Technologia LIDAR szturmem zdobywa rynek automotive. Lidary, obok dobrze znanych i szeroko stosowanych kamer, radarów i systemu GPS, stanowią element, który w znaczący sposób może w niedługim czasie wpłynąć na rozwój jazdy autonomicznej. Co to jest i jak to działa wyjaśniamy w naszym artykule przygotowanym przy współpracy z Oskarem Błaśkiewiczem, liderem projektu w Centrum Inżynieryjnym ZF w Łodzi.

Co to jest lidar – trochę teorii

LIDAR, czyli Light Detection and Ranging, to laser i teleskop w jednym. Zasada jego działania opiera się na wysyłaniu impulsów światła o określonej długości fali. Ulegające po drodze rozproszeniu światło jest obserwowane przez cały czas za pomocą teleskopu i rejestrowane za pomocą detektora, fotopowielacza i kamer. Na końcu dane trafiają do komputera, gdzie są dokładnie analizowane. Technologia lidarowa stosowana jest między innymi w meteorologii, archeologii i przy tworzeniu nowoczesnych modeli terenu. Coraz częściej występuje ona także w samochodach.

Lidar w motoryzacji

Zasada działania technologii LIDAR pozwala na uzyskanie znacznie większej precyzji w porównaniu z technologiami radarowymi, montowanymi obecnie w nowych samochodach i mającymi za zadanie analizę otoczenia pojazdu.

– Aktualnie stosowane są głównie dwie technologie. Jedna z nich polega na wykorzystaniu krótkiego impulsu laserowego – może być generowanych nawet 150 000 impulsów na sekundę. Jeśli taki impuls uderzy w przedmiot np. inny samochód, zostaje on odbity, a odległość od obiektu, jego pozycja oraz ostatecznie jego kształt określane są na podstawie tak zwanego czasu przelotu. – wyjaśnia Oskar Błaśkiewicz, lider projektu w Centrum Inżynieryjnym ZF. – Druga technologia polega na emitowaniu światła w sposób ciągły. W tym przypadku analizie podlega zmiana fazy pomiędzy odebranym a wysłanym impulsem. Fale radiowe mają dużo mniejszą absorbcję w porównaniu do fal świetlnych w kontakcie z różnymi obiektami. Dzięki temu za pomocą technologii LIDAR można uzyskać dużo większą rozdzielczość i dzięki temu „narysować” dużo dokładniejszą mapę terenu z większą ilością szczegółów. Wysokiej klasy czujniki lidarowe potrafią rozpoznać szczegóły rzędu kilku centymetrów w odległości większej niż 100 metrów.

Technologia LIDAR ma również kilka wad. Czujniki lidarowe mają bardzo określony zakres „widoczności” z zadaną rozdzielczością.

– Pojedynczy czujnik jest w stanie zbierać dane z otoczenia samochodu z dokładnością określonej odległości od pojazdu np. do 30 m. Drugi czujnik będzie miał zaś „widoczność” w zakresie 30-200 m. W kompleksowych systemach jeden moduł lidarowy może zatem zawierać do kilku czujników, tak aby był w stanie wykluczyć wspomnianą wadę i móc zapewnić obserwowalność całej pożądanej przestrzeń wokół samochodu. – opisuje Błaśkiewicz.

Drugim słabym punktem lidarów jest wydajność. Może ona obniżyć się z powodu takich czynników jak śnieg, mgła czy deszcz, czyli ogólnie warunków pogodowych, które mogą zakłócić przepływ fal świetlnych.

Tworzenie oprogramowania

W przypadku systemów lidarowych proces ten wygląda bardzo podobnie jak w przypadku systemów radarowych lub innych systemów ADAS (ang. Advanced Driver Assistance Systems). Lidary jednak potrzebują dużo większej mocy obliczeniowej.

– Związane jest to z faktem współistnienia w systemie lidarowym wielu czujników. W jednym module, który może „obserwować” np. dany róg samochodu, może występować kilka czujników o różnym polu widzenia. Do przetworzenia tak dużych map punktów wymagany jest odpowiedni sprzęt, który poza mocą obliczeniową, musi również dobrze odprowadzać ciepło wytwarzane przy tak intensywnych obliczeniach, spełniając przy tym wymagania odnośnie wymiarów samego komponentu. Aby system mógł działać sprawnie tworzone algorytmy muszą działać z określonymi ramami czasowymi, tak aby informacja o otoczeniu mogła jak najszybciej trafić do jednostki centralnej samochodu, która następnie podejmie odpowiednią decyzję. – tłumaczy Oskar Błaśkiewicz.

Systemy lidarowe tworzone dla rynku motoryzacyjnego muszą przejść wiele testów, aby spełnić obowiązujące normy oraz uzyskać niezbędne certyfikaty. Proces opracowywania gotowego produktu, który docelowo trafi do użytku, jest złożony i czasochłonny. Należy mieć na uwadze fakt, że czujniki lidarowe montowane w samochodach muszą być dostosowane do każdych warunków środowiskowych, uwzględniając zarówno mocno ujemne temperatury, jakie występują np. w Finlandii, jak również bardzo gorące regiony, takie jak np. w Australii. Systemy te powinny pracować wiele lat bez awarii, gdyż są związane bezpośrednio z bezpieczeństwem wszystkich uczestników ruchu.

Nad czym pracuje ZF?

Firma ZF rozwija produkty mające zapewnić wspomaganie i bezpieczeństwo kierowcy podczas codziennej jazdy samochodem, tak aby przemieszczanie się za pomocą pojazdów przyszłości było łatwiejsze i przyjemniejsze.

– Wizja autonomicznej jazdy wymaga integracji wielu systemów. Każdego rodzaju czujnik dostarcza unikatowych danych, niekiedy pokrywających się, ale jednak często uzupełniających się. Dopiero połączenie wszystkich danych daje szeroki pogląd o otaczającym pojazd środowisku oraz zmianach w czasie położenia tego pojazdu względem obiektów środowiska. Technologia LIDAR pozawala na wykonanie kolejnego milowego kroku w rozwoju koncepcji autonomiczności pojazdów. – podsumował Błaśkiewicz.

Dzięki rozwojowi technologicznemu systemów lidarowych, radarowych i kamer jesteśmy coraz bliżej sytuacji, w której samochód będzie mógł poruszać się po drogach samodzielnie, spełniając wymagania kolejnych poziomów autonomicznej jazdy. Czujniki lidarowe pomogą zwiększyć bezpieczeństwo na drodze przez szybsze wykrycie innych uczestników ruchu drogowego lub – dla przykładu – sytuacji wtargnięcia obiektu na jezdnię, dzięki czemu samochód będzie miał więcej czasu na podjęcie decyzji i odpowiednią reakcję.