Лидары, радары и камеры для беспилотников. Плюсы и минусы этих датчиков

Автор: Аркадий Софрыгин, основатель сайта Беспилот.
Присоединяйтесь к обсуждению темы в Facebook
Подписывайтесь на наш телеграм-канал

Друзья, сегодня я расскажу вам - зачем в беспилотных автомобилях используются лидары, радары и камеры. А также о плюсах и недостатках каждой из этих технологий. Поехали!  

Лидары, радары и камеры - это главные датчики (аппаратное обеспечение) в большинстве современных беспилотников. Можно сказать что они - глаза беспилотного автомобиля. С их помощью робокар "видит" пространство вокруг себя и определяет и классифицирует объекты (машины, мотоциклы, пешеходов, дорожную разметку, дома, деревья, дорожные знаки и светофоры и т.д.), их свойства - например размер, скорость и направление движения и расстояние до них. Чаще всего на машине используется комбинация из всех этих сенсоров, хотя некоторые компании, например Tesla, не применяют лидары для работы автопилота и используют только камеры и радары. Рассмотрим подробнее каждую технологию. 

Расположение сенсоров на беспилотнике Waymo: 5 лидаров, 9 камер и 6 радаров. Такое большое количество датчиков нужно для обзора в 360° вокруг робокара и для дублирования друг друга, ведь во время поездки какие-то сенсоры могут быть загрязнены, залиты дождем, а также могут выйти из строя. 

Лидары

Лидар - это лазерный дальномер, который измеряет расстояние до объектов. Результат работы лидара - 3D-сцена из облака точек с геометрией объектов вокруг беспилотника, которая постоянно обновляется. Наиболее точное определение для технологии лидара - это метод определения расстояний до объектов с помощью луча света.   

В большинстве лидаров используются лазерные лучи, которые посылаются излучателем и, отразившись от объектов, возвращаются на приемник лидара. Лидар вращается вокруг вертикальной оси несколько раз в секунду. За счет знания скорости света и времени, которое каждый потратил луч, чтобы отразится от объекта, мы вычисляем расстояние до него - например до автомобиля, который едет впереди. Таким образом датчик строит трехмерную объемную сцену объектов вокруг беспилотника.

Все большую популярность сейчас набирают твердотельные (solid state) лидары, которые не вращаются. Твердотельные лидары возможно произведут революцию в развитии беспилотных технологий, так как дают лучшее качество, чем вращающиеся датчики, при этом разработчики заявляют, что снизят их цену до $100-500, что в десятки раз дешевле существующих лидаров. 

Чаще всего на машину ставят несколько лидаров - на крышу и бока автомобиля для полного обзора в 360° и покрытия всех слепых зон. Лидары используются не только в беспилотниках, но и в строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях. 

Лидары самого популярного в мире разработчика - американской компании Velodyne.

Объемная картинка вокруг беспилотника, которую строит лидар Velodyne.

Плюсы лидаров: 

• высокая скорость получения данных. 
• дают очень точную и детализированную информацию об объектах. 
• эффективно работают ночью и при плохом освещении.
• имеют широкое поле зрения, большое угловое разрешение и радиус действия. Видят объекты на расстоянии от 2 см до 250 м. 
• позволяет различать цвета объектов, так как лазер по-разному отражается от разных цветов. Это например может полезно для определения дорожной разметки. 

Минусы:

• высокая цена. Большинство лидаров стоят от $3-5 тыс. и выше и сейчас они - самые дорогие датчики в беспилотнике. 
• нестабильно работают в плохую погоду: дождь, снег, туман, пыль и грязь и т.д. Поэтому чаще всего используются в комбинации с радарами и камерами.  
• не всегда понимают плотность объекта. Например снег или облако выхлопных газов зимой лидар может принять за твердый объект. То же касается и тумана. Для избежания этой ошибки в беспилотном софте используются фильтры, которые с помощью технологий ML (машинного обучения) определяют плотный объект перед робокаром или нет. 

