מנקה את הקסם שמאחורי חיישנים המשמשים ברכבים עם נהיגה עצמית

בבוקר נאה אתה חוצה את הכביש כדי להגיע למשרד שלך בצד השני, בדיוק כשאתה חצי מהדרך אתה מבחין בחתיכת מתכת ללא נהג, רובוט, מתקדם לעבר ואתה נכנס לדילמה שמחליטים לחצות את דרך או לא? שאלה חזקה לוחצת על דעתך, "האם המכונית שמה לב אלי?" ואז אתה מרגיש הקלה כשאתה צופה שמהירות הרכב מואטת אוטומטית וזה מהווה דרך מוצאת עבורך. אבל תחזיק מעמד מה בדיוק קרה? איך מכונה קיבלה אינטליגנציה ברמה האנושית?

במאמר זה ננסה לענות על שאלות אלה על ידי התבוננות מעמיקה בחיישנים המשמשים במכוניות לנהיגה עצמית וכיצד הם מתכוננים לנהוג במכוניות העתיד שלנו. לפני שנצלול לזה, בואו נדבר גם על יסודות הרכבים האוטונומיים, תקני הנהיגה שלהם, שחקני המפתח העיקריים, שלב הפיתוח והפריסה הנוכחיים שלהם וכו '. לכל אלה נשקול מכוניות לנהיגה עצמית מכיוון שהן עושות שוק מרכזי חלקם של הרכבים האוטונומיים.

היסטוריה של מכוניות בנהיגה עצמית

מכוניות בנהיגה עצמית ללא נהג יצאו בתחילה מהספרות המדעית אך כעת הן כמעט מוכנות לצאת לדרכים. אבל הטכנולוגיה לא הופיעה בן לילה; ניסויים במכוניות בנהיגה עצמית החלו בסוף שנות העשרים עם מכוניות שנשלטו בעזרת גלי הרדיו מרחוק. עם זאת, המשפט המבטיח של מכוניות אלה החל לצאת בשנים 1950-1960 במימון ישר ובתמיכת ארגוני המחקר כמו DARPA.

הדברים התחילו להיות מציאותיים רק בשנות האלפיים כאשר ענקיות הטכנולוגיה כמו גוגל מתחילות להתייצב על כך שהיא נותנת מכה לחברות השטח המתחרות שלה כמו מנועים כלליים, פורד ואחרים. גוגל התחילה בפיתוח פרויקט המכונית הנהיגה העצמית שלה המכונה כעת waymo של גוגל. חברת המוניות אובר מתייצבת גם ברכב הנהיגה העצמי שלהן ברציפות יחד עם התחרות שלה עם טויוטה, ב.מ.וו, מרצדס בנץ ושחקנים מרכזיים אחרים בשוק, וכאשר טסלה שנהגה על ידי אילון מאסק דפקה בשוק כדי לעשות דברים. חָרִיף.

תקני נהיגה

יש הבדל גדול בין המונח מכונית לנהיגה עצמית למכונית אוטונומית לחלוטין. הבדל זה מבוסס על רמת תקן הנהיגה שתוסבר להלן. תקנים אלה ניתנים על ידי מדור J3016 של התאחדות התעשייה ההנדסית והרכב הבינלאומית, SAE (אגודת מהנדסי רכב), ובאירופה על ידי המכון הפדרלי לכבישים. זהו סיווג בן שש רמות מרמה אפס לרמה חמש. עם זאת, רמה אפס אינה מרמזת על אוטומציה אלא על שליטה אנושית מלאה ברכב.

רמה 1 -סיוע לנהיגה: סיוע ברמה נמוכה של המכונית כגון בקרת תאוצה או בקרת ההגה אך לא שניהם בו זמנית. כאן המשימות העיקריות כמו היגוי, שבירה, הכרת הסביבה עדיין נשלטות על ידי הנהג.

רמה 2 - אוטומציה חלקית: ברמה זו מכונית יכולה לסייע הן בהיגוי והן בתאוצה, בעוד שרוב התכונות הקריטיות עדיין מנוטרות על ידי הנהג. זו הרמה הנפוצה ביותר שאנחנו יכולים למצוא במכוניות שנמצאות על הכביש בימינו.

