Что такое лидар 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.

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

Оптический датчик, лидар — характеристики, принцип работы

Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика). Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика).

Оптический датчик или другими словами лидар (Light Detection and Ranging) – специальный фотоэлектрический датчик для измерения дистанции и обнаружения объектов. Основой работы такого датчика являются электромагнитные волны (инфракрасные), благодаря которым он определяет расстояние до объекта.

Что такое оптический датчик

Представить современный автомобиль без пассивной или активной системы безопасности практически невозможно, да и многие страны попросту могут отказаться от подобных машин. Почти каждая система безопасности использует определенные датчики для снятия и сбора определенной информации. Основой для таких систем стал оптический датчик или по-другому — лидар. В зависимости от требований к датчику и его предназначения, внешний вид и устройство внутри могут отличаться, но принцип работы остается без изменений.

Основной задачей считается замер расстояния (дистанции к объекту), хотя в некоторых случаях он так же может замерять и скорость объекта находящегося впереди. В некоторых случаях по функционалу лидар выступает как альтернатива автомобильному радару, за счет чего в характеристиках машины может быть отмечен как лазерный радар для разных активных систем безопасности. По радиусу действия, расстояние достигает 250 метров, а угол разрешения достигает 180 градусов. Таким образом, использовать лидар можно как в пассивных, так и активных системах безопасности, а малые габариты позволяют установить в самых нестандартных местах автомобиля.

Как устроен лидар автомобиля

Устройство лидара (оптического датчика) своеобразно, и по сути напоминает электронную схему, собранную в одном элементе. Среди основных деталей лидара специалисты выделяют:

Каждый из перечисленных элементов выполняет весьма важную роль в механизме лидара. Рассмотрим более подробно, за что отвечает каждая деталь. Основную роль и все начало работы берется с диода, который передает инфракрасное излучение (луч). Интенсивность инфракрасного луча, в случае необходимости изменяется за счет модулятора. В свою очередь в зависимости от типа модуляции, выделяют два типа лидаров: импульсного и непрерывного действия. Все же специалисты говорят, что лидар непрерывного типа отживает свое, тем самым уступая более прогрессивному импульсному оптическому датчику. Чтоб повысить эффективность оптического датчика на основе импульсного метода работы, инженеры одновременно начали использовать несколько импульсов для передачи, тем самым сделав технологию многоимпульсной.

Не менее важным считается оптический элемент, через который проходят импульсы. Миновав оптический элемент, световой импульс поступает на фотодиод, благодаря которому он преобразуется в электрический сигнал для распознавания другими элементами. Следующий в этой цепочке лидара стоит АЦП или аналого-цифровой преобразователь другими словами. Именно благодаря ему, электрический сигнал с фотодиода преобразуется в цифровой сигнал. Последний этап в работе оптического датчика – обработка полученного цифрового сигнала микропроцессором, именно он выдает блоку управления информацию, которую считал лидар.

Как уже говорили, внешний вид оптического датчика может отличаться, как по производителям, так и по моделям одной марки автомобиля. Но основная задача и принцип работы механизма отличаться не будет.

Принцип работы оптического датчика

Разобравшись, какие основные элементы входят и выполняют работы оптического датчика, неплохо рассмотреть его принцип работы и тем самым понять, где основные плюсы и минусы, а так же что может навредить работе механизма.

Несмотря на внешние отличия и структуру строения, принцип работы лидара одинаковый на любом автомобиле и системе безопасности. В момент срабатывания, инфракрасный свет направляется на цель, отраженный свет от цели частично рассеивается (теряется), а частично возвращается к излучателю, тем самым попадая в фотодиод.

Как правило, ток на фотодиоде пропорциональный инфракрасному свету, который воздействует от отраженного объекта. Фотодиод, после распознавания инфракрасного пучка импульсов производит электрический сигнал, передавая его в аналого-цифровой преобразователь. Суть такого элемента, точней целого интегрального набора деталей, создать такой сигнал, который мог бы распознать микропроцессор.

По внешнему виду это небольшая микросхема, так же как и микропроцессор, но без АЦП управляющие блоки не смогут работать. Следующие два шага – передача цифрового сигнала в микропроцессор и в дальнейшем отправка его в основной электронный блок управления. Именно в ЭБУ анализируется полученная информация, распознаются образы объектов впереди автомобиля, а так же другие непредсказуемые ситуации, в которых используется оптический датчик.

Где применяется лидар

Использование оптических датчиков в автомобилях может быть самым разным и вовсе не предсказуемым. Самые разные системы активной и пассивной безопасности используют данные элементы для получения той или иной информации. Например, система мониторинг расстояния к объектам впереди или сзади автомобиля. Так же данный элемент могут использовать для снятия скорости или момента вращения деталей.Если говорить более понятным языком, то это может быть система распознавания и определения пешеходов, адаптивный круиз-контроль, система мониторинга объектов и прочие. Благодаря вертикальному и горизонтальному расширению оптического датчика, элемент может считывать больше информации, а перемещение передатчика инфракрасного излучателя и поворотного зеркала, в разы увеличивает возможности механизма. Можно твердо говорить, что такой механизм вполне отрабатывает поставленную логику и в нужный момент передать информацию в блок управления.

