- Història dels cotxes autònoms
- Diversos tipus de sensors utilitzats en vehicles autònoms / autònoms
- RADAR en vehicles autònoms
- LiDars en vehicles autònoms
- Càmeres en vehicles autònoms
- Altres tipus de sensors en vehicles autònoms
Un bon matí creueu la carretera per arribar a l’oficina de l’altre costat, just quan esteu a la meitat del camí, observeu una peça de metall sense conductor, un robot, que avança cap a vosaltres i teniu un dilema que decidiu creuar la carretera o no? Una forta pregunta us pressiona: "El cotxe em va notar?" Aleshores, us sentireu alleujats quan observeu que la velocitat del vehicle s’alenteix automàticament i us fa una sortida. Però aguanteu el que acaba de passar? Com va aconseguir una màquina intel·ligència a nivell humà?
En aquest article, provarem de respondre a aquestes preguntes aprofundint en els sensors que s’utilitzen als cotxes autònoms i com es preparen per conduir els cotxes del nostre futur. Abans d’endinsar-nos en això, també posem al dia els conceptes bàsics dels vehicles autònoms, els seus estàndards de conducció, els principals actors clau, el seu desenvolupament actual i la seva fase de desplegament, etc. Per tot això, considerarem els cotxes autònoms perquè constitueixen un mercat important quota dels vehicles autònoms.
Història dels cotxes autònoms
Els cotxes autònoms sense conductor van sortir inicialment de la ciència ficció, però ara estan gairebé a punt per sortir a la carretera. Però la tecnologia no va sorgir d’un dia per l’altre; els experiments sobre els cotxes autònoms van començar a finals dels anys vint amb els cotxes controlats amb l'ajut de les ones de ràdio de forma remota. Tanmateix, el prometedor assaig d'aquests cotxes va començar a sortir a la dècada de 1950-1960, finançat directament i recolzat per organitzacions d'investigació com DARPA.
Les coses van començar a ser realistes només a la dècada de 2000, quan els gegants tecnològics com Google van començar a avançar-hi i van donar un cop a les seves empreses de camp rivals, com ara motors generals, Ford i altres. Google va començar desenvolupant el seu projecte de cotxe autònom que ara es diu Google waymo. La companyia de taxis Uber també es presenta amb el seu cotxe autònom seguit, juntament amb la seva competència amb Toyota, BMW, Mercedes Benz i altres grans actors del mercat i, quan Tesla, conduïda per Elon Musk, també va colpejar el mercat per fer coses picant.
Normes de conducció
Hi ha una gran diferència entre el terme cotxe autònom i cotxe totalment autònom. Aquesta diferència es basa en el nivell de conducció que s’explica a continuació. Aquests estàndards són donats per la secció J3016 de l'associació internacional d'enginyeria i indústria de l'automòbil, SAE (Society of Automotive Engineers), i a Europa pel Federal Highway Research Institute. Es tracta d’una classificació de sis nivells del nivell zero al nivell cinc. Tot i això, el nivell zero no implica cap automatització, sinó un control humà complet del vehicle.
Nivell 1: assistència al conductor: assistència de baix nivell del cotxe, com ara el control d’acceleració o el control de direcció, però no ambdues simultàniament. Aquí el conductor segueix controlant les tasques principals com dirigir, trencar, conèixer els voltants.
Nivell 2: automatització parcial: en aquest nivell, el cotxe pot ajudar tant a la direcció com a l’acceleració, mentre que la majoria de les funcions crítiques encara són controlades pel conductor. Aquest és el nivell més comú que podem trobar en els cotxes que circulen avui en dia.
Nivell 3: automatització condicional: es passa al nivell 3, on el cotxe controla les condicions ambientals mitjançant sensors i realitza les accions necessàries, com ara frenar i rodar sobre la direcció, mentre que el conductor humà hi és per intervenir el sistema si apareix alguna condició inesperada.
Nivell 4: alta automatització: es tracta d’un alt nivell d’automatització en què el cotxe és capaç de completar tot el viatge sense l’entrada humana. Tanmateix, aquest cas té la condició que el conductor pugui canviar el cotxe en aquest mode només quan el sistema detecti que les condicions de trànsit són segures i que no hi ha embús.
Nivell 5: automatització completa: aquest nivell és per a automòbils totalment automatitzats que fins ara no existeixen. Els enginyers intenten que això passi. Això ens permetrà arribar a la nostra destinació sense una entrada de control manual a la direcció ni als frens.
Diversos tipus de sensors utilitzats en vehicles autònoms / autònoms
Hi ha diversos tipus de sensors que s’utilitzen en vehicles autònoms, però la majoria d’ells inclou l’ús de càmeres, RADAR, LIDAR i sensors d’ultrasons. A continuació es mostren la posició i el tipus de sensors que s’utilitzen als cotxes autònoms.
Tots els sensors esmentats anteriorment alimenten les dades en temps real a la unitat de control electrònic també coneguda com Fusion ECU, on es processen les dades per obtenir la informació de 360 graus de l’entorn circumdant. Els sensors més importants que formen el cor i l’ànima dels vehicles autònoms són els sensors RADAR, LIDAR i càmera, però no podem obviar la contribució d’altres sensors com el sensor d’ultrasons, els sensors de temperatura, els sensors de detecció de carrils i el GPS..
El gràfic que es mostra a continuació prové de l’estudi de recerca realitzat a Google Patents centrat en l’ús dels sensors en vehicles autònoms o autònoms, l’estudi analitza el nombre de camps de patents de cada tecnologia (múltiples sensors inclosos, Lidar, sonar, radar i càmeres per a la detecció, classificació i seguiment d’objectes i obstacles) mitjançant sensors bàsics que s’utilitzen en tots els vehicles amb conducció autònoma.
El gràfic anterior mostra les tendències de presentació de patents per a vehicles autònoms mantenint el focus en l’ús de sensors, ja que es podria interpretar que el desenvolupament d’aquests vehicles amb l’ajut de sensors va començar cap als anys setanta. Tot i que el ritme de desenvolupament no va ser prou ràpid, sinó que va augmentar a un ritme molt lent. Els motius d’això podrien ser nombrosos, com ara fàbriques no desenvolupades, instal·lacions i laboratoris de recerca adequats no desenvolupats, indisponibilitat de la informàtica de gamma alta i, per descomptat, indisponibilitat de les arquitectures d’Internet d’alta velocitat, núvol i de vora per al càlcul i la presa de decisions de vehicles autònoms.
El 2007-2010 es va produir un sobtat creixement d’aquesta tecnologia. Perquè durant aquest període només hi havia una única empresa responsable d’ella, és a dir, General Motors i en els propers anys es va afegir a la cursa el gegant tecnològic Google i ara diverses empreses estan treballant en aquesta tecnologia.
En els propers anys es pot preveure que un nou conjunt d'empreses entraran en aquesta àrea tecnològica i duran la investigació de diferents maneres.
RADAR en vehicles autònoms
El radar juga un paper important ajudant els vehicles a entendre el seu sistema, ja hem construït anteriorment un senzill sistema de radar ultrasònic Arduino. La tecnologia Radar va trobar el seu ús àmpliament estès durant la Segona Guerra Mundial, amb l’aplicació de l’inventor alemany Christian Huelsmeyer patent del "telemobiloscopi", una implementació primerenca de la tecnologia del radar que podia detectar vaixells de fins a 3.000 m de distància.
Avançat ràpidament avui en dia, el desenvolupament de la tecnologia del radar ha comportat molts casos d’ús a tot el món en els militars, avions, vaixells i submarins.
Com funciona el radar?
RADAR és un acrònim de ra va donar d etección 1 nd r anging, i més o menys del seu nom es pot entendre que funciona en ones de ràdio. Un transmissor transmet els senyals de ràdio en totes direccions i si hi ha algun objecte o obstacle en el camí, aquestes ones de ràdio es reflecteixen al receptor de radar, la diferència de freqüència del transmissor i del receptor és proporcional al temps de viatge i es pot utilitzar per mesurar la distanciar i distingir entre diferents tipus d’objectes.
La imatge següent mostra el gràfic de transmissió i recepció del radar, on la línia vermella és el senyal transmès i les línies blaves són els senyals rebuts de diferents objectes a través del temps. Com que sabem el temps del senyal transmès i rebut, podem realitzar anàlisis FFT per calcular la distància de l'objecte al sensor.
Ús de RADAR en cotxes autònoms
El RADAR és un dels sensors que circulen per darrere de la xapa metàl·lica del cotxe per fer-lo autònom, és una tecnologia que ha estat en la producció dels cotxes des de fa 20 anys i fa possible que un cotxe tingui control de velocitat adaptatiu i automàtic frenada d'emergència. A diferència dels sistemes de visió com la càmera, pot veure de nit o amb mal temps i pot predir la distància i la velocitat de l'objecte des de centenars de iardes.
L’inconvenient de RADAR és que, fins i tot els radars molt avançats no poden predir clarament el seu entorn. Tingueu en compte que sou un ciclista situat davant d’un cotxe, aquí el Radar no pot predir amb seguretat que sou un ciclista, però us pot identificar com a objecte o obstacle i pot fer les accions necessàries i tampoc no pot predir la direcció a al qual esteu enfront, només pot detectar la vostra velocitat i la vostra direcció de moviment.
