер, пустое место под еще один CAN трансивер, две линзы приемника и плату с ИК фотоэлементами. Непосредственно под линзами располагаются два ИК светодиода, которые служат для проверки работоспособности приемника. Эти элементы видно на фото со снятыми линзами. В документации на прибор сказано, что измерения проводятся по трем независимым каналам, мы может в этом убедиться увидев три приемных элемента.

Подключение на столе

Прежде чем подключать устройство согласно даташиту, я определил назначение пинов разъема самостоятельно. Устройство оказалось простым в подключении, потребовалось найти только питание 12В и CAN bus. В документации CAN bus располагался на других пинах, в моем случае они не использовались и пустое место трансивера предназначалось как раз для них. Скорость передачи в моем канале CAN –500 kbit\s, в неиспользуемом, судя по документам—1Mbit\s.

Девайс я подключил к обычному типовому лабораторному источнику а CAN шину к осциллографу Tektronix с декодером CAN. Сразу после включения ток потребления составил 90 мА, со всплесками до 130мА примерно раз в секунду. Сделал вывод о том, что лидар начал включать лазер. CAN шина так же ожила сразу, появился один единственный пакет, который осциллограф с легкостью распознал.

ID: 0x21D
DLC 8 byte
DATA: 0x7F 0x3F 0xFF 0x00 0x00 0x00 0xD2 0x94

Установка в автомобиль и тестирование.

Устанавливать “лидар” в свой авто я стал по аналогии с маздой. Просто приклеил его на двусторонний скотч на лобовое стекло в районе зеркала заднего вида. Питание подал с разъема прикуривателя.

К CAN подключился при помощи сделанного собственноручно 10 лет назад адаптера, совместимого с широкоизвестной программой CAN-Hacker. В отличии от первого включения на столе, первый байт пакета начал сразу активно меняться, пока лидар не зафиксировали на лобовике. Исходя из чего я сделал вывод, что это байт отвечает за измеренное расстояние.

В руководстве по протоколу общения лидара с внешним миром описывается достаточно много передаваемых параметров. В нашем случае удалось добиться только измерения расстояния до впереди находящегося объекта.

Тестирование

Для тестирования в качестве мишени был выбран автомобиль друга. Тест заключался в следующем:

0x7F — цель потеряна

Выяснилось что лидар уверенно измеряет расстояние до цели не более 4х метров. На мой взгляд это не лучший результат для датчика системы экстренного торможения. Возможно, устройство работало в каком-то упрощенном или тестовом режиме и на автомобиле девайс измеряет расстояние в более широком диапазоне. Мы так же проводили эксперимент с большой глянцевой доской белого цвета, в этом случае расстояние измерялось до 5 метров.

Резюме

Mazda Short range LIDAR производства Continental интересное устройство. Хотелось бы что бы диапазон измерения дальности выходил за приделы 4-х метров. Если будет возможность, попробую сконфигурировать его в режим который описан в документации и позволяет измерять большие расстояния и скорости объектов. Возможно получится оживить второй канал CAN. Если вдруг есть кто-то желающий поковырять прибор в Новосибирске, буду рад совместным трудам.

Добавлю, что устройство достаточно легко найти на разборах по цене от 3000 до 6000 рублей.
Каталожный номер: GHP9-67XD0

Ну и напоследок кино про устройство снятое в меру собственных возможностей.

Источник

Беспилотный флот Яндекса перешёл на собственные лидары: почему это важно и что в них особенного

Если вы видели наши беспилотные автомобили вживую или на фотографиях, вы наверняка замечали у них на крыше установку, которой нет у обычных машин. Внутри неё, среди прочего, размещается лидар — один из основных сенсоров беспилотного автомобиля. С 2021 года мы используем во всех наших беспилотных автомобилях последнего поколения лидары собственной разработки.

Важная особенность нашего лидара — он может в реальном времени менять свои параметры и адаптироваться под дорожную ситуацию. Например, на скоростных шоссе лучше «видеть» машины вдалеке, а на узких улицах более детально разглядеть пешеходов вблизи автомобиля.

Мы расскажем о том, как в 2019 году начали делать свои лидары, какими характеристиками обладает программируемый лидар и почему собственный сенсор так важен для дальнейшей разработки беспилотных технологий.

Зачем беспилотнику нужен лидар

Лидары, камеры и радары — «глаза» большинства беспилотных автомобилей. С их помощью беспилотная система распознаёт окружающий мир, например сигналы светофоров, автомобили и людей, измеряет размеры окружающих объектов, их скорости и расстояния до них. Благодаря этому у машины есть данные, чтобы понимать, как безопасно перемещаться по дорогам и реагировать на дорожные ситуации.

