- Historie samořídících automobilů
- Různé typy senzorů používaných v autonomních / samojízdných vozidlech
- RADARY v samořídících vozidlech
- LiDars ve vozidlech s vlastním řízením
- Kamery v samořídících vozidlech
- Jiný typ senzorů v samořídících vozidlech
V hezké ráno přecházíte silnici, abyste se dostali do své kanceláře na druhé straně, jen když jste v polovině cesty, všimnete si kusu kovu bez řidiče, robota, který postupuje směrem k vám a dostanete se do dilematu, který se rozhodne překročit silnice nebo ne? Silná otázka tlačí vaši mysl: "Všimlo si mě auto?" Pak pocítíte úlevu, když zjistíte, že se rychlost vozidla automaticky zpomaluje a vytváří z vás cestu ven. Ale vydržte, co se právě stalo? Jak stroj získal inteligenci na lidské úrovni?
V tomto článku se pokusíme odpovědět na tyto otázky tím, že se důkladně podíváme na senzory používané v samořídících automobilech a na to, jak se připravují na řízení automobilů naší budoucnosti. Než se do toho ponoříme, pojďme se také seznámit se základy autonomních vozidel, jejich jízdními standardy, hlavními klíčovými hráči, jejich současnou fází vývoje a nasazení atd. K tomu všemu budeme uvažovat o samořídících automobilech, protože tvoří významný trh podíl autonomních vozidel.
Historie samořídících automobilů
Auta s vlastním pohonem bez řidiče původně vyšla ze sci-fi, ale nyní jsou téměř připravena vyrazit na cestu. Ale technologie se neobjevila přes noc; experimenty na samojízdných automobilech začaly koncem dvacátých let minulého století, kdy vozy byly dálkově ovládány pomocí rádiových vln. Slibná studie s těmito vozy však začala vycházet v letech 1950 až 1960 a byla přímo financována a podporována výzkumnými organizacemi, jako je DARPA.
Věci začaly být realistické až v roce 2000, kdy se začaly objevovat technologičtí giganti, jako je Google, a dali tak ránu svým konkurenčním polním společnostem, jako jsou General Motors, Ford a další. Google začal vývojem svého projektu s vlastním pohonem, který se nyní nazývá Google waymo. Taxi společnost Uber také přišla s jejich self-jízdy autem v řadě spolu s konkurencí s Toyota, BMW, Mercedes Benz a dalších významných hráčů na trhu, a v době, kdy Tesla poháněných Elon Musk také narazil na trh, aby se věci pikantní.
Řidičské standardy
Mezi pojmem auto s vlastním pohonem a plně autonomním vozem je velký rozdíl. Tento rozdíl je založen na úrovni jízdního standardu, která je vysvětlena níže. Tyto standardy stanoví sekce J3016 mezinárodního sdružení strojírenského a automobilového průmyslu SAE (Society of Automotive Engineers) a v Evropě Federal Highway Research Institute. Jedná se o klasifikaci na šesti úrovních od úrovně nula po úroveň pět. Nicméně úroveň nula nepředpokládá automatizace, ale úplnou kontrolu nad lidskou vozidla.
Úroveň 1 - Pomoc řidiče: Nízkoúrovňová asistence automobilu, například ovládání zrychlení nebo řízení, ale ne obojí současně. Zde hlavní úkoly, jako je řízení, rozbití, poznání okolí, stále řídí řidič.
Úroveň 2 - Částečná automatizace: Na této úrovni může vůz pomáhat jak řízení, tak zrychlení, zatímco většina kritických funkcí je stále sledována řidičem. Toto je nejběžnější úroveň, kterou dnes můžeme najít v automobilech, která jsou na silnicích.
Úroveň 3 - Podmíněná automatizace: Přejděte na úroveň 3, kde auto monitoruje podmínky prostředí pomocí senzorů a provádí nezbytné akce, jako je brzdění a rozjíždění volantu, zatímco lidský řidič je tam, aby zasáhl systém, pokud dojde k neočekávané situaci.
Úroveň 4 - Vysoká automatizace: Jedná se o vysokou úroveň automatizace, při které je vůz schopen dokončit celou cestu bez lidského zásahu. Tento případ však přichází s vlastní podmínkou, že řidič může přepnout auto do tohoto režimu pouze v případě, že systém zjistí, že dopravní podmínky jsou bezpečné a nedochází k dopravní zácpě.
Úroveň 5 - Plná automatizace: Tato úroveň je určena pro plně automatizovaná vozidla, která dosud neexistují. Inženýři se snaží to uskutečnit. To nám umožní dosáhnout našeho cíle bez manuálního ovládání řízení nebo brzd.
