Лидары в беспилотных автомобилях

Разбираемся, что это такое и можно ли без них обойтись.

Лидар — это метод определения расстояний с помощью света. Слово «лидар» образовано от акронима «LiDAR», два самых популярных варианта расшифровки: Light Detection and Ranging и Laser Induced Direction and Range System.

Строго говоря, использование именно лазера в лидаре необязательно, источником света могут выступать даже светодиоды. Но в 95% случаев, когда говорят о лидарах, подразумевают именно устройство с лазерным лучом.

Первые попытки измерить расстояние световыми лучами были сделаны еще в 1930-х годах с помощью прожекторов, которые использовались для изучения структуры атмосферы. В 1938 году световые импульсы использовались для определения высоты облаков.

В 1960 году изобрели лазер, а всего через несколько лет лазерные дальномеры стали использоваться в американских танках. В 1969 году лазерный дальномер применили для измерения расстояния от Земли до Луны, использовав специальную мишень на «Аполлоне-11».

Сейчас лидары используются в разных областях: от археологии до биологии, но активнее всего в картографии, метеорологии и авиации.

Схема работы лидара одной картинкой:

Принцип действия несильно отличается от работы радара, излучатель отправляет в сторону объекта луч, он отражается от объекта, возвращается к источнику, улавливается приёмником. Мы знаем скорость света, знаем время, за которое пройдено расстояние до объекта, легко вычисляем расстояние.

Беспилотному автомобилю нужно не только измерить расстояние до объекта впереди себя. Задача всей системы датчиков и сенсоров — в каждый момент времени строить карту объектов вокруг, а также определять, куда и с какой скоростью они перемещаются. А ещё различать сигналы светофоров, дорожные знаки, указатели поворотов и разметку.

Для этого в беспилотниках используются камеры, радары и лидары.

Камера — это ключевой источник информации для беспилотного автомобиля.

Из всех сенсоров беспилотника только камера умеет определять сигналы светофора, считывать дорожные знаки и указатели, различать дорожную разметку, классифицировать объекты: пешехода, машины, здания и так далее. Также у камеры большие углы обзора. А ещё камера — это массовый продукт, поэтому её стоимость невелика.

Из минусов — определять скорости объектов, а также расстояния до них по данным с камеры проблематично, точность недостаточная.

Также камера плохо работает с объектами на большом удалении и очень зависима от освещённости и погодных условий — эффективность в тумане, дожде и снегопаде падает на порядок. А обработка видеопотока в реальном времени требует хорошей вычислительной мощности.

Вывод. Камера необходимый, но недостаточный сенсор для беспилотного автомобиля.

Простой и каждому знакомый сонар в автомобиле — это парктроник, который при приближению машины к препятствию начинает пищать громче и чаще.

Принцип действия сонара: излучает ультразвуковую волну, ловит отражённую волну, вычисляет расстояние до объекта.

Сонары не используются в беспилотниках, я привел их для простоты понимания. Принцип работы радара точно такой же, только вместо ультразвука используется радиоволна.

Радары позволяют почти мгновенно (по сравнению с камерами), а главное — с хорошей точностью получать информацию о расстояниях до объектов и их скоростях. Подходят для работы с удалёнными объектами, не сильно зависят от погодных условий, работают в темноте.

Существенный минус — приходится выбирать между дальностью действия и размером наблюдаемой области. Можно получить либо данные об объектах на большом расстоянии, но в маленькой области, либо в большой области но только вблизи.

Стоимость радаров немного выше, чем у камер, но на порядок меньше стоимости лидаров.

Некоторые в автоиндустрии считают, что комплекта камеры и радаров хватит для обеспечения беспилотников четвёртого уровня автономности. Про то, что на деле обозначают разные уровни автономности, я писал в этой статье.

Один из сторонников такого подхода — изобретатель и хакер George Hotz (взломал iPhone и PS3), который всего через месяц после начала разработки автопилота установил его на свою Acura и прокатил на ней известного журналиста Эшли Вэнса. Сейчас на сайте компании Джорджа comma.ai можно купить комплект для установки автопилота меньше чем за $1000.

Схемы камеры и радара для автопилота придерживается Илон Маск.

Тем не менее Tesla тестировала лидары на своих машинах в 2016 году.

Вывод. Камеры и радары возможно уже являются достаточной системой сенсоров, чтобы сделать беспилотник четвёртого уровня автономности.

Лидары — классные. Настолько, что, несмотря на позицию Маска не использовать лидары в Tesla, большинство всё равно считают их необходимыми устройствами для успеха беспилотных автомобилей.

Излучатели лидара формируют вертикальную полосу из лазерных лучей, как правило, их от 16 до 128. Для создания картинки с охватом 360° площадка с лазерами совершает несколько оборотов в секунду вокруг своей вертикальной оси.

Ниже пример того, как это выглядит в моменте:

Результат работы лидара — такая картинка:

Подробнее можно посмотреть в этом видеоролике.

Лидары выдают хорошо детализированную картинку происходящего вокруг, определяют расстояния до объектов и их скорость. Обладают хорошей дальностью и высокой скоростью работы. Отлично функционируют при плохой погоде и в ночное время суток.

На картинке ниже сравнение изображений, полученных с помощью лидара (слева) и с помощью радара (справа). И хотя это скрин из рекламного ролика производителя популярных лидаров — специалисты на рынке согласны, что по точности и детализации информации лидары превосходят радары не только в рекламе, но и в реальности.