רמה 3 - אוטומציה מותנית: עוברת לרמה 3 בה המכונית עוקבת אחר תנאי הסביבה באמצעות חיישנים ונוקטת בפעולות הנדרשות כמו בלימה והתגלגלות על ההגה, ואילו הנהג האנושי נמצא שם כדי להתערב במערכת אם מתעורר מצב בלתי צפוי.

רמה 4 - אוטומציה גבוהה: זוהי רמת אוטומציה גבוהה בה המכונית מסוגלת להשלים את כל הנסיעה ללא התשוקה האנושית. עם זאת, מקרה זה מגיע עם תנאי משלו שהנהג יכול להחליף את הרכב למצב זה רק כאשר המערכת מגלה שתנאי התנועה בטוחים ואין פקק תנועה.

רמה 5 - אוטומציה מלאה: רמה זו מיועדת למכוניות אוטומטיות לחלוטין שלא קיימות עד כה. מהנדסים מנסים לגרום לזה לקרות. זה יאפשר לנו להגיע ליעד ללא קלט בקרה ידני להגה או לבלמים.

סוגים שונים של חיישנים המשמשים ברכב אוטונומי / נהיגה עצמית

ישנם סוגים שונים של חיישנים המשמשים ברכבים אוטונומיים, אך העיקריים שבהם כוללים שימוש במצלמות, RADAR, LIDAR וחיישני קולי. המיקום ואת הסוג של חיישנים המשמשים מכוניות אוטונומיות מוצגים להלן.

כל החיישנים שהוזכרו לעיל מזינים את הנתונים בזמן אמת ליחידת הבקרה האלקטרונית המכונה גם Fusion ECU, שם מעובדים נתונים בכדי לקבל מידע 360 מעלות על הסביבה הסובבת. החיישנים החשובים ביותר המהווים את הלב והנשמה של רכבים עם נהיגה עצמית הם חיישני ה- RADAR, ה- LIDAR והמצלמה, אך איננו יכולים להתעלם מהתרומה של חיישנים אחרים כגון חיישן אולטרה סאונד, חיישני טמפרטורה, חיישני איתור נתיבים ו- GPS..

הגרף המוצג להלן הוא ממחקר שנערך על פטנטים של גוגל המתמקד בשימוש בחיישנים בכלי רכב אוטונומיים או בנהיגה עצמית, המחקר נותח את מספר שדות הפטנטים בכל טכנולוגיה (חיישנים מרובים כולל Lidar, Sonar, Radar & מצלמות לאיתור אובייקטים ומכשולים, סיווג ומעקב) באמצעות חיישנים בסיסיים המשמשים בכל רכב שנוהג בעצמו.

התרשים שלעיל מציג את מגמות הגשת הפטנטים לרכבים בנהיגה עצמית תוך התמקדות בשימוש בחיישנים בו, שכן ניתן לפרש כי התפתחותם של כלי רכב אלה בעזרת חיישנים החלה בסביבות שנות השבעים. אמנם קצב ההתפתחות לא היה מהיר מספיק, אלא גדל בקצב איטי מאוד. הסיבות לכך יכולות להיות רבות כמו מפעלים לא מפותחים, מתקני מחקר ומעבדות לא מתאימים, אי זמינות של מחשוב יוקרתי וכמובן אי-זמינות של ארכיטקטורות האינטרנט המהירות, הענן והקצה לחישוב וקבלת החלטות של רכבים עם נהיגה עצמית.

בשנים 2007-2010 חלה צמיחה פתאומית של טכנולוגיה זו. מכיוון שבתקופה זו הייתה רק חברה אחת האחראית עליה Ie General motors ובשנים הבאות הצטרפה למירוץ הזה ענקית הטכנולוגיה גוגל וכעת חברות שונות עובדות על טכנולוגיה זו.

בשנים הקרובות ניתן לחזות שקבוצת חברות חדשה לגמרי תיכנס לתחום טכנולוגי זה שתקדם את המחקר בדרכים שונות.

RADAR ברכבים עם נהיגה עצמית

מכ"מ ממלא תפקיד חשוב בכך שעוזר לרכבים להבין את המערכת שלו. כבר בנו מערכת רדאר ארדואינו קולי פשוטה קודם לכן. טכנולוגיית הרדאר מצאה לראשונה את השימוש הרחב שלה במהלך מלחמת העולם השנייה, כאשר היישום של הממציא הגרמני כריסטיאן האולסמאייר הפטנט 'הטלמובילוסקופ' הוא יישום מוקדם של טכנולוגיית מכ"ם שיכולה לזהות ספינות במרחק של עד 3000 מ 'משם.