Různé typy senzorů používaných v autonomních / samojízdných vozidlech
V autonomních vozidlech se používají různé typy senzorů, ale mezi hlavní patří použití kamer, radarů, LIDAR a ultrazvukových senzorů. Poloha a typ snímače používané v automobilech autonomních jsou uvedeny níže.
Všechny výše zmíněné senzory dodávají data v reálném čase do elektronické řídicí jednotky známé také jako Fusion ECU, kde jsou data zpracovávána za účelem získání 360stupňových informací o okolním prostředí. Nejdůležitější senzory, které tvoří srdce a duši vozidel s vlastním řízením, jsou senzory RADAR, LIDAR a kamery, ale nemůžeme ignorovat příspěvek dalších senzorů, jako je ultrazvukový senzor, snímače teploty, snímače detekce jízdního pruhu a GPS.
Níže zobrazený graf pochází z výzkumné studie provedené na patentech Google zaměřené na použití senzorů v autonomních nebo samohybných vozidlech, studie analyzuje počet patentových polí pro každou technologii (více senzorů včetně, Lidar, sonar, radar & kamery pro detekci, klasifikaci a sledování objektů a překážek) pomocí základních senzorů používaných v každém samohybném vozidle.
Výše uvedený graf ukazuje trendy v registraci patentů u vozidel s vlastním řízením, přičemž se soustřeďuje na použití senzorů, protože je možné interpretovat, že vývoj těchto vozidel s pomocí senzorů začal kolem sedmdesátých let. Přestože vývojové tempo nebylo dostatečně rychlé, ale rostlo velmi pomalým tempem. Důvodů může být mnoho, jako jsou nevyvinuté továrny, nevyvinutá správná výzkumná zařízení a laboratoře, nedostupnost špičkových výpočetních systémů a samozřejmě nedostupnost vysokorychlostního internetu, cloudových a hranových architektur pro výpočet a rozhodování o samohybných vozidlech.
V letech 2007–2010 došlo k náhlému růstu této technologie. Protože v tomto období za to byla zodpovědná pouze jedna společnost, tj. General Motors, a v příštích letech se k tomuto závodu přidal technologický gigant Google a nyní na této technologii pracují různé společnosti.
V nadcházejících letech lze předpovědět, že do této technologické oblasti přijde celá nová sada společností, která bude výzkum dále různými způsoby.
RADARY v samořídících vozidlech
Radar hraje důležitou roli tím, že pomáhá vozidlům porozumět jeho systému, již jsme dříve postavili jednoduchý ultrazvukový radarový systém Arduino. Radarová technologie poprvé našla své široké použití během druhé světové války, přičemž aplikace německého vynálezce Christiana Huelsmeyera patentovala „telemobiloskop“ časnou implementaci radarové technologie, která dokázala detekovat lodě vzdálené až 3000 m.
Rychle vpřed dnes vývoj radarové technologie přinesl po celém světě mnoho případů použití v armádě, letadlech, lodích a ponorkách.
Jak funguje radar?
RADAR je zkratka pro ra dio d etection nd r anging, a do značné míry z jeho názvu lze chápat, že to funguje na rádiových vlnách. Vysílač vysílá rádiové signály do všech směrů a pokud v cestě stojí nějaký předmět nebo překážka, tyto rádiové vlny se odrážejí zpět do radarového přijímače, rozdíl ve frekvenci vysílače a přijímače je úměrný době jízdy a lze jej použít k měření vzdálenosti a rozlišovat mezi různými typy objektů.
Níže uvedený obrázek ukazuje graf radaru a příjmu, kde červená čára je vysílaný signál a modrá čára jsou přijímané signály z různých objektů v čase. Protože známe čas vysílaného a přijímaného signálu, můžeme provést FFT analýzu pro výpočet vzdálenosti objektu od snímače.
Použití RADARU v autě s vlastním řízením
RADAR je jedním ze senzorů, které jezdí za plechem vozu, aby se stal autonomním, je to technologie, která se vyrábí ve vozech od 20 let až do současnosti, a umožňuje vozu mít adaptivní tempomat a automatický nouzové brzdění. Na rozdíl od kamerových systémů, jako jsou kamery, vidí v noci nebo za špatného počasí a dokáže předvídat vzdálenost a rychlost objektu ze stovek yardů.