Per conduir com els humans, els vehicles primer han de veure’s com els humans. Malauradament, RADAR no és molt específic, s’ha d’utilitzar en combinació amb altres sensors en vehicles autònoms. La majoria de les empreses fabricants d’automòbils com Google, Uber, Toyota i Waymo depenen en gran mesura d’un altre sensor anomenat LiDAR, ja que són específics del detall, però el seu abast és de pocs centenars de metres. Aquesta és una única excepció per al fabricant de vehicles autònoms TESLA, ja que utilitzen RADAR com a primer sensor i Musk confia que mai no necessitaran un LiDAR als seus sistemes.
Abans no es produïa gaire desenvolupament amb la tecnologia Radar, però sí amb la seva importància en vehicles autònoms. Diverses companyies i startups tecnològiques avança en el sistema RADAR. A continuació es detallen les empreses que reinventen el paper de RADAR en la mobilitat
BOSCH
L’última versió de RADAR de Bosch ajuda a crear un mapa local sobre el qual pot circular el vehicle. Estan utilitzant una capa de mapa en combinació amb RADAR que permet esbrinar la ubicació basant-se en informació GPS i RADAR similar a la creació de signatures viàries.
En afegir les entrades del GPS i del RADAR, el sistema de Bosch pot agafar dades en temps real i comparar-les amb el mapa base, fer coincidir els patrons entre els dos i determinar les seves ubicacions amb una alta precisió.
Amb l'ajuda d'aquesta tecnologia, el cotxe pot conduir-se en condicions meteorològiques dolentes sense dependre gaire de les càmeres i els LiDAR.
WaveSense
WaveSense és una empresa RADAR amb seu a Boston que creu que els vehicles que condueixen sense necessitat de percebre el seu entorn com els humans.
El seu RADAR, a diferència dels altres sistemes, utilitza ones penetrants al terra per veure a través de les carreteres creant un mapa de la superfície de la carretera. Els seus sistemes transmeten les ones de ràdio a 10 peus per sota de la carretera i recuperen el senyal que assigna el tipus de sòl, la densitat, les roques i la infraestructura.
El mapa és una empremta digital única de la carretera. Els cotxes poden comparar la seva posició amb un mapa precarregat i localitzar-se dins de 2 centímetres horitzontalment i 15 centímetres verticalment.
La tecnologia de l'ona ondulada tampoc no depèn de les condicions meteorològiques. El radar de penetració terrestre s’utilitza tradicionalment en arqueologia, treballs de canonades i rescats; WaveSense és la primera empresa que l'utilitza amb finalitats automobilístiques.
Lunewave
Les antenes amb forma d’esfera són reconegudes per la indústria RADAR des de la seva aparició el 1940 pel físic alemany Rudolf Luneburg. Poden proporcionar una capacitat de detecció de 360 graus, però fins ara el problema era que eren difícils de fabricar en una mida petita per a ús automobilístic.
Amb el resultat de la impressió 3D, es podrien dissenyar fàcilment. Lunewave està dissenyant antenes de 360 graus amb l'ajut de la impressió 3D aproximadament de la mida d'una bola de ping-pong.
El disseny exclusiu de les antenes permet al RADAR detectar un obstacle a una distància de 380 iardes, gairebé el doble que es podria aconseguir amb una antena normal. A més, l'esfera permet la capacitat de detecció de 360 graus des d'una sola unitat, en lloc de la vista tradicional de 20 graus. A causa de la mida reduïda, és més fàcil integrar-lo al sistema i la reducció de les unitats RADAR disminueix la càrrega de costura de diverses imatges sobre el processador.
LiDars en vehicles autònoms
LIDAR significa Li lluitar D etección 1 nd R anging, és una tècnica d'imatge com radar, però en lloc d'utilitzar les ones de ràdio que utilitza la llum (làser) per obtenir imatges dels voltants. Es pot generar fàcilment un mapa 3D dels voltants amb l'ajut d'un núvol de punts. Tot i això, no pot coincidir amb la resolució de la càmera, però tot i així és prou clar per indicar la direcció cap a on s’enfronta un objecte.
Com funciona LiDAR?