Преимущества и недостатки оптического датчика

Как и в любом механизме, оптический датчик автомобиля имеет свои преимущества и недостатки. Основной плюс это скорость срабатывание, точность обработки полученной информации, а так же огромный спектр возможностей для использования в разных системах безопасности.

Помимо положительных моментов, есть и отрицательные (недостатки) от которых никак нельзя избавиться, даже в наши дни. Как показывает практика использования, оптический датчик очень чувствительный к погодным условиям и рельефному покрытию. Эффективность работы лидара уменьшается с ухудшением погодных условий, в частности на дождь, снег, туман и прочие погодные явления.

Механизм попросту не может получить отображение инфракрасного луча, а так же искажается за счет погодных явлений. Загрязнение датчика так же негативно сказывается на работе системы. Механизм попросту выдает неправдивую информацию или не срабатывает на заявленную производителем дальность.

Стоимость оптического датчика для автомобиля

В современных электромобилях оптические датчики расставлены по всему периметру. Таким образом, производители добавляют и дорабатывают системы безопасности и комфорта. Как пример, лидар для адаптивного круиз-контроля компании Nissan обойдется от $160, для современной системы ночного видения от Mercedes-Benz или Toyota по цене $235 за один такой оптический элемент.

На первый взгляд оптический датчик неприметный и кажется, что от него мало толку, но разобравшись в деталях и его возможностях понимаешь – это сердце большинства систем безопасности и комфорта, которые мониторят ситуацию вокруг автомобиля в режиме реального времени.

Видео-обзор принцип работы лидара:

Источник

Глоссарий РБК — что находится внутри беспилотных автомобилей

Компания Waymo, принадлежащая Google, уже третий год перевозит жителей американского города Чандлер на своем беспилотном такси; в Калифорнии разрешили полностью беспилотным автомобилям развозить посылки; автопилотами Tesla уже давно никого не удивить, да и на российских дорогах беспилотники должны появиться в ближайшее время — в распоряжении «Яндекса» уже находятся 69 автомобилей, а в 2020 году их станет больше сотни.

По данным компании Gartner, в 2018 году было выпущено чуть больше 137 тыс. беспилотных автомобилей, а в 2019 — уже свыше 330 тыс. Аналитики прогнозируют, что к 2023 году количество автономных транспортных средств на дорогах достигнет 745 тыс. Готовы ли вы к этому? Мы составили список основных понятий, которые помогут вам сориентироваться в теме.

Радары используют радиоволны, чтобы определить расстояние до объектов и траекторию их движения. Как правило, радаров на беспилотнике четыре штуки. Импульсы, которые они излучают, отражаются от предметов, даже если те находятся далеко, и передаются на принимающую антенну. Благодаря радарам система может мгновенно реагировать на изменения в пространстве.

Лидар по принципу действия аналогичен радару, но вместо радиоволн использует лазерные лучи. Сегодня это наиболее точный инструмент для измерения расстояния до объектов — от пары сантиметров до сотни метров — и их распознавания. Лидар устанавливается на крыше машины или, если лидаров несколько, по ее периметру. Устройство сканирует пространство и создает 3D-карту местности.

Сенсоры — это общее название лидаров и радаров. Они сканируют дорожную обстановку вокруг машины и позволяют избегать ДТП. Их у беспилотной машины может быть сколько угодно. Например, первый гоночный автомобиль-беспилотник Robocar от компании Roborace оснащен 18 сенсорами.

Датчик положения — устройство, определяющее положение беспилотника на карте вплоть до его координат.

Видеокамера нужна, чтобы различать цвета светофора, распознавать дорожные знаки, разметку и людей.

Компьютер находится в багажнике беспилотного автомобиля и в реальном времени анализирует все данные, которые поступают с датчиков и сенсоров. Мощность компьютера позволяет ему обрабатывать огромный массив информации.

Высокоточные карты позволяют беспилотникам ездить даже по дорогам, на которых нет разметки. Они нужны для того, чтобы датчики и сенсоры реагировали только на изменения ситуации на местности — иначе постоянное сканирование окружающего пространства требует огромных вычислительных мощностей. Кроме того, благодаря картам, автомобиль «понимает», ЧТО находится за поворотом — камеры и сенсоры этого не могут.

Уровень беспилотности — это степень автоматизации автомобиля. Их шесть — от 0 до 5. Нулевой уровень беспилотности — машина полностью управляется водителем; пятый уровень — автомобиль способен доехать до пункта назначения полностью на автопилоте. На сегодняшний день самые технически продвинутые машины находятся на четвертом уровне беспилотности.

После прочтения этого материала вам будет гораздо проще смотреть наше видео про беспилотные автомобили:

Почему мы до сих пор не пересели на автономный транспорт, как работают «умные» машины, насколько безопасен автопилот и каково это — проехаться на беспилотнике по московским дорогам, рассказываем на нашем YouTube-канале «Индустрия 4.0».

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