Nevýhodou RADARu je, že ani vysoce pokročilé radary nemohou jasně předpovídat své prostředí. Vezměte v úvahu, že jste cyklista stojící před autem, zde Radar nedokáže s jistotou předpovědět, že jste cyklista, ale dokáže vás identifikovat jako předmět nebo překážku a může přijmout nezbytná opatření, také nedokáže předpovědět směr v kterému čelíte, dokáže detekovat pouze vaši rychlost a směr pohybu.
Abyste mohli řídit jako lidé, musí vozidla nejprve vidět jako lidé. Je smutné, že RADAR není příliš podrobný, musí být použit v kombinaci s jinými senzory v autonomních vozidlech. Většina společností vyrábějících automobily, jako je Google, Uber, Toyota a Waymo, se silně spoléhá na další senzor s názvem LiDAR, protože jsou specifické podle konkrétních detailů, ale jejich dosah je pouze několik stovek metrů. Jedná se o jedinou výjimku pro autonomní výrobce automobilů TESLA, kteří používají jako svůj primární senzor RADAR a Musk je přesvědčen, že LiDAR nikdy ve svých systémech potřebovat nebudou.
Dříve se s radarovou technologií nedělo příliš mnoho vývoje, ale nyní s jejich významem pro autonomní vozidla. Pokrok v systému RADAR přináší řada technologických společností a startupů. Níže jsou uvedeny společnosti, které znovu objevují roli RADARU v mobilitě
BOSCH
Nejnovější verze softwaru RADAR od společnosti Bosch pomáhá vytvářet místní mapu, po které může vozidlo jezdit. Používají mapovou vrstvu v kombinaci s radarem, který umožňuje zjistit polohu na základě informací GPS a RADAR podobně jako při vytváření silničních podpisů.
Přidáním vstupů z GPS a RADAR může systém Bosch odebírat data v reálném čase a porovnávat je se základní mapou, porovnávat vzory mezi nimi a určovat jeho umístění s vysokou přesností.
S pomocí této technologie se auto může řídit ve špatných povětrnostních podmínkách, aniž by se hodně spoléhalo na kamery a LiDAR.
WaveSense
WaveSense je bostonská společnost RADAR, která věří, že auta s vlastním pohonem nemusí vnímat své okolí stejně jako lidé.
Jejich RADAR na rozdíl od ostatních systémů využívá vlny pronikající k zemi, aby viděl skrz silnice vytvořením mapy povrchu silnice. Jejich systémy vysílají rádiové vlny 10 stop pod silnicí a dostávají zpět signál, který mapuje typ půdy, hustotu, horniny a infrastrukturu.
Mapa je jedinečným otiskem silnice. Automobily mohou porovnat svou polohu s předinstalovanou mapou a lokalizovat se do 2 centimetrů vodorovně a 15 centimetrů svisle.
Technologie waveSense také nezávisí na povětrnostních podmínkách. Radar procházející zemí se tradičně používá v archeologii, při práci na potrubí a při záchranách; wavesense je první společností, která jej používá pro automobilové účely.
Lunewave
Antény ve tvaru koule jsou uznávány průmyslem RADAR od jejich příchodu v roce 1940 německým fyzikem Rudolfem Luneburgem. Mohou poskytovat snímací schopnost 360 stupňů, ale doposud byl problém v tom, že se těžko vyráběly v malé velikosti pro automobilové použití.
Díky výsledku 3D tisku je lze snadno navrhnout. Lunewave navrhuje 360stupňové antény pomocí 3D tisku zhruba do velikosti pingpongové koule.
Unikátní konstrukce antén umožňuje RADARU snímat překážky ve vzdálenosti 380 yardů, což je téměř dvojnásobek, kterého by bylo možné dosáhnout normální anténou. Koule dále umožňuje snímací schopnost 360 stupňů z jedné jednotky, spíše než 20stupňový tradiční pohled. Vzhledem k malé velikosti je snazší ji integrovat do systému a zmenšení jednotek RADAR snižuje zatížení spojování více obrazů přes procesor.
LiDars ve vozidlech s vlastním řízením
LiDAR znamená Li bojovat D etection nd R anging, to je zobrazovací metoda, stejně jako RADAR ale místo pomocí rádiových vln využívá světelnou (laser) pro zobrazování okolí. Může snadno generovat 3D mapu okolí pomocí mračna bodů. Nemůže však odpovídat rozlišení fotoaparátu, ale přesto je dostatečně jasný, aby určil směr, kterým je objekt otočen.
Jak LiDAR funguje?