הפיתוח של טכנולוגיית הרדאר הביא היום במהירות, הביא מקרי שימוש רבים ברחבי העולם בצבא, במטוסים, בספינות ובצוללות.

איך עובד מכ"מ?

מכ"מ הוא ראשי תיבות של ra Dio ד etection nd r anging, ופחות או יותר מנקודה שמה זה יכול להיות מובן כי זה עובד על גלי רדיו. משדר מעביר את אותות הרדיו לכל הכיוונים ואם יש חפץ או מכשול בדרך, גלי רדיו אלה משקפים חזרה למקלט הרדאר, ההבדל בתדר המשדר ומקלט הוא פרופורציונאלי לזמן הנסיעה ובאמצעותו ניתן למדוד את מרחקים והבחנה בין סוגים שונים של אובייקטים.

התמונה שלהלן מציגה את גרף שידור וקליטת הרדאר, כאשר הקו האדום הוא האות המשודר והקווים הכחולים הם האותות שהתקבלו מאובייקט אחר לאורך זמן. מכיוון שאנו יודעים את זמן האות המועבר והקבל אנו יכולים לבצע ניתוח FFT לחישוב מרחק האובייקט מהחיישן.

שימוש ב- RADAR במכוניות עם נהיגה עצמית

מכ"מ הוא אחד החיישנים כי נסיעה מאחורי הפח של המכונית עבור מה שהופך אותו אוטונומי, שזה טכנולוגיה כבר בייצור של המכוניות מ 20 שנים עד עכשיו, וזה גורם אפשרי עבור מכונית יש בקרת שיוט אדפטיבית ו אוטומטית בלימת חירום. בשונה ממערכות הראייה כמו מצלמות היא יכולה לראות בלילה או במזג אוויר גרוע ויכולה לחזות את מרחק ומהירות האובייקט ממאות מטרים.

החיסרון עם RADAR הוא שאפילו המכ"מים המתקדמים מאוד לא יכולים לחזות את סביבתם בצורה ברורה. קח בחשבון שאתה רוכב אופניים שעומד מול מכונית, כאן מכ"ם לא יכול לחזות בוודאות שאתה רוכב אופניים אבל זה יכול לזהות אותך כאובייקט או מכשול ויכול לנקוט בפעולות הדרושות גם הוא לא יכול לנבא את הכיוון שאתה פונה אליו יכול לזהות רק את המהירות ואת כיוון התנועה שלך.

כדי לנהוג כמו בני אדם, כלי רכב חייבים קודם כל לראות כמו בני אדם. למרבה הצער, RADAR אינו ספציפי לפרטים שיש להשתמש בו בשילוב עם חיישנים אחרים ברכבים אוטונומיים. רוב חברות ייצור הרכב כמו גוגל, אובר, טויוטה ווימו מסתמכות במידה רבה על חיישן אחר בשם LiDAR מכיוון שהן פרטיות ספציפיות אך הטווח שלהן הוא כמה מאות מטרים בלבד. זהו יוצא מן הכלל הבלעדי של יצרנית הרכב האוטונומית TESLA מכיוון שהם משתמשים ב- RADAR כחיישן הראשי שלהם ומאסק בטוח שהם לעולם לא יזדקקו ל- LiDAR במערכות שלהם.

מוקדם יותר לא התרחשה התפתחות רבה עם טכנולוגיית הרדאר, אך כעת עם חשיבותם ברכבים אוטונומיים. ההתקדמות במערכת RADAR מועברת על ידי חברות טכנולוגיה וסטארטאפים שונים. החברות שאינם להמציא את התפקיד של המכ"ם נייד מפורטות להלן

בוש

הגרסה האחרונה של Bosch של RADAR עוזרת ליצור מפה מקומית שעליה יכול הרכב לנסוע. הם משתמשים בשכבת מפה בשילוב עם RADAR המאפשרת להבין את המיקום על בסיס מידע GPS ו- RADAR בדומה ליצירת חתימות דרכים.

על ידי הוספת הקלטים מ- GPS ו- RADAR, המערכת של בוש יכולה לקחת נתונים בזמן אמת ולהשוות אותם למפת הבסיס, להתאים את הדפוסים בין השניים ולקבוע את מיקומם בדיוק רב.

