Desmascarando a magia por trás dos sensores usados ​​em veículos autônomos

Em uma bela manhã, você está atravessando a rua para chegar ao seu escritório do outro lado, bem quando você está na metade do caminho, você nota um pedaço de metal sem condutor, um robô, avançando em direção e você entra em um dilema ao decidir cruzar o estrada ou não? Uma forte pergunta pressiona sua mente: "Será que o carro me notou?" Então você se sente aliviado ao observar que a velocidade do veículo está diminuindo automaticamente e ele abre uma saída para você. Mas espere o que aconteceu? Como uma máquina conseguiu inteligência de nível humano?

Neste artigo, tentaremos responder a essas perguntas examinando profundamente os sensores usados ​​em carros autônomos e como eles estão se preparando para dirigir os carros do nosso futuro. Antes de mergulharmos nisso, vamos também nos atualizar com os conceitos básicos de veículos autônomos, seus padrões de direção, os principais participantes, seu desenvolvimento atual e estágio de implantação, etc. Por tudo isso, consideraremos os carros autônomos porque eles são um grande mercado parte dos veículos autônomos.

História dos carros autônomos

Os carros sem motorista inicialmente saíram da ficção científica, mas agora estão quase prontos para pegar as estradas. Mas a tecnologia não surgiu da noite para o dia; experimentos com carros autônomos começaram no final da década de 1920, com os carros controlados com a ajuda de ondas de rádio remotamente. No entanto, o teste promissor desses carros começou a sair em 1950-1960 sendo diretamente financiado e apoiado por organizações de pesquisa como a DARPA.

As coisas começaram a ser realistas apenas nos anos 2000, quando gigantes da tecnologia como o Google começaram a se apresentar em busca de um golpe nas empresas rivais, como a General Motors, Ford e outras. O Google começou desenvolvendo seu projeto de carro autônomo agora chamado de Google waymo. A empresa de táxi Uber também apresentou seu carro autônomo consecutivo junto com sua concorrência com a Toyota, BMW, Mercedes Benz e outros jogadores importantes no mercado. Na época, a Tesla dirigida por Elon Musk também conquistou o mercado para fazer coisas picante.

Padrões de direção

Há uma grande diferença entre o termo carro autônomo e carro totalmente autônomo. Essa diferença é baseada no nível de padrão de direção explicado abaixo. Esses padrões são fornecidos pela seção J3016 da associação internacional da indústria automotiva e de engenharia, SAE (Society of Automotive Engineers) e, na Europa, pelo Federal Highway Research Institute. É uma classificação de seis níveis, do nível zero ao nível cinco. No entanto, o nível zero não implica automação, mas controle humano completo do veículo.

Nível 1 - Assistência ao motorista: Uma assistência de baixo nível do carro, como controle de aceleração ou controle de direção, mas não os dois simultaneamente. Aqui, as principais tarefas como direção, freio e conhecimento do entorno ainda são controladas pelo motorista.

Nível 2 - Automação parcial: neste nível, o carro pode ajudar tanto na direção quanto na aceleração, enquanto a maioria dos recursos essenciais ainda são monitorados pelo motorista. Este é o nível mais comum que podemos encontrar nos carros que estão na estrada hoje em dia.

Nível 3 - Automação Condicional: Passando para o nível 3, onde o carro monitora as condições ambientais usando sensores e toma as ações necessárias, como frear e rolar na direção, enquanto o motorista humano está lá para intervir no sistema se qualquer condição inesperada surgir.

Nível 4 - Automação alta: Este é um alto nível de automação em que o carro é capaz de completar toda a jornada sem a intervenção humana. No entanto, este caso vem com sua própria condição de que o motorista pode mudar o carro para este modo apenas quando o sistema detectar que as condições do tráfego são seguras e não há congestionamento.

Nível 5 - Automação Completa: Este nível é para carros totalmente automatizados que não existem até agora. Os engenheiros estão tentando fazer isso acontecer. Isso nos permitirá chegar ao nosso destino sem uma entrada de controle manual para direção ou freios.

Vários tipos de sensores usados ​​em veículos autônomos / autônomos

Existem vários tipos de sensores usados ​​em veículos autônomos, mas a maioria deles inclui o uso de câmeras, RADARs, LIDARs e sensores ultrassônicos. A posição e o tipo de sensores usados ​​em carros autônomos são mostrados abaixo.

Todos os sensores mencionados acima alimentam os dados em tempo real para a Unidade de Controle Eletrônico também conhecida como Fusion ECU, onde os dados são processados ​​para obter as informações de 360 ​​graus do ambiente circundante. Os sensores mais importantes que formam o coração e a alma dos veículos autônomos são os RADARs, LIDARs e sensores de câmera, mas não podemos ignorar a contribuição de outros sensores como sensor ultrassônico, sensores de temperatura, sensores de detecção de pista e GPS também.

O gráfico mostrado abaixo é do estudo de pesquisa conduzido no Google Patentes com foco no uso de sensores em veículos autônomos ou autônomos, o estudo analisa o número de campos de patentes em cada tecnologia (vários sensores incluindo, Lidar, sonar, radar e câmeras para detecção de objetos e obstáculos, classificação e rastreamento) usando sensores básicos usados ​​em todos os veículos autônomos.

O gráfico acima mostra as tendências do depósito de patentes para veículos autônomos mantendo o foco no uso de sensores nos mesmos, pois pode-se interpretar que o desenvolvimento desses veículos com o auxílio de sensores começou por volta dos anