LIDAR, lasere og logik: Anatomi af et autonomt køretøj

Autonome køretøjer har fået meget opmærksomhed på det seneste, og hvis dette holder CES profeterede hvad som helst, det er, at denne teknologiske trend har nogle seriøse kilometertal. Med virksomheder som Audi, Lexus, og Google ved at udforske måder at skubbe køreoplevelsen ind i det 21. århundrede, er vi ikke langt fra en fremtid, hvor kørslen foregår med maskine – ikke mennesker. Men før du kan skynde dig ud til din lokale forhandler (bare for sjov; ingen af ​​disse er hos din lokale forhandler) for at få et glimt af vores automatiserede overlords, vil du bemærke en slående lighed på tværs af stort set alle modeller: LIDAR. Vi ved, hvad du tænker: Hvad-DAR?

Frikkin lasere

En af de mest integrerede, dyre og bemærkelsesværdige stykker udstyr, der findes i et autonomt køretøj, er den tagmonterede, Death Star-lignende LIDAR-sensor. LIDAR, som står for Light Detection and Ranging, er en fjernregistreringsteknologi, der måler og kortlægger afstanden til mål, såvel som andre egenskaber ved objekter på dens vej. LIDAR kortlægger i det væsentlige sine omgivelser ved at belyse sine mål med laserlys og derefter analysere dette lys for at skabe et digitalt billede i høj opløsning.

Mens LIDAR-sensorer anvendes i stort set alle autonome forskningskøretøjer, har teknologien allerede været med i biler med adaptive fartpilotsystemer (ACC).

I køretøjer med ACC bruges en LIDAR-enhed monteret foran på køretøjet, ligesom kofangeren, til at overvåge afstanden mellem det pågældende køretøj og enhver bil foran det. Hvis det forankørende køretøj bremser eller kommer for tæt på, aktiverer ACC uafhængigt bremserne for at bremse køretøjet. Når vejforholdene åbner op, tillader ACC et køretøj at accelerere til en hastighed, som er forudindstillet af føreren. Se min anmeldelse af 2013 Mercedes SL550 for et eksempel på et køretøj med adaptiv fartpilot.

Tagmonterede LIDAR-sensorer fungerer dog lidt anderledes og opfører sig på samme måde som, hvad du ville se oven på en satellitinstallation på en flyveplads eller ombord på et lille fiskefartøj.

Her har vi en lav-spin-skål (f.eks. 1 rpm), der samler lang rækkevidde, lav opløsning målretning af andre objekter (andre fartøjer eller fly for eksempel). Denne lavopløselige feedback kan fungere for stationære installationer, men køretøjer har brug for meget højere opløsningsbilleder og på meget tættere afstand.

Selvom det ikke er officielle tal, regner omdrejningstallet med f.eks. Lexus’ AASRV-køretøj, vist på CES, kan spinde ved 600 rpm. Denne stigning i omdrejninger giver køretøjet mulighed for at kortlægge sine omgivelser med større detaljer, hastighed (mindre end en dusin millisekunder) og nøjagtighed, som er afgørende på en vejbane, hvor forholdene er konstant skiftende.

I øjeblikket er LIDAR-sensorer ikke bygget internt, men de er kommercielt tilgængelige – og dyre. Åh så meget dyrt. En top-of-the-line Velodyne-sensor kan f.eks. hente 70.000 dollars pr. pop og kan findes hypnotisk rundt omkring på Googles, Lexus' og Audis forskningsbiler.

Køreplan til autonomi

LIDAR er måske det mest iøjnefaldende stykke førerløs teknologi, men som Paul Williamsen, Global Manager of Education and Training for Lexus International, fortæller mig, at autonome køretøjers anatomi, inklusive LIDAR, omfatter fire relativt brede domæner:

• At lave et køretøj, hvor du kan styre styringen, kraftforsyningen og brydningen – alt sammen automatisk.
• Teknologi, der gør det muligt for køretøjet at fornemme miljøet omkring det
• Behandlingen – hvad bestemmer køretøjet, hvilke beslutninger træffer det baseret på fornemmelsen af, hvad der foregår omkring det
• Outputtet - hvilke handlinger foretager køretøjet baseret på denne behandling

Fremtidens bølge

Ud over at LIDAR giver sensorisk feedback, anvender autonome køretøjer en knap så ny teknologi kaldet millimeterbølgeradar, som involverer forskellige infrarøde og optiske sensorer placeret foran, på siderne og bagved kvarte af et køretøj.

Som du uden tvivl husker fra gymnasiets naturfag, udsender millimeterbølgeradar ekstremt høj frekvens (kort) bølgelængder, som er ideel til at detektere genstande (biler, fodgængere og store dyr) i et køretøjs umiddelbare nærhed.