Один из основных сенсоров беспилотного автомобиля — лидар. Он каждую секунду испускает миллионы безопасных для людей лазерных лучей, которые отражаются от объектов и возвращаются обратно. Получается лидарное облако — совокупность точек, которые создают трёхмерную картину окружающего мира. По отражённым сигналам лидара можно определить форму объектов и расстояние до них с точностью до сантиметра.

Лидар может определять точные очертания объектов на расстоянии в сотни метров — эту информацию не получить с камер и радаров. Ещё лидар «видит» в темноте, а благодаря алгоритмам фильтрации шумов автомобили могут уверенно ориентироваться в пространстве даже в сложных погодных условиях вроде снега или дождя.

Также лидар помогает беспилотному автомобилю понимать своё положение в пространстве — для этого система в реальном времени сравнивает трёхмерный скан окружения с загруженными в систему трёхмерными картами.

Так выглядит изображение с лидара. Можно увидеть дороги, пешеходов, припаркованные машины, стоянку самокатов и другие объекты вокруг беспилотного автомобиля

Первые лидары Яндекса

Изначально мы использовали лидары других компаний, но их возможности были ограничены теми функциями, что закладывает производитель. С 2019 года мы сами проектируем лидары — они помогают нашей системе беспилотного управления лучше решать задачи, с которыми ей приходится сталкиваться.

Мы начали с двух прототипов. Они имели разную конструкцию: первый лидар располагал вращающимся блоком, а второй был неподвижным. Оба наших лидара имели параметры дальности и разрешения сравнимые с лидарами стороннего производителя.

На создание прототипов ушло девять месяцев. Когда лидары были готовы, мы установили их на нескольких беспилотных машинах, чтобы понаблюдать, как они поведут себя в эксплуатации, и сравнить их друг с другом.

Неподвижный лидар лучше проявил себя на испытаниях. Во-первых, такая конструкция в целом надёжнее — в ней нет тяжелой подвижной электронки, поэтому она лучше переносит тряску и морозы. Во-вторых, из-за особенностей конструкции лидар был более гибок в настройке, а задавать нужные параметры можно было как заранее, так и прямо во время поездки, на ходу. Именно эта конструкция легла в основу лидаров, которые мы сейчас устанавливаем на наши машины.

В чём преимущества

Параметры лидара можно менять в реальном времени

Параметры лидара — количество лучей, угол обзора, дальность — можно изменять заранее или во время поездки. За счёт этого беспилотный автомобиль лучше подстраивается под разные дорожные ситуации.

Например, при движении по узким улицам мы можем сконцентрировать большую часть лучей на дороге перед автомобилем, чтобы повысить плотность лидарного облака вблизи и детально разглядеть людей и небольшие объекты, например дорожные конусы.

На широких скоростных трассах наоборот: мы можем сосредоточиться на объектах, которые находятся в отдалении. Это позволяет заранее понять обстановку впереди: где находятся машины, нет ли аварий или дорожных работ. Наш лидар может распознать легковой автомобиль на расстоянии в 200 метров, а фуру на расстоянии в 500 метров.

На картинке ниже — момент выезда беспилотного автомобиля с узкой улицы на широкий проспект. Лидар переключается на сканирование дальних объектов — можно заметить, что автомобили вдалеке стали чётче:

Благодаря лидарам, которые способны отчётливо «видеть» объекты вдалеке, беспилотному автомобилю проще определять своё местоположение. Это особенно важно в зонах с не очень плотной застройкой вокруг дороги — на эстакадах, широких проспектах и шоссе. Автомобиль различает здания на расстоянии 600 метров и получает достаточно данных для сравнения с трёхмерной картой.

Менять параметры лидара можно и для более сложных задач. Например, если алгоритмы сигнализируют, что какой-то объект сложно определить в текущих условиях, мы можем увеличить плотность лидарного облака в этой зоне.

На видео показано, как «видит» мир центральный лидар. Дополнительные лидары по бортам и спереди автомобиля исключены из демонстрации:

Лидар стал надёжнее

В наших лидарах нет подвижной электроники: они меньше изнашиваются со временем и не так подвержены температурным искажениям, как вращающиеся лидары.

Во время тестов наши лидары показали одинаково хорошую работу при температуре от −30 до +30°С. Благодаря этому их можно использовать практически всюду — и в жарких странах, и в местах, где бывает морозная зима.

Доступ к «сырым» данным позволил улучшить распознавание объектов

Имея свой лидар, можно получить доступ к его «сырым» данным — то есть к данным в том виде, какой они имеют до обработки на устройстве. Лидары сторонних производителей такой возможности обычно не дают: в них данные фильтруются на этапе сбора.

«Сырые» данные можно проанализировать и сопоставить с данными с других сенсоров. Это позволяет научиться лучше распознавать окружающий мир. Мы также создаём специализированные наборы данных для сложных и уникальных объектов на дорогах и обучаем на них алгоритмы.

