Понимание датчика автономного вождения

Восприятие окружающей среды — это процесс сбора базовой информации об окружающей среде с помощью датчиков, а также основа автономного вождения. Уровень автоматизированного вождения варьируется в зависимости от выбранного маршрута автономного вождения, а также от типов используемых датчиков. Давайте рассмотрим основы, а также преимущества и недостатки каждого датчика.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ . Камера

Ⅱ. Радар миллиметрового диапазона

Ⅲ. Ультразвуковой радар

Ⅳ . Лидар

Восприятие окружающей среды, планирование и принятие решений, управление движением и многоуровневое вождение с помощью систем помощи водителю — все это части автономного вождения. Он ориентирован на визуальные вычисления, общие вычисления и вычисления на основе нейронных сетей для объединения данных и дополняется связью V2X и искусственным интеллектом для обеспечения автоматического управления. Измерение окружающей среды, принятие поведенческих решений, планирование пути и контроль движения — это четыре фундаментальные технологии автономного вождения.

Восприятие окружающей среды — это процесс сбора базовой информации об окружающей среде с помощью датчиков, а также основа автономного вождения . Уровень автоматизированного вождения варьируется в зависимости от выбранного маршрута автономного вождения, а также от типов используемых датчиков. Давайте рассмотрим основы, а также преимущества и недостатки каждого датчика.

Ⅰ. Камера

Объектив, датчик изображения , процессор сигналов изображения, интернет-провайдер и сериализатор являются основными компонентами камеры. В общем, датчик изображения обрабатывает основную информацию об объекте, собранную объективом, прежде чем отправить ее интернет-провайдеру для последовательной передачи. Двумя дополнительными вариантами являются передача на основе LVDS по коаксиальному кабелю или витой паре, а также прямая передача через Ethernet.

С точки зрения компоновки важнейшим фактором является влияние угла обзора на дальность восприятия. При определении размера светочувствительного элемента фотоаппарата, чем больше фокусное расстояние, тем уже соответствующий угол обзора. Однако разрешение эквивалентного изображения можно существенно улучшить — то есть вы можете видеть четко, но видеть меньше.

В результате на практике для решения различных задач используются камеры с различным фокусным расстоянием. Камеры среднего и дальнего действия, как правило, настраиваются выше уровня L2. В автомобилях высокого класса будут использоваться три камеры переднего обзора. Чтобы получить информацию с точки зрения полного обзора.

Основная функция камеры в системе автономного вождения — сосредоточиться на следующем:

Обнаружение препятствий: измерение скорости и расстояния (для использования автомобиля требуется бинокль или выше);

Обнаружение линий полосы движения: извлечение линии полосы движения

Чтение дорожной информации включает сигналы светофора и опознавательные знаки.

Построение и размещение дополнительных карт;

Обнаруживаются и распознаются другие участники дорожного движения, например транспортные средства, пешеходы и животные.

Ⅱ. Радар миллиметрового диапазона

Радар, по сути, представляет собой электромагнитную волну, которая отражается после того, как ей мешают объекты на пути передачи. Расстояние, скорость и угол объекта можно определить путем сбора отраженного сигнала. Радар миллиметрового диапазона может генерировать сигналы электромагнитных волн с длинами волн 1–10 мм и частотами 30–300 ГГц. Дифрагированный размер уменьшается с уменьшением длины волны, а это означает, что размер наблюдаемого объекта становится меньше и имеет более высокое разрешение. Система миллиметровых волн, работающая на частоте 76–81 ГГц (что соответствует длине волны около 4 мм), может обнаруживать движения размером всего в несколько десятых миллиметра.

С другой стороны, полоса частот радара строго регулируется правительством. Полосы частот автомобильных радаров миллиметрового диапазона в различных странах обычно сосредоточены в диапазонах 24G, 60G, 77G и 79 ГГц.

С точки зрения структуры, FMCW (непрерывная волна с частотной модуляцией) является наиболее распространенным режимом работы радаров, установленных на транспортных средствах. Радар FMCW принимает и передает одновременно, поэтому в его диапазоне нет слепых зон, и он может напрямую измерять доплеровский сдвиг частоты и вероятность статической цели.