Infrarøde og optiske sensorer har allerede stor betydning i de nuværende Audi-, Lexus-, Acura-, Subaru- og Mercedes-køretøjer. Lexus’ 2013 LS 460, for eksempel sport, hvad der kaldes et Advanced Pre-Collision System (A-PCS). Dette fungerer sammen med millimeterbølgeradar, frontvendte nær infrarøde projektorer og et frontmonteret stereokamera. I det væsentlige er A-PCS designet til at undgå kollisioner ved lav hastighed ved at scanne køretøjer i nær-til-fjern nærhed, bestemme potentielle kollisioner, og udsende audiovisuelle indikatorer, hvis en fare er til stede, og i sidste ende opererer autonomt ved at anvende nødbremsningsmodforanstaltninger.

Som du kan se, er autonom køretøjsteknologi en blanding af sansnings- og behandlingsprotokoller. Mens millimeterbølgeradarsensorer kan placeres i og omkring køretøjet, er sådanne eksempler som dem, der er set på både Google- og Lexus-prototyper har de typisk endnu flere sensorer hængt i beslag fra et køretøjs kofangere. Disse giver mulighed for endnu større radarføling til siderne af køretøjet, i modsætning til kun fronten. På denne måde kan information indsamles nøjagtigt i tilstødende vejbaner, tværgader og kryds.

Flokens hjerner

Selvfølgelig skal al denne information indsamles og behandles, hvorfor selvkørende køretøjer nu og i fremtiden vil gøre brug af relativt kraftige indbyggede computere. Som Lexus' Paul Williamsen forklarer: "Køretøjet, vi viste på CES, har faktisk en række kraftige computere i bilens bagagerum, computere, som du og jeg måske har på dit skrivebord."

I modsætning hertil er de computere, der i øjeblikket optager plads i vores køretøjer, relativt uklare til sammenligning, som Williamsen yderligere forklarer, "den mest kraftfulde computer i et konventionelt køretøj er en meget simpel computer, fordi vi har brug for absolut fuldstændig pålidelighed, de kører med en ret langsom urhastighed, de kører med en temmelig lav mængde hukommelse og med et ret simpelt antal ord i deres samlede programmering, og det er fordi vi har brug for absolutte båd-anker niveauer af pålidelighed"

"Til forskning i autonome køretøjer bruger vi computere … der er hundreder eller tusinder af gange stærkere til at udføre behandlingen, for at sammensætte informationen om de komplekse LIDAR-billeder og den information, vi får fra flere millimeterbølgeradarsensorer."

Kørsel, minus chaufføren

Så vi har LIDAR, vi har millimeterbølgeradar, og vi har en almægtig Autobot-hjerne, der kører showet. Men hvad er det egentlig, der driver digital Miss Daisy? For at et autonomt køretøj kan fungere, skal det styres elektronisk, automatisk eller for at låne et meget mere science-fiction-udtryk, robotisk. Disse "robotter" vil ikke vælte regeringen, men i stedet overtage alle detaljerne ved kørsel. Mere end det, skal de alle arbejde sammen og, måske endnu vigtigere, uafhængige af ethvert menneskeligt input.

I Toyota/Lexus’ tilfælde har dets køretøjer, nemlig dets hybridbiler, allerede det, som virksomheden henviser til som et "sofistikeret hybridsystem", der er i stand til elektronisk at styre bremsning, styring og acceleration. Dette særlige domæne af autonome køretøjsteknologier er afgørende, og er en af ​​grundene til, at Google bruger Toyota/Lexus hybrider. I den forbindelse behøver internetgiganten ikke at udvikle sin egen elektronisk styrede grænseflade, men i stedet blot finde ud af en måde at omvendt konstruere den kommunikation, der gør det muligt for den at skabe forskellige styring, gas og bremsning kommandoer.

Mens LIDAR bestemt er det mest visuelt fremtrædende stykke førerløs teknologi, er alle aspekter af et autonomt køretøj nænsomt sammenflettet med dette roterende midtpunkt. De automatiske styrestyringer afhænger af millimeterbølgeradaren, mens tagmonteret LIDAR febrilsk indsamler og kortlægger vital information. Disse oplysninger skal behandles, beregnes og i sidste ende føres tilbage til de automatiserede kontroller; dermed fuldende denne halcyon cirkel af automotive trolddom.

Redaktørens anbefalinger

• Hvordan en stor blå varebil fra 1986 banede vejen for selvkørende biler
• Apple Car vil være fuldstændig autonom uden førerinput, hævder insidere
• Ford afslører køretøjet, der er bestemt til dets autonome biltjenester
• Tag en tur i Audis AI: Mig, fremtidens autonome bybil
• Californiere kan nu få deres dagligvarer leveret af autonome køretøjer