בעזרת טכנולוגיה זו מכונית יכולה לנהוג בעצמם בתנאי מזג אוויר גרועים מבלי להסתמך הרבה על מצלמות ולידר.

WaveSense

WaveSense היא חברת RADAR שבבוסטון המאמינה כי מכוניות בנהיגה עצמית אינן צריכות לתפוס את סביבתן כמו בני אדם.

ה- RADAR שלהם, בניגוד לשאר המערכות, משתמש בגלים חודרי קרקע כדי לראות דרך הכבישים על ידי יצירת מפה של פני הכביש. המערכות שלהם משדרות את גלי הרדיו 10 מטר מתחת לכביש ומקבלות את האות בחזרה הממפה את סוג הקרקע, הצפיפות, הסלעים והתשתיות.

המפה היא טביעת אצבע ייחודית של הכביש. מכוניות יכולות להשוות את מיקומן למפה טעונה מראש ולהתמקם בתוך 2 ס"מ אופקית ו -15 ס"מ אנכית.

גם טכנולוגיית הגלים אינה תלויה בתנאי מזג האוויר. באופן אוטומטי נעשה שימוש במכ"ם חודר קרקע בארכיאולוגיה, עבודות צינורות וחילוצים; wavense היא החברה הראשונה שמשתמשת בה למטרות הרכב.

Lunewave

אנטנות בצורת כדור מוכרות על ידי תעשיית RADAR מאז הופעתן בשנת 1940 על ידי הפיזיקאי הגרמני רודולף לונבורג. הם יכולים לספק יכולת חישה של 360 מעלות, אך עד כה הבעיה הייתה שהם היו קשים לייצור בגודל קטן לשימוש רכב.

עם התוצאה של הדפסת תלת מימד, הם יכולים להיות מתוכננים בקלות. Lunewave מתכננת אנטנות 360 מעלות בעזרת הדפסת תלת מימד בערך בגודל של כדור פינג-פונג.

העיצוב הייחודי של אנטנות מאפשר ל- RADAR לחוש מכשול במרחק של 380 מטר שהוא כמעט כפול מזה שאפשר להשיג באמצעות אנטנה רגילה. יתר על כן, הכדור מאפשר יכולת חישה של 360 מעלות מיחידה אחת, ולא תצוגה מסורתית של 20 מעלות. בגלל הגודל הקטן קל יותר לשלב אותו במערכת, והפחתה ביחידות ה- RADAR מקטינה את עומס התפרים הרב-תמונתיים על המעבד.

ליטרים ברכבים עם נהיגה עצמית

לידר מייצג Li ght D etection nd R anging, זה טכניקה הדמיה בדיוק כמו מכ"מ אבל במקום באמצעות גלי רדיו היא משתמשת אור (לייזר) עבור הדמיה הסביבה. זה יכול ליצור מפה תלת ממדית של הסביבה בעזרת ענן נקודה. עם זאת, היא לא יכולה להתאים לרזולוציה של המצלמה, אך עדיין היא ברורה דיה בכדי לומר לכיוון אליו אובייקט פונה.

איך עובד LiDAR?

בדרך כלל ניתן לראות את LiDAR על גבי רכבים עם נהיגה עצמית כמודול מסתובב. כשהוא מסתובב, הוא פולט אור במהירות גבוהה 150,000 פעימות בשנייה ואז הוא מודד את הזמן שנדרש להם לחזור אחרי שהם פוגעים במכשולים לפניו. כאשר האור נע במהירות גבוהה, 300,000 ק"מ לשנייה הוא יכול למדוד את מרחקי המכשול בקלות בעזרת הנוסחה Distance = (Speed ​​of Light x Time of Flight) / 2 וכמרחק של נקודות שונות ב הסביבה נאספת היא משמשת ליצירת ענן נקודתי שיכול להתפרש לתמונות תלת ממדיות. LiDAR בדרך כלל מודד את הממדים האמיתיים של האובייקטים, מה שמעניק נקודת פלוס אם משתמשים ברכבי רכב. תוכל ללמוד עוד על LiDAR ועבודתו במאמר זה.

שימוש ב- LiDar במכוניות

למרות ש- LiDAR נראית טכנולוגיית הדמיה בלתי ניתנת לשליחה, יש לה חסרונות משלה כמו

• עלות תפעול גבוהה ותחזוקה קשה
• לא יעיל בזמן גשם כבד
• הדמיה לקויה במקומות עם זוויות שמש גבוהות או השתקפויות ענק

לצד החסרונות הללו חברות כמו Waymo משקיעות רבות בטכנולוגיה זו כדי לשפר אותה מכיוון שהן מסתמכות רבות על טכנולוגיה זו עבור כלי הרכב שלהן, אפילו Waymo משתמשת ב- LiDAR כחיישן העיקרי להדמיית הסביבה.

