лидар что это в автомобиле
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.
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.
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
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.
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.
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.
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.
Лидар с 32 вертикальными лучами, сканирующий окружающую среду по горизонтали с угловым разрешением 1 °
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.
Блок-схема типичной лидарной схемы с системой сканирования узким лучом
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.
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.
Лидарный модуль EVAL-ADAL6110-16
Другой комплект, называемый EVAL-ADAL6110-16, представляет собой настраиваемый двумерный лидар со вспышкой для устройств, требующих обнаружения / отслеживания объектов в реальном времени (65 Гц), таких как предотвращение столкновений, мониторинг высоты и системы мягкой посадки. Оптика используемая в этой эталонной конструкции, обеспечивает поле обзора (FOV) 37 ° (азимут) на 5,7 ° (высота). При использовании горизонтально ориентированной 16-ти элементной матрицы, размер пикселя на расстоянии 20 м сравним с размером человека (0,8 х 2 м).
Размеры линейки фотодиодов Hamamatsu S8558
Обработка сигналов основана на чипе ADI ADAL6110-16, который представляет собой 16-ти канальный процессор лидарных сигналов (LSP) с низким энергопотреблением. Он обеспечивает контроль времени освещения объекта и контроль дискретизации принятой волны. Интеграция ключевых блоков в одну микросхему снижает уровень шума, позволяет уменьшить размер и вес сенсора, а также потребление энергии. Модуль получает питание 5 В от USB-разъема и может быть интегрирован с устройством с использованием одного из четырех доступных протоколов связи: SPI, USB, CAN или RS-232.
Основные соотношения углового разрешения сенсора с простой оптической системой
Он поставляется с 16-элементной фотодиодной линейкой Hamamatsu S8558. Размер пикселя для объектива 20 мм составляет 0,8 х 2 мм.
Возможные реализации лидара, которые могут помочь повысить безопасность
Для объектива с фокусным расстоянием 20 мм, вертикальное и горизонтальное поле зрения (FOV) на пиксель можно рассчитать с помощью тригонометрии, как показано на рисунке. Линейка с 16 пикселями подходит для таких устройств, как системы предотвращения столкновений в автономных автомобилях и роботах. Имеется также версия с матричным детектором 4 х 4, позволяющая обнаруживать объекты рядом с определенной точкой и определять направление их движения. Они разработаны для предупреждения водителя о потенциальном столкновении с автомобилем, велосипедом или пешеходом.
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.