Лидар в автомобиле: что такое Lidar


LIDAR (Light Detection And Ranging) это световая система обнаружения и измерения дальности. Автономность работы машин и других подобных устройств, основана на использовании лидарных оптических сканеров. В автомобилестроении для автономного вождения используются лидары с дальностью более 100 метров и угловым разрешением 0,1 °, но не всем автономным устройствам требуются такие хорошие параметры. Там где просто нужна помощь при парковке или обнаружение препятствий при уборке, достаточно более простых и дешевых детекторов.

Существует множество технологий измерения дальности, таких как микроволновые радарные датчики, стереоскопические оптические системы, акустические ультразвуковые детекторы и лидары.

Каждый из этих датчиков представляет собой своего рода компромисс между производительностью, размером и ценой решения.

  • Ультразвуковые датчики самые дешевые, но имеют ограниченный диапазон, разрешение и надежность обнаружения.
  • Радарный имеет гораздо лучшую дальность и надежность обнаружения объектов, но заметные ограничения по угловому разрешению.
  • Стереоскопия с двумя камерами может потребовать больших вычислительных мощностей и имеет ограничения по точности, если система не откалибрована должным образом.

Лидар же помогает заполнить эти пробелы благодаря точному измерению дальности, низкому угловому разрешению и небольшим вычислительным ресурсам, необходимым для обработки данных даже на больших расстояниях. Тем не менее лидары обычно воспринимаются как громоздкие и дорогостоящие, что не всегда правда.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Проектирование автономной лидарной системы начинается с определения мельчайшего объекта, который она должна обнаружить, определения коэффициента отражения света и расстояния до него. Это обозначит необходимое угловое разрешение детектора и на основе этого можно дополнительно рассчитать минимальное значение отношения сигнал / шум (SNR), которое необходимо для обеспечения достоверности обнаружения.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar

Понимание того как работает лидар необходимо для достижения правильного компромисса при проектировании и поиска оптимального решения с точки зрения как стоимости, так и производительности. Например рассмотрим автономный автомобиль, движущийся по дороге со скоростью 100 км / ч, и автономный робот, движущийся по пешеходной зоне или складу со скоростью 5 км / ч. В случае высокой скорости может быть важно учитывать не только само транспортное средство, но и другую машину, движущуюся с той же скоростью в противоположном направлении. Для системы восприятия окружающей среды это эквивалентно приближению объекта с относительной скоростью 200 км / ч. В случае лидарного датчика который обнаруживает объекты на максимальном расстоянии 200 м, транспортные средства уменьшают их взаимное расстояние на 25% в секунду. То есть для устройств высокоскоростного обнаружения объектов необходимы лидары с большей дальностью.


Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Лидар с 32 вертикальными лучами, сканирующий окружающую среду по горизонтали с угловым разрешением 1 °

Разрешение — важная характеристика. Высокое угловое разрешение позволяет принимать сигналы отраженные множеством пикселей от одного объекта. Как показано на рисунке, угловое разрешение 1 ° переводится в пиксели изображения, соответствующие квадратам размером 3,5 метра на расстоянии 200 метров.

Пиксели изображения такого размера больше чем многие объекты которые необходимо обнаружить, что является проблемой. поэтому пространственное усреднение часто используется для улучшения отношения сигнал / шум и, следовательно, обнаруживаемости, но с одним пикселем на объект это невозможно, потому что нет необходимости в усреднении. Более того, даже если объект обнаружен, определить его размер становится невозможно. Ведь осколок или деталь упавшая с автомобиля, животного, дорожного знака или мотоцикла, обычно меньше размера 3,5 метров.

Для определения того, безопасно ли проходить объект, требуется гораздо более высокое разрешение детектора по по вертикальному углу по сравнению с азимутом. Они важны, например, для автономного робота-пылесоса, который движется медленно и должен обнаруживать узкие но высокие объекты, такие как ножки стула.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Блок-схема типичной лидарной схемы с системой сканирования узким лучом

Определив расстояние и скорость обнаруживаемого объекта, а также последующие требования к характеристикам, можно определить архитектуру (метод обнаружения) лидарной системы. Например Analog Devices предоставляет множество необходимых компонентов для построения такой системы.

AD-FMCLIDAR1-EBZ — эффективная платформа-прототип для лидарного датчика на основе ToF с инфракрасным лазером 905 нм. Он позволяет быстро создавать прототипы робототехнических систем, дронов, сельскохозяйственной и строительной техники, а также решений класса ADAS / AV. Это эталонный проект, предназначенный для разработки устройств с большой дальностью обнаружения.