אך עדיין יש חברות כמו טסלה המתנגדות לשימוש ב- LiDAR ברכבים שלהן. מנכ"ל טסלה, אילון מאסק, התייחס לאחרונה לשימוש ב"לידר הוא שליח שוטה וכל מי שנשען על לידר נידון ". חברת טסלה שלו הצליחה להשיג נהיגה עצמית ללא LiDAR, החיישנים המשמשים בטסלה וטווח הכיסוי שלה מוצג להלן.

זה מתרחש ישירות נגד חברות כמו פורד, GM קרוז, אובר ווימו שחושבות ש- LiDAR הוא חלק מהותי מחבילת החיישנים, מושק שצוטט עליה כ- " LiDAR צולע, הם הולכים לזרוק את LiDAR, לסמן את דברי. זו התחזית שלי. ” כמו כן, אוניברסיטאות מגבות את החלטתו של מושק להשליך את LiDAR מכיוון ששתי מצלמות זולות משני צידי הרכב יכולות לזהות עצמים בדיוק של LiDAR בדיוק בשבריר מהעלות של LiDAR. המצלמות המוצבות משני צידי מכונית טסלה מוצגות בתמונה למטה.

מצלמות ברכבים עם נהיגה עצמית

כל כלי הרכב הנהיגה העצמית משתמשים במצלמות מרובות כדי להשקיף על 360 מעלות על הסביבה שמסביב. נעשה שימוש במצלמות מרובות מכל צד כמו קדמי, אחורי, שמאל וימין ולבסוף התמונות נתפרו יחד כדי לקבל תצוגה של 360 מעלות. בעוד שלחלק מהמצלמות יש שדה ראייה רחב עד לטווח של 120 מעלות וטווח קצר יותר והשנייה מתמקדת בתצוגה צרה יותר כדי לספק ויזואליות לטווח ארוך. לחלק מהמצלמות ברכבים אלו יש אפקט עין הדג כך שיהיה לו נוף פנורמי רחב במיוחד. כל המצלמות הללו משמשות עם כמה אלגוריתמים לראיית מחשב שמבצעים את כל הניתוחים והזיהוי עבור הרכב. אתה יכול גם לבדוק מאמרים אחרים הקשורים לעיבוד תמונות שסיקרנו קודם.

שימוש במצלמה במכוניות

מצלמות ברכבים משמשות הרבה מאוד זמן עם יישום כמו סיוע בחניה וניטור אחורי המכוניות. כעת ככל שהטכנולוגיה של נהיגה עצמית מתפתחת, חושבים מחדש את תפקיד המצלמה ברכבים. בעוד שהם מספקים נוף סביבתי של 360 מעלות על הסביבה, המצלמות מסוגלות לנהוג ברכבים באופן אוטונומי בכביש.

כדי להשקיף על הכביש, מצלמות משולבות במקומות שונים ברכב, מלפנים נעשה שימוש בחיישן מצלמה עם תצוגה רחבה המכונה גם מערכת ראייה דו-עינית ובצד שמאל וימין משתמשים במערכות ראיה חד-עיניות ומאחור. סוף נעשה שימוש במצלמת חניה. כל יחידות המצלמה הללו מביאות את התמונות ליחידות הבקרה והיא תופרת את התמונות כך שהן תצוגת סראונד.

סוג אחר של חיישנים ברכבים עם נהיגה עצמית

מלבד שלושת החיישנים הנ"ל, ישנם סוגים אחרים של חיישנים המשמשים ברכבים עם נהיגה עצמית למטרות שונות כגון זיהוי נתיב, ניטור לחץ צמיגים, בקרת טמפרטורה, בקרת תאורה חיצונית, מערכת טלמטיקה, בקרת פנסים וכו '.

העתיד של רכבים עם נהיגה עצמית הוא מרגש ונמצא עדיין בפיתוח, בעתיד חברות רבות יתייצבו כדי לרוץ את המירוץ, ועם זאת ייווצרו חוקים ותקנים רבים ושונים לשימוש בטכנולוגיה זו.