Рабочая предпосылка радара FMCW заключается в том, что его частота передачи изменяется линейно со временем, что позволяет передавать информацию о времени в широковещательном сигнале. Генератор, управляемый напряжением, генерирует высокочастотный сигнал, который усиливается делителем мощности перед подачей на передающую антенну, а другая половина подается на смеситель, смешивается с принятым эхо-сигналом, а затем фильтруется низкими частотами для получения создают сигнал разностной частоты основной полосы частот. После аналого-цифрового преобразования он передается в процессор сигналов для обработки. Этот сигнал можно использовать для получения не только информации о времени, но и отличительных пятен эффекта Доплера. В результате можно одновременно измерить и скорость, и расстояние.

Ниже приведены технические преимущества и недостатки радара миллиметрового диапазона:

Радар миллиметрового диапазона не может предоставить информацию о высоте, но может определить положение объекта. Неизвестно, подвешен ли объект в воздухе.

Для идентификации движущихся целей принцип радара предполагает в основном полагаться на эффект Доплера. Эхо земли и другая информация легко смешивается с неподвижными объектами, что приводит к ошибочным оценкам.

Радар с трудом обнаруживает две машины на соседних полосах с близкого расстояния.

Точность пространственного разрешения радара средняя, по данным сложно распознать типы объектов.

Когда человек пересекает дорогу со стороны дороги в боковом направлении, радар не может определить, находится ли это человек или кустарник на обочине дороги, а из-за плохой способности восприятия боковой скорости передний радар не может почувствуйте побочную среду в это время.

Поскольку радар подвержен помехам, отражающимся от металла, на дороге легко неправильно распознать предметы, например консервные банки; На радар также легко влияют отражения от съезда с дороги, что приводит к неточным данным о препятствиях.

Ⅲ. Ультразвуковой радар

Ультразвуковой радар состоит из ультразвуковых передатчиков и приемников, а также цепей управления и источников питания. Устройства пьезоэлектрического преобразования используются в большинстве ультразвуковых передатчиков. Например, ультразвуковой радар с частотой 40 кГц требует подачи сигнала изменяющегося напряжения частотой 40 кГц на пьезоэлектрический керамический чип, который затем расширяется и сжимается в зависимости от полярности подаваемого высокочастотного напряжения и посылает ультразвуковые волны частотой 40 кГц. Приемник работает по тем же принципам, что и передатчик. Обратимые свойства пьезоэлектрической керамики используются для преобразования ультразвуковых эхо-сигналов в сигналы напряжения той же частоты. Для обработки необходима сопоставимая схема усиления из-за крошечной амплитуды высокочастотного напряжения.

Разница во времени между отправкой ультразвуковой волны ультразвуковым передающим устройством и моментом приема ультразвуковой волны приемником используется для определения расстояния с помощью ультразвукового радара. 40 кГц, 48 кГц и 58 кГц — обычные рабочие частоты датчиков. Как правило, чем выше частота, тем выше чувствительность, но тем уже горизонтальный и вертикальный углы обнаружения, поэтому в реверсивных радарах используются датчики с частотой 40 кГц. Небольшое количество ила мало влияет на работу ультразвукового радара. Дальность обнаружения составляет 0,1-3 метра, с высоким уровнем точности.

Многие формы ультразвуковых радаров подразделяются на следующие группы:

1) Передний и задний бампер UPA: расстояние обнаружения составляет 15–250 см, в основном используется для оценки препятствий спереди и сзади автомобиля.

2) APA, установленный сбоку, с дальностью обнаружения 30-500 см. Дальность обнаружения длиннее, чем у UPA, мощность передачи выше, а стоимость выше. Автоматическая парковка является наиболее распространенным применением.

Ниже приведены плюсы и минусы ультразвукового радара:

Преимущества: низкое энергопотребление ультразвука, большое расстояние распространения в среде, высокая проницаемость, простой метод измерения расстояния и низкая стоимость.

Недостатки: При определении расстояния на высоких скоростях у ультразвукового радара возникают некоторые трудности. Это связано с тем, что погодные условия оказывают существенное влияние на скорость передачи ультразвука. Скорость передачи ультразвука варьируется в зависимости от погоды, как и скорость распространения. Медленнее, когда автомобиль движется с высокой скоростью, ультразвуковое измерение расстояния не может угнаться за изменением расстояния до автомобиля в реальном времени, что приводит к существенной ошибке. С другой стороны, угол рассеяния ультразвука велик, а направленность слаба. При измерении цели на большом расстоянии эхо-сигнал будет слабым, что снижает точность измерения. С другой стороны, ультразвуковой датчик измерения расстояния предлагает значительное преимущество при измерении на небольших расстояниях.

Ⅳ. Лидар

Аппаратное обеспечение управления DSP (процессор цифровых сигналов), лазерный привод, лазерный светодиод, излучающая оптическая линза, приемная оптическая линза, APD (лавинный оптический диод), TIA (усилитель с регулируемой крутизной) и детекторы являются ключевыми компонентами LiDAR. согласно сигнальной цепи обработки сигналов. Все они являются электронными компонентами, за исключением передающих и приемных оптических линз. Производительность полупроводниковых технологий постепенно улучшается, а стоимость быстро снижается благодаря быстрому развитию полупроводниковых технологий. С другой стороны, на оптические компоненты и вращающиеся механизмы приходится большая часть затрат на лидар.

Механический тип, МЭМС, фазированная решетка и массив прожекторов представляют собой различные типы форм привода (FLASH).

Лазер определяет расстояние распространения между датчиком-передатчиком и целевым объектом (Time of Flight TOF), анализирует количество отраженной энергии на поверхности целевого объекта, а также амплитуду, частоту и фазу отраженного спектра и, таким образом, предоставить точную информацию о трехмерной структуре целевого объекта. Режим работы TOF-лидара идентичен режиму работы радара миллиметрового диапазона, который разделен на dTOF и iTOF. В большинстве случаев для измерения dTOF используется метод прямого импульса. Лазерные передатчики с длинами волн 905 и 1550 нм в настоящее время являются наиболее распространенными, а свет с длиной волны 1550 нм трудно переносится в жидкости человеческого глаза. В результате, согласно концепции обеспечения безопасности, длина волны 1550 нм может значительно повысить мощность излучения. Чем выше мощность, чем больше расстояние обнаружения и чем длиннее длина волны, тем лучше защита от помех.

Механический тип, MEMES и OPA с фазированной решеткой — это три типа структуры лидара. 64-строчный радар, выпущенный компанией Velodyne в 2007 году, является примером механического типа. Он вращается со скоростью 20 об/мин и укладывает вертикально 64 лазера. Основная идея состоит в том, чтобы повернуть лазерную точку в линию, преобразовать линию в поверхность с помощью наложения 64 линий, а затем получить данные облака точек для получения информации о трехмерной среде.

Измерение облака точек требует точного позиционирования установки, а механическая конструкция требует сложной механической конструкции. Учитывая воздействие окружающей среды и старение, средняя продолжительность отказа составляет всего 1000-3000 часов, что делает невозможным выполнение минимального требования автомобильного завода в 13 000 часов. Кроме того, поскольку LiDAR устанавливается на крыше автомобиля, инженерам-строителям приходится решать проблемы внешнего обслуживания, такие как влияние мойки автомобилей. В результате механическая конструкция серьезно ограничивает стоимость и продвижение приложения.

Тип MEMS приводит в движение вращающееся зеркало с помощью микроэлектромеханической системы, а отраженный лазерный луч направляется в различных направлениях. Высокая скорость сбора данных, высокое разрешение и высокая адаптируемость к температуре и вибрации — все это преимущества твердотельного лидара; контроль поперек луча, точки обнаружения (облака точек) можно распределить произвольно, например, при основном сканировании магистралей далеко впереди, усилить боковое сканирование на перекрестке для разреженного, но не полностью игнорируемого бокового сканирования. Эту деликатную операцию невозможно выполнить с помощью механического лидара, который может вращаться только с постоянной скоростью.

Лидар Valeo SCALA — пример типичного приложения. Теперь его можно найти в Audi A8 (первом беспилотном автомобиле L3). Он установлен в переднем бампере и использует технологию MEMS, обеспечивающую угол сканирования 145 градусов и дальность обнаружения 80 метров.

Принцип технологии оптической фазированной решетки. Для изменения угла излучения исходящего света в лидаре используется технология оптического управления фазой. В основном используется принцип световой интерференции. Изменяя разность фаз падающего света в отдельных щелях, можно изменить положение центрального рисунка (основного лепестка) после дифракции на решетке. Ниже приведены его основные преимущества и недостатки:

Преимущество:

①Простая конструкция и компактный размер: поскольку вращающиеся детали не требуются, конструкция и размер радара могут быть значительно уменьшены, что продлевает срок его службы и снижает его стоимость.

②Простая калибровка. Из-за фиксированной оптической структуры механические лидары часто требуют точного позиционирования и регулировки угла для адаптации к различным транспортным средствам. Твердотельные лидары можно калибровать с помощью программного обеспечения, что существенно упрощает процесс.

③Быстрая скорость сканирования. Скорость сканирования оптической фазированной решетки определяется электронными свойствами используемого материала, а не скоростью и точностью механического вращения, и обычно может достигать уровня МГц.

④Высокая точность сканирования. Точность сканирования оптической фазированной решетки определяется точностью управляющего электрического сигнала, которая может составлять порядка тысячной доли измерения.

⑤Отличная управляемость: направление луча оптической фазированной решетки полностью контролируется электрическими сигналами и может быть ориентировано произвольно в пределах допустимого диапазона углов, что обеспечивает высокую плотность сканирования в важных местах.

⑥Мониторинг нескольких целей: Фазированную решетку можно разбить на множество крошечных модулей, каждым из которых можно управлять независимо, чтобы одновременно захватывать и контролировать несколько целей.

Недостатки:

①Угол сканирования ограничен: изменение фазы может изменить центральную диаграмму только примерно на 60°, а для получения 360° обычно требуется 6.

②Проблема с боковыми лепестками: в дополнение к первичным ярким линиям дифракция на решетке приводит к образованию вторичных блестящих линий. Из-за этой проблемы лазер будет создавать боковые лепестки за пределами направления максимальной мощности, чтобы распределить энергию лазера.

③Высокая сложность обработки: размер элемента решетки в оптической фазированной решетке не должен превышать половину длины волны. Поскольку текущая рабочая длина волны лидара составляет около 1 микрона, размер элемента массива должен быть менее 500 нм. Кроме того, чем выше плотность массива, тем более концентрируется энергия, что повышает требования к точности обработки и требует конкретных технологических прорывов.

④Большая зона приема и низкое соотношение сигнал/шум. Традиционным механическим радарам требуется лишь крошечное приемное окно, тогда как твердотельным лидарам требуется вся приемная поверхность, что приводит к увеличению шума окружающего света и усложняет анализ сканирования.

Frequently Asked Questions

1. Взаимодополняемость датчиков при автономном вождении?

1. Радар миллиметрового диапазона может компенсировать недостаток адаптивности лидаров и датчиков технического зрения к окружающей среде. 2. Датчики технического зрения или лидары могут восполнить недостатки радаров миллиметрового диапазона в классификации целей.

2. Какие устройства необходимо установить на автомобиле, чтобы беспилотные автомобили выполняли функцию автономного вождения?

Беспилотному транспортному средству необходимо охватывать датчик беспилотного автомобиля на 360 градусов.

3. Безопасно ли управлять автономным автомобилем?

Если беспилотное транспортное средство хочет безопасно ездить по дороге, ему необходимо понимать характеристики и недостатки каждого датчика. С развитием науки и техники технологии продолжают совершенствоваться.