Радары

Радары используют радиоволны для определения расстояния до объекта, его скорости и месторасположения. Так как стандартные радары плохо различают точные размеры и форму объектов, в беспилотниках используют датчики, работающие в частотном диапазоне 77-79 ГГц. При этом существенно увеличивается разрешение радиолокационных изображений. 

Радары меньше зависят от плохой погоды, чем лидары и стоят намного дешевле их. Обычная работа радара в беспилоте - это увидеть объект издалека (в 200-300 метрах) и определить его направление движения и скорость. При этом радар не различает точную форму и габариты объекта, это уже делают лидары и камеры на расстоянии от 100-150 метров и ближе. То есть радары позволяют сильно заранее видеть движущиеся и статичные объекты вокруг беспилота. 

Одним из минусов радара является то, что он плохо обнаруживает неметаллические объекты, например пешеходов. А также металлические объекты с малой площадью - велосипеды и т.д. 

Радары компании Arbe.

Визуализация работы совместной работы радаров и камер в беспилотнике. Картинка и видео ниже - NVIDIA.

Плюсы радаров: 

• определяют объекты на большом расстоянии - до 300 м и больше. 
• могут работать ночью и при слабом освещении, так как радиоволны не чувствительны к свету. 

Минусы:

• не классифицируют объекты и их точные размеры. 
• не различают сложные формы. Дают менее четкую картинку (с низким разрешением), чем лидары и камеры. 
• плохо видят или совсем не видят нерадиотражающие материалы.  
• нужно выбирать между дальностью действия и охватом сканируемой области. Проще говоря, радар может видеть далеко, но "размыто" или близко и детализированно. 

Камеры

Камеры нужны прежде всего для классификации объектов вокруг беспилотника. С помощью камеры можно точно понять, что за объект перед нами (дерево, автомобиль, пешеход и т.д.), а также считывать разметку, сигналы светофоров и автомобилей и дорожные знаки. То есть камера дает точную семантику объектов, качественно классифицирует их. С помощью камеры можно, например понять, что перед нами не просто грузовик, а грузовик дорожных служб со знаками объезда на нем. 

У камер небольшой угол обзора, поэтому на беспилотнике их как правило много. Например Waymo ставят 9 камер на каждую машину, при этом радаров на ней 6, а лидаров 5. На беспилотах Яндекса 10 камер, 6 радаров и 4 лидара. Ну а такое количество камер требует большие вычислительные мощности и это один из недостатков использования этой технологии. 

Камеры разных типов на беспилотных автомобилях.

Плюсы камер: 

• в большинстве случаев - точная идентификация объектов вокруг беспилотника.
• низкая стоимость. Камеры дешевле радаров и значительно дешевле лидаров.

Минусы:

• ухудшается работа в темноте и в плохую погоду - например во время тумана. 
• иногда объекты определяются неправильно. Например световую рекламу камера может определить как сигнал светофора. Такие случаи периодически случаются с автопилотом Tesla. 

Используя сочетание работы лидаров, радаров и камер можно не только строить 3D-сцену вокруг беспилота и определять расстояние, размеры и скорость объектов, но и планировать их дальнейшее поведение. Кроме этих датчиков, в некоторых беспилотниках используются сонары, стереокамеры (камеры с двумя и более объективами), ГНСС-навигация (GPS или ГЛОНАСС), HD-карты и инерциальная навигация. Сочетание работы (кросс-валидация) большого количества сенсоров дает наиболее точное позиционирование беспилотника и объемную сцену объектов вокруг него. Каждая беспилотная компания использует свой набор датчиков разных цен и производителей. При этом на качественную работу беспилота влияют не только сенсоры, но и, прежде всего, беспилотный софт, программное обеспечение робокара. Но это уже другая история :) 

Смотрите все свежие новости о беспилотниках. Закажите беспилоты и роботов или консультацию по роботизации и автоматизации и да пребудет с вами беспилот!

Материалы по теме:

Друзья, всё общение как всегда в моем фейсбуке: https://www.facebook.com/arksofrygin

Аркадий Софрыгин

основатель BesPilot.com

Добавляйтесь в Facebook

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.