Главный сенсор: как устроен лидар «Яндекс» для беспилотных автомобилей

В конце ноября 2021 года «Яндекс» заявил, что перевел свой флот беспилотных автомобилей на собственные лидары. Узнали у инженеров компании, почему они решили заняться разработкой своих сенсоров и как это поможет автономному автомобилю.

Ключевая задача любого автономного автомобиля — определить, что происходит вокруг него. Машине для планирования своих движений каждую секунду нужно понимать, где находится дорога, знаки, пешеходы, здания, деревья, с какой скоростью двигаются другие автомобили. Собирать такие данные помогают сенсоры, установленные в машине — обычно это камеры, радары и лидары в разных количествах и комбинациях.

Большинство известных разработчиков автономных машин можно условно поделить на два лагеря: те, кто создаёт беспилотник, используя камеры и радары, и тех, кто использует для этих же целей лидар как основной сенсор.

Наиболее известный сторонник первого лагеря — компания Tesla, алгоритмы которой опираются на данные с радаров и камер, установленных по периметру машины. Разработчики Tesla уверены, что такого набора сенсоров достаточно для создания автономного автомобиля. Компания уже тестирует программное обеспечение, которое позволяет превратить серийные модели электрокара в автономные машины.

В другом лагере находятся такие компании как Waymo (Alphabet), Cruise и «Яндекс». Помимо камер и радаров они оснащают машины еще и лидарами.

У каждого решения есть свои преимущества и недостатки. Камеры стоят дешево и в связке с радарами позволяют сделать автономный транспорт по-настоящему массовым явлением. Однако на качество данных, получаемых с их помощью, зачастую влияют погодные условия, время суток или просто блик от солнца.

Лидары позволяют получить трехмерную карту окружающего пространства с точными расстояниями до объектов. Сенсор хорошо работает и при плохой погоде и в темное время суток, но его главный недостаток — высокая стоимость.

Снижение стоимости лидара — одна из причин, по которой компании приходят к решению разрабатывать собственные сенсоры вместо использования сторонних решений. По словам бывшего руководителя Waymo, переход на своё производство может снизить стоимость одного лидара на 90%.

«Яндекс» не раскрывает стоимость лидара, но говорит о том, что стоимость сборки своего сенсора уже сравнима со стоимостью сторонних — даже с учетом того, что компания сейчас собирает их вручную.

Вторая причина, которая побуждает разработчиков беспилотников заняться собственным производством сенсоров, — данные. Компании, специализирующиеся на разработке лидаров, вроде Velodyne и Luminar, стараются разрабатывать универсальные сенсоры, которые можно встроить в дрон, робота, беспилотный автомобиль или вовсе применять стационарно, например для археологических раскопок.

Такие решения удобно использовать при разработке прототипов или первых партий, однако когда речь заходит о промышленном применении, разработчикам требуется больше сырых необработанных данных и доступ к более глубоким настройкам сенсора, поясняют инженеры «Яндекса».

Принцип работы любого лидара простой. Внутри корпуса находится лазерный излучатель, который отправляет световые импульсы в окружающее пространство. Каждый такой импульс «сталкивается» с объектом — например зданием, автомобилем или камнем на дороге — и возвращается обратно на сенсор лидара. Время, которое луч провел в «путешествии», позволяет вычислить точное расстояние до объекта, от которого отразился импульс.

Основная сложность в том, что для создания подробной трехмерной карты всего окружения нужно каждую секунду отправлять миллионы импульсов, чтобы получилось плотное облако точек. Для решения этой задачи в индустрии чаще всего используется один из двух вариантов конструкции лидара.

Первый — с вращающейся на 360 градусов установкой из лазеров и сенсоров. Такая конструкция чаще всего встречается в индустрии. Например, их производит компания Velodyne — именно её сенсоры можно увидеть на большинстве прототипов беспилотных машин, в том числе и на машинах «Яндекса».

Вращающаяся конструкция лежит в основе в том числе и собственных лидаров Waymo. Как в основном лидаре, который устанавливается на крыше автомобиля, так и в дополнительных, которые расположены над колесными арками для бокового обзора.

Второй вариант конструкции лидара — твёрдотельные и полутвердотельные лидары. В таких сенсорах лазер всегда зафиксирован, а для перенаправления луча используется сложная конструкция из оптических элементов, которые с высокой скоростью изменяют своё положение и перенаправляют сигнал в разных направлениях.

«Яндекс» рассматривал оба варианта конструкции лидара, поэтому два года назад собрал два прототипа — с вращающейся платформой и статичным лазером. Оба прототипа тестировались на беспилотных автомобилях компании, в результате разработчики решили сосредоточиться на статичной конструкции.

По мнению инженеров, статичное решение оказалось более надежным, так как в нём не используется тяжелых движущихся частей, а сам сенсор устойчивее к морозам и вибрациям.

Внешне финальный вариант лидара «Яндекса» похож на шестигранник с четырьмя стеклянными поверхностями, за которыми скрываются оптические конструкции и лазеры. Инженеры также разработали систему очистки сжатым воздухом и омывающей жидкостью, которая автоматически активируется в тот момент, когда на картинке, генерируемой лидаром, появляются нехарактерные визуальные шумы.

Инженеры не раскрывают подробности устройства оптической системы, установленной внутри, но по своему общему принципу она похожа на систему с быстро меняющими свое положение отражающими поверхностями. Луч лазера постоянно перенаправляется в разные точки пространства, чтобы охватить как можно больше окружающих объектов.

Такая конструкция позволяет управлять лидаром программно, поясняют в компании: «Можно сконцентрировать больше лучей в определенной точке и повысить их плотность, чтобы получить более детализированную картинку».

«Например, это полезно на узких улицах с обилием пешеходов. Мы фокусируем лучи лидара на ближайшем окружении и получаем более точную картинку всего происходящего вокруг автомобиля. И наоборот, на трассе с более высокой скоростью движения для машины важно переместить фокус на дальние объекты, чтобы заранее “увидеть” потенциальные опасности». Так, лидар может распознать легковой автомобиль на расстоянии 200 метров, грузовик — до 500 метров, здание — в 600 метрах.

Фокусировка нужна и в те моменты, когда алгоритм не может с точностью распознать объект. В таком случае лидар может сконцентрировать лучи на конкретной области, чтобы получить как можно больше данных.

Все автомобили последнего поколения беспилотников «Яндекса» уже перешли на использование собственных лидаров — суммарно автомобили проехали более 500 тысяч километром с новыми сенсорами на крыше.

Компания планирует отказаться от использования сторонних решений и для боковых лидаров, которые расположены над колесными арками. А также перейти на собственные разработки для сенсоров в роботах-курьерах.

#беспилотники #лидары #яндекс