Ця стаття присвячена еволюції систем LiDAR і RADAR, а також їхньому впливу на сферу автономного водіння.
LiDAR (Light Detection and Ranging) — це технологія, яка використовує лазерне випромінювання для вимірювання відстані та створення детальних тривимірних карт об’єктів і навколишнього середовища. Принцип її роботи полягає у випромінюванні лазерних імпульсів і вимірюванні часу, за який світло повертається після відбиття від об’єкта.
LiDAR широко застосовується в різних сферах, зокрема в автономному транспорті для виявлення об’єктів і навігації, а також у геодезії та картографуванні для отримання точних топографічних даних. Завдяки високій точності вимірювання відстаней і детальному картографуванню ця технологія стала невід’ємною частиною сучасних систем дистанційного зондування.
До 2010 року під терміном «LiDAR» зазвичай розуміли систему TOF LiDAR (Time of Flight LiDAR). Такі датчики працюють за принципом випромінювання лазерного імпульсу в навколишнє середовище та вимірювання часу, який необхідний для його повернення. Використовуючи цей метод, LiDAR визначає відстань до об’єктів, що дозволяє створювати точні тривимірні моделі простору.
Залежно від кількості вертикальних шарів, які має LiDAR, ви можете мати 2D або 3D LiDAR, який створює хмару точок.
Хмари точок 2D; 3D LiDAR
Однією з ключових переваг LiDAR є його висока точність вимірювань, оскільки ця технологія забезпечує лазерну точність. LiDAR використовує лазерні імпульси для випромінювання променів, вимірювання відстаней і створення детальних 3D-карт. Крім того, багато систем комп’ютерного бачення навчаються саме за допомогою позначок, отриманих через ToF LiDAR.
Проте ця технологія має і певні обмеження. Зокрема, якщо необхідно виміряти швидкість об’єкта, потрібно розраховувати різницю між двома послідовними позначками часу, що ускладнює аналіз у реальному часі.
RADAR (Radio Detection and Ranging) – це технологія, що працює на основі випромінювання електромагнітних хвиль, які відбиваються від перешкод. На відміну від камер або LiDAR, RADAR може функціонувати за будь-яких погодних умов і навіть «бачити» крізь певні перешкоди.
Однією з ключових переваг цієї технології є використання ефекту Доплера, який дозволяє вимірювати:
RADAR є добре розвиненою технологією, яка використовується понад 100 років у різних галузях, включаючи авіацію (управління повітряним рухом), автомобільну промисловість, системи виявлення ракет та навіть прогнозування погоди. Завдяки здатності ефективно працювати в різних умовах і виявляти об’єкти на великих відстанях, RADAR залишається надійним інструментом у сфері зондування.
Попри свою ефективність, RADAR має певні обмеження. Хоча його вихідні дані подаються у 3D-форматі, насправді це лише двовимірне зображення. Справжньої висоти кожної точки не вдається отримати, а третій вимір фактично є оцінкою швидкості перешкод, розрахованою за допомогою ефекту Доплера.
При порівнянні різних технологій можна виділити такі ключові моменти:
Використання всіх трьох типів датчиків у безпілотних транспортних засобах значно підвищує їхню вартість. Саме тому компанії, такі як Tesla, вирішили відмовитися від RADAR і LiDAR на користь камер, що стало для них найбільш вигідним рішенням з економічної точки зору.
Однак із розвитком технологій з’явилися нові системи 4D LiDAR і 4D RADAR, які значно покращили оцінку глибини, формування хмар точок і можливість безпосереднього вимірювання швидкості. Інтеграція цих рішень із передовими методами обробки даних сприяє підвищенню ефективності в таких сферах, як міське планування та реагування на надзвичайні ситуації.
Серед новітніх технологій, що змінюють підхід до автономного водіння, можна виділити дві ключові системи:
Хоча вони не є абсолютно новими розробками, їхня активна інтеграція та поширення на ринку відбувається саме зараз. Раніше LiDAR і RADAR вважалися доповнюючими один одного технологіями, однак завдяки новим можливостям вони можуть стати конкурентами.
FMCW LiDAR (Frequency Modulated Continuous Wave LiDAR) або 4D LiDAR
FMCW LiDAR, також відомий як 4D LiDAR або Doppler LiDAR, є типом LiDAR-системи, яка не лише забезпечує дані про глибину, а й безпосередньо вимірює швидкість об’єктів. Його принцип роботи заснований на ефекті Доплера, що є адаптацією технології Doppler RADAR для світлових датчиків.
Для реалізації цього підходу LiDAR застосовує зміну частоти відбитої хвилі, що дозволяє визначати швидкість руху об’єкта. Саме цей ефект використовується в системах FMCW LiDAR, але з використанням світлових хвиль замість радіохвиль.
AMCW LiDAR: Альтернативний підхід
Окрім FMCW LiDAR, існує ще один тип – AMCW LiDAR (Amplitude Modulated Continuous Wave LiDAR), який працює за іншим принципом. Головна відмінність між ними полягає у способі обробки сигналу: FMCW LiDAR аналізує частоту хвиль, тоді як AMCW LiDAR – амплітуду.
У традиційних LiDAR-системах частота хвиль не враховується. Лазерні промені випромінюються, а потім вимірюється амплітуда хвиль, що дозволяє визначити наявність об’єкта. Таким чином, кожен тип LiDAR має власний метод роботи:
Перехід від 3D до 4D RADAR забезпечує значно кращу роздільну здатність і зменшення рівня шуму. Саме цим відзначаються сучасні Imaging RADAR, які набувають дедалі більшої популярності. Завдяки вдосконаленій технології ці системи отримали навіть неофіційну назву – “RADAR на стероїдах”.
Технологія MIMO-антен
Основним принципом роботи 4D RADAR є використання антен MIMO (Multiple Input Multiple Output). На відміну від традиційних 3D RADAR, які обмежені горизонтальним виявленням, ці системи містять десятки малих антен, що випромінюють хвилі як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках.
Завдяки цьому покращується роздільна здатність, збільшується дальність виявлення та підвищується точність розпізнавання. Такі RADAR-системи можуть навіть розрізняти людей усередині транспортного засобу, відокремлюючи дітей від дорослих. Це значно розширює можливості безпілотних автомобілів, роблячи їх ще більш безпечними та ефективними.
Основна ідея антен MIMO
Джерело: thinkautonomous