Свои лидары помогают оптимизировать затраты

Лидары, созданные в Яндексе, стоят столько же, сколько и лидары стороннего производителя, которые мы использовали раньше. При этом они лучше подходят для наших задач: «видят» дальше, точнее распознают объекты и способны подстраиваться под разные ситуации на дороге.

На сегодняшний день из всех компаний, которые делают беспилотные автомобили, лишь четыре используют лидары собственной разработки. Яндекс — одна из них.

Сейчас лидарами, разработанными в Яндексе, оснащены все наши беспилотные автомобили четвёртого поколения. Машины проехали с ними уже более полумиллиона километров. Свои лидары мы будем устанавливать и на все новые автомобили.

На создание лидара в общей сложности ушло два с половиной года — это относительно небольшой срок. Мы смогли уложиться в него, потому что к началу разработки уже располагали внушительным флотом беспилотных машин и могли сразу же приступать к тестированию разработок.

Мы продолжаем совершенствовать лидары и разрабатывать новые. Например, сейчас мы тестируем прототипы боковых лидаров для распознавания объектов на близких расстояниях и проектируем основной лидар для наших роботов-курьеров.

Источник

Автомобильный лидар – что это такое и как работает

Если вы видели автономные автомобили на фотографиях или вживую, то заметили – сверху у них на крыше закреплена какая-то странная штука.

Иногда она похожа на сирену, как в случае с прототипами Waymo от Google, что придает им вид очаровательного полицейского автомобиля.

Но, чаще эта штуковина напоминает крутящуюся консервную банку, установленную на распорках.

Это устройство на беспилотных автомобилях является лидаром, оборудованием, которое наделяет машину «зрением».

Слово лидар (LIDAR) состоит из начальных букв четырех английских слов – Light Identification Detection and Ranging, что означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».

Однако, в этом году данная ситуация может измениться благодаря появлению так называемых твердотельных лидаров высокого разрешения и стоимостью всего несколько сотен долларов. На самом деле, слово твердотельные – не очень корректно. Лидары нового поколения отличаются от предыдущих, своей неподвижностью (статичностью).

Но, их изобретение серьезно приближает момент массового появления беспилотного транспорта на дорогах. Поэтому стоит понять, что такое автомобильный лидар, и в частности статичный (твердотельный).

Как работает автомобильный лидар

Слово «лидар» передает саму суть его функционирования – это радар, который работает на световых волнах. Вспомнив школьную физику, мы знаем – излучая радиоволны, радар определяет расстояние до объекта на основании времени, которое требуется радиоволне для отражения от объекта.

Лидар действует по схожей схеме, но использует для этого не радиоволны, а короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Для получения более точной информации, лидары используют инфракрасное излучение и ближнее ультрафиолетовое.

Но, беспилотному автомобилю нужны данные о десятках объектов вокруг. Поэтому он крутится вокруг своей оси, испуская множество световых вспышек, и таким образом формирует из «облака точек» трехмерное 360-градусное изображение окружающей обстановки. И делать он это может в любых средах, погодных условиях и независимо от времени суток.

В этом музыкальном клипе группы Radiohead видно, как из таких «точек» формируется картинка.

Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. И лидар выполняет критически важную функцию – он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.

GPS в данном случае непригодно – оно определяет местоположение с формированием круга диаметром около 5 м, а лидар делает это с точностью до 10 см.

Что такое уровни автономности автомобиля

Уровень автономности – это международные критерии, принятые, дабы объяснить, насколько тот или иной транспорт является самостоятельным.

Существует 6 уровней автономности

И вот лидар необходим при автономности уровня 4 и выше.

Что такое статичный автомобильный лидар

На сегодняшний день большинство лидаров – это дорогостоящие подвижные устройства.

А вот статичные лидары – другое дело. Сделанные главным образом из кремния, в них нет подвижных частей и используется лазер с изменяемой длиной волны. Такое устройство легкое, маленькое, потребляет мало энергии (работает на батарейке АА), быстрое и точное, работает при любых погодных условиях, и стоит не тысячи, а сотни долларов.

Твердотельный лидар не просто дешевле, он очень быстрый, высокоточный и работает дольше. Электромеханический лидар выдерживает максимум 2000 часов, что меньше, чем требуется на год эксплуатации автомобиля, а твердотельный – до 100 000 часов.

Когда беспилотные автомобили станут массовым продуктом

Предполагается, что первые твердотельные лидары Quanergy начнут устанавливать на серийный электромобиль Fisker EMotion с запасом хода до 640 км на одной зарядке.

А вот массовое появление беспилотных автомобилей, использующих технологию твердотельных лидаров, ожидают в 2020-2023 годах. Считается, что к этому времени минимум одна модель автономного транспорта будет почти у каждого крупного автопроизводителя. И хотя поначалу, скорее всего, способностью к автономности будут наделять дорогие и роскошные модели, очень скоро ею оснастят и бюджетные машины.

Источник