Источником света управляет встроенный драйвер ADP3634, взаимодействующий с двойным 4-х амперным полевым МОП-транзистором. Детектор представляет собой матрицу из 16 фотодиодов с лавинным дублированием (APD). Они питаются от программируемого источника LT8331, который генерирует высокое напряжение необходимое для их работы. Далее следует 4-х канальный трансимпедансный усилитель (TIA) LTC6561, выбранный из-за низкого уровня шума и высокой пропускной способности.

Сведение к минимуму энергопотребления датчика важно, поскольку меньшее тепловыделение упрощает механическую конструкцию и позволяет уменьшить размер датчика.

Здесь все поле зрения освещается широким расходящимся лазерным лучом за одну короткую вспышку. Обнаружение основано на измерении времени пролета от источника до объекта и обратно (ToF) и матричном датчике (так называемая 2D-камера), с которого каждый пиксель собирает информацию о местоположении и интенсивности отраженного сигнала. Информация о дальности собирается на основе времени пролета лазерного импульса до объекта и обратно.

Полезное:  Видеокамера для скрытого видеонаблюдения беспроводная. Обзор, отзывы, цена.
Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Архитектура флэш-лидарной системы с матричным детектором AD-FMCLIDAR1-EBZ

Рабочий диапазон зависит от частоты дискретизации АЦП. Он также отвечает за точность определения дальности, поскольку позволяет системе точно знать как далеко находится объект, что может быть критичным в случаях когда требуется безопасное перемещение на короткие расстояния, например при парковке авто.

Кроме того, для расчета скорости можно использовать последовательные измерения расстояния, но точность схемы измерения является ключом к достижению надежных результатов. Используя простой алгоритм с порогом, такой как прямой ToF, можно достичь точного измерения расстояния в 15 см для частоты дискретизации 1 нс, то есть с использованием преобразователя 1 Гвыб / с.

Используя интерполяцию данных нескольких последовательных измерений, измерение расстояния может быть дополнительно улучшено за счет статистической обработки данных, обеспечивающей устранение шума. В качестве оценки можно предположить, что точность определения дальности может быть улучшена за счет квадратного корня из отношения сигнал / шум.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Лидарный модуль EVAL-ADAL6110-16

Другой комплект, называемый EVAL-ADAL6110-16, представляет собой настраиваемый двумерный лидар со вспышкой для устройств, требующих обнаружения / отслеживания объектов в реальном времени (65 Гц), таких как предотвращение столкновений, мониторинг высоты и системы мягкой посадки. Оптика используемая в этой эталонной конструкции, обеспечивает поле обзора (FOV) 37 ° (азимут) на 5,7 ° (высота). При использовании горизонтально ориентированной 16-ти элементной матрицы, размер пикселя на расстоянии 20 м сравним с размером человека (0,8 х 2 м).

Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Размеры линейки фотодиодов Hamamatsu S8558

Обработка сигналов основана на чипе ADI ADAL6110-16, который представляет собой 16-ти канальный процессор лидарных сигналов (LSP) с низким энергопотреблением. Он обеспечивает контроль времени освещения объекта и контроль дискретизации принятой волны. Интеграция ключевых блоков в одну микросхему снижает уровень шума, позволяет уменьшить размер и вес сенсора, а также потребление энергии. Модуль получает питание 5 В от USB-разъема и может быть интегрирован с устройством с использованием одного из четырех доступных протоколов связи: SPI, USB, CAN или RS-232.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Основные соотношения углового разрешения сенсора с простой оптической системой

Он поставляется с 16-элементной фотодиодной линейкой Hamamatsu S8558. Размер пикселя для объектива 20 мм составляет 0,8 х 2 мм.

Лидар в автомобиле: что такое Lidar
Возможные реализации лидара, которые могут помочь повысить безопасность

Для объектива с фокусным расстоянием 20 мм, вертикальное и горизонтальное поле зрения (FOV) на пиксель можно рассчитать с помощью тригонометрии, как показано на рисунке. Линейка с 16 пикселями подходит для таких устройств, как системы предотвращения столкновений в автономных автомобилях и роботах. Имеется также версия с матричным детектором 4 х 4, позволяющая обнаруживать объекты рядом с определенной точкой и определять направление их движения. Они разработаны для предупреждения водителя о потенциальном столкновении с автомобилем, велосипедом или пешеходом.



   Форум по электронике и автосхемам

НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