LiDAR lze obvykle vidět na vrcholu samohybných vozidel jako rotující modul. Při otáčení vydává světlo vysokou rychlostí 150 000 pulzů za sekundu a poté měří čas potřebný k jejich návratu zpět po nárazu na překážky před sebou. Vzhledem k tomu, že světlo cestuje vysokou rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu, může snadno měřit vzdálenosti překážky pomocí vzorce Vzdálenost = (Rychlost světla x Čas letu) / 2 a jako vzdálenost různých bodů v prostředí je shromážděno, slouží k vytvoření mračna bodů, které lze interpretovat do 3D obrazů. LiDAR obvykle měří skutečné rozměry předmětů, což dává plusový bod, pokud se používá v automobilových vozidlech. Více se o LiDAR a jeho fungování dozvíte v tomto článku.
Použití LiDar v automobilech
Ačkoli se LiDAR jeví jako nesmiřitelná zobrazovací technologie, má své vlastní nevýhody
- Vysoké provozní náklady a náročná údržba
- Neúčinné během silného deště
- Špatné zobrazování na místech s velkým úhlem slunce nebo s velkými odrazy
Kromě těchto nevýhod společnosti jako Waymo značně investují do této technologie, aby ji vylepšili, protože se ve velké míře spoléhají na tuto technologii pro svá vozidla, dokonce Waymo používá LiDAR jako primární senzor pro snímání prostředí.
Stále však existují společnosti jako Tesla, které se staví proti používání LiDAR ve svých vozidlech. Generální ředitel společnosti Tesla Elon Musk nedávno učinil komentář k použití LiDAR „ lidar je bláznivá věc a každý, kdo spoléhá na lidar, je odsouzen k zániku.“ Jeho společnost Tesla dokázala dosáhnout samočinného řízení bez LiDAR, senzory používané v Tesle a její rozsah pokrytí jsou uvedeny níže.
To přichází přímo proti společnostem jako Ford, GM Cruise, Uber a Waymo, které si myslí, že LiDAR je nezbytnou součástí sady senzorů, pižmo Citováno jako „ LiDAR je chromý, vyhodí LiDAR, označte má slova. To je moje předpověď. “ Také univerzity podporují rozhodnutí Muska, že vypustí LiDAR, protože dvě levné kamery na obou stranách vozidla mohou detekovat objekty s téměř přesností LiDAR s pouhým zlomkem nákladů na LiDAR. Kamery umístěné na obou stranách automobilu Tesla jsou zobrazeny na následujícím obrázku.
Kamery v samořídících vozidlech
Všechna vozidla s vlastním řízením používají více kamer k 360 ° pohledu na okolní prostředí. Používá se více kamer z každé strany, jako je přední, zadní, levá a pravá, a nakonec jsou obrazy spojeny dohromady, aby měly 360stupňový výhled. Zatímco některé kamery mají široké zorné pole až 120 stupňů a kratší dosah a druhá se zaměřuje na užší pohled, aby poskytovala vizuální efekty na velké vzdálenosti. Některé fotoaparáty v těchto vozidlech mají efekt rybího oka a mají super široký panoramatický výhled. Všechny tyto kamery se používají s některými algoritmy počítačového vidění, které provádějí veškerou analýzu a detekci vozidla. Můžete si také prohlédnout další články týkající se zpracování obrázků, kterým jsme se dříve věnovali.
Použití kamery v automobilech
Kamery ve vozidlech se používají po dlouhou dobu s aplikacemi, jako je například parkovací asistent a sledování zadní části automobilu. Nyní, když se technologie samohybného vozidla rozvíjí, se znovu promýšlí role kamery ve vozidlech. Kamery poskytují 360stupňový okolní pohled na životní prostředí a jsou schopny řídit vozidla autonomně po silnici.
Chcete-li mít prostorový výhled na silnici, jsou kamery integrovány na různých místech vozidla, vpředu se používá kamerový snímač se širokým zorným úhlem, známý také jako binokulární kamerový systém a na levé a pravé straně se používají monokulární kamerové systémy a vzadu konec je použita parkovací kamera. Všechny tyto kamerové jednotky přinášejí obrázky do řídicích jednotek a spojují je, aby měly prostorový pohled.
Jiný typ senzorů v samořídících vozidlech
Kromě výše zmíněných tří senzorů existují i jiné typy senzorů, které se používají ve vozidlech s vlastním pohonem pro různé účely, jako je detekce jízdního pruhu, monitorování tlaku v pneumatikách, regulace teploty, ovládání vnějšího osvětlení, telematický systém, ovládání světlometů atd.
Budoucnost vozidel s vlastním řízením je vzrušující a stále se vyvíjí, v budoucnu by se na řízení závodu přihlásilo mnoho společností, a díky tomu by bylo vytvořeno mnoho nových zákonů a norem pro bezpečné používání této technologie.