El LiDAR normalment es pot veure a la part superior dels vehicles amb conducció automàtica com un mòdul giratori. A mesura que gira, emet llum a una velocitat elevada de 150.000 impulsos per segon i, a continuació, mesura el temps que necessiten per tornar enrere després de copejar els obstacles que hi ha al davant. Com que la llum viatja a una velocitat alta, 300.000 quilòmetres per segon, pot mesurar fàcilment les distàncies de l’obstacle amb l’ajut de la fórmula Distància = (Velocitat de la llum x Temps de vol) / 2 i com a distància de diferents punts a quan es reuneix l'entorn, s'utilitza per formar un núvol de punts que es podria interpretar en imatges 3D. LiDAR sol mesurar les dimensions reals dels objectes, cosa que dóna un punt positiu si s’utilitza en vehicles d’automoció. Podeu obtenir més informació sobre LiDAR i el seu funcionament en aquest article.
Ús de LiDar als cotxes
Tot i que LiDAR sembla ser una tecnologia d'imatge implacable, té els seus propis inconvenients
- Alt cost operatiu i manteniment dur
- Ineficaç durant les pluges intenses
- Imatges deficients en llocs amb un alt angle de sol o amb grans reflexos
A més d’aquests inconvenients, empreses com Waymo inverteixen en gran mesura en aquesta tecnologia per millorar-la, ja que confien molt en aquesta tecnologia per als seus vehicles, fins i tot Waymo utilitza els LiDAR com a principal sensor per a la captació d’ imatges del medi ambient.
Però encara hi ha empreses com Tesla que s’oposen a l’ús de LiDAR als seus vehicles. Elon Musk, conseller delegat de Tesla, va fer recentment un comentari sobre l’ús del lidar de LiDAR: “ un encàrrec és una tonteria i qualsevol persona que confiï en lidar està condemnada ”. La seva empresa Tesla ha estat capaç d’aconseguir la conducció autònoma sense LiDAR, els sensors que s’utilitzen a Tesla i el seu rang de cobertura es mostren a continuació.
Això passa directament contra empreses com Ford, GM Cruise, Uber i Waymo que pensen que el LiDAR és una part essencial de la suite de sensors, ja que el musc és citat com " LiDAR està coix, van a llençar el LiDAR, marca les meves paraules. Aquesta és la meva predicció ". També les universitats estan recolzant la decisió de Musk d’abocar LiDAR, ja que dues càmeres econòmiques a banda i banda d’un vehicle poden detectar objectes amb una precisió gairebé de LiDAR amb només una fracció del cost de LiDAR. Les càmeres situades a banda i banda d’un cotxe Tesla es mostren a la imatge següent.
Càmeres en vehicles autònoms
Tots els vehicles amb conducció automàtica utilitzen diverses càmeres per tenir una visió de 360 graus de l’entorn que l’envolta. S’utilitzen diverses càmeres de cada costat, com la frontal, la posterior, l’esquerra i la dreta, i finalment les imatges s’uneixen per obtenir una visualització de 360 graus. Tot i que algunes de les càmeres tenen un ampli camp de visió de fins a 120 graus i un abast més curt i l’altra se centra en una visió més estreta per proporcionar visuals de llarg abast. Algunes càmeres d'aquests vehicles tenen l'efecte ull de peix per tenir una vista panoràmica molt àmplia. Totes aquestes càmeres s’utilitzen amb alguns algoritmes de visió per computador que realitzen totes les anàlisis i detecció del vehicle. També podeu consultar altres articles relacionats amb el processament d’imatges que hem tractat anteriorment.
Ús de la càmera als cotxes
Les càmeres dels vehicles s’utilitzen durant molt de temps amb una aplicació com ara per ajudar a aparcar i controlar la part posterior dels cotxes. Ara, a mesura que la tecnologia del vehicle autònom s'està desenvolupant, el paper de la càmera en els vehicles s'està replantejant. Tot i que proporciona una visió de l’entorn de 360 graus, les càmeres poden conduir els vehicles de manera autònoma per la carretera.
Per tenir una visió envoltant de la carretera, les càmeres s’integren en diferents llocs del vehicle, per davant s’utilitza un sensor de càmera de visió ampla també conegut com a sistema de visió binocular i a la part esquerra i dreta s’utilitzen sistemes de visió monocular i a la part posterior al final s’utilitza una càmera d’estacionament. Totes aquestes unitats de càmera porten les imatges a les unitats de control i cusen les imatges per tenir una vista envoltant.
Altres tipus de sensors en vehicles autònoms
A més dels tres sensors anteriors, hi ha algun altre tipus de sensors que s’utilitzen en vehicles autònoms per a diversos propòsits, com ara la detecció de carrils, el control de la pressió dels pneumàtics, el control de temperatura, el control d’il·luminació exterior, el sistema telemàtic, el control de fars, etc.
El futur dels vehicles amb conducció autònoma és apassionant i encara està en desenvolupament, en el futur moltes empreses es presentarien per córrer la carrera i, amb això, es crearien moltes noves lleis i estàndards per fer un ús segur d’aquesta tecnologia.