Самая главная проблема лидаров — они дорогие. Слишком дорогие.

Явный лидер рынка лидаров для беспилотников — компания Velodyne с выручкой в несколько сотен миллионов долларов в год. Их продукты используются в большинстве стартапов и корпораций.

Беспилотный автомобиль «Яндекса» проходит тесты с лидарами Velodyne, модель Velodyne Puck VLP-16. В январе 2018 года Velodyne объявила о двукратном снижении цены на эту модель — с $8000 до $4000.

В автомобиле «Яндекса» используется три таких лидара, даже с учетом снижения цены их общая стоимость составляет $12 тысяч.

Alphabet тоже начинали с использования лидаров Velodyne. Посмотрите на снимок с испытаний 2012 года.

На крыше у Lexus RX закреплён крутой лидар Velodyne HDL-64. Текущая версия этого лидара обеспечивает обзор на 360° по горизонтали и 27° по вертикали, диапазон работы 120 метров.

Число 64 в названии модели — число лучей, которые отправляют лазеры. Чем их больше, тем точнее и быстрее можно построить карту объектов вокруг. Примерная стоимость такого лидара $75 тысяч. Неплохо, да?

А теперь посмотрим на то, как выглядят их машины сейчас:

Сенсоры на крыше, крыльях и бамперах, в том числе лидары, разработанные самой Waymo. Недавно Waymo заявила, что любая компания сможет купить их лидар, если она не собирается конкурировать с ними в сфере беспилотных такси.

Но речь в данном случае идет только о фронтальном лидаре Honeycomb:

По заявлению Waymo, они не хотят заработать на продаже технологии, а собираются масштабировать производство и снизить цену на конечные устройства.

Ожидается, что объём рынка лидаров достигнет $1 млрд уже в 2019 году.

Перспективный растущий рынок уже давно привлёк множество инженерных команд, которые стремятся сделать массовый лидар, чья стоимость будет несколько сотен долларов.

Различия между лидарами определяются тем, как команды проектов отвечают на три самых важных вопроса:

Например, в своём самом крутом лидаре Velodyne использует вращающуюся площадку и 64 лазерных луча. Это даёт детализированный круговой обзор, но её цена $75 тысяч, что на два порядка больше цены, приемлемой для массового внедрения такого сенсора.

Некоторые стартапы используют всего лишь один (!) лазерный луч, зеркало и технологию MEMS (МЭМС — микроэлектромеханическая система), принцип работы показан в этом ролике.

Единственный луч направляется на зеркало, а высокочастотные вибрации позволяют покрыть этим лучом некоторую область. Да, это не дает обзор в 360° и приводит к снижению скорости обновления информации — всё это плата за снижение цены устройства.

У Velodyne есть несколько серьёзных конкурентов: Luminar, Aeye, Ouster.

Про вундеркинда-основателя Luminar на vc.ru уже писали в 2017 году. Luminar и Aeye используют один лазерный луч и зеркало.

Ouster, как и Velodyne, использует вращение. Однако их лидар устроен более эффективно и экономично. Ouster нацелена на клиентскую базу Velodyne, поэтому выпускает свои лидары такими, чтобы клиенты Velodyne могли легко и без затрат начать использовать устройства Ouster.

Подробнее обо всех главных стартапах, которые занимаются лидарами, их текущих стадиях, используемых подходах и технологиях можно прочитать в подробной сравнительной статье про девять компаний, работающих над лидарами прямо сейчас. Рекомендую желающим углубиться в тему.

Innoviz использует метод механического сканирования (то есть с одним лазерным лучом), их лидар имеет углы 120° по горизонтали и 27° по вертикали, дальность до 250 метров, детализацию с клетками по 0,1°х0,1°.

Самое интересное, что BMW заключила с Innoviz крупный контракт на большую партию устройств, то есть автопроизводитель покупает лидары не просто для испытаний, как это делают все остальные, а для реальной установки в некоторые серийные новые модели.

Вывод. Хотя стоимость лидаров сейчас все ещё слишком высока для их массового внедрения, на рынке есть много команд как в стартапах, так и в корпорациях, работающих над доступностью устройств. Возможно, что-то у них и получится.

Не так важно, будет лидар в вашем беспилотном автомобиле или нет. Людям для вождения, например, хватает пары качественных стереокамер. Самое главное, чтобы автомобиль был безопасным.

Взгляды Маска и Хотца на избыточность лидаров для автономных автомобилей скорее говорят о том, что совокупность текущих технологий уже позволяет построить беспилотник четвёртого уровня.

А компании находятся на этапе их коммерциализации. Помимо снижения стоимости, впереди ещё много вопросов с ответственностью, законодательством, неприятием беспилотников людьми и так далее.

Напоследок — свежая картинка о ключевых игроках рынка беспилотников:

Материал подготовлен автором Telegram-канала «Беспилотный Запорожец». Пишу про инновации в транспорте — электромобили, беспилотники, connected cars, интерфейсы в автомобилях.

PS многие спрашивают, почему канал называется «Беспилотный Запорожец». Дело в том, что я действительно хочу построить беспилотный автомобиль на базе широко известного «горбатого» — нужно на деле проверить, насколько самоуправляемые автомобили просты и безопасны.

#беспилотники #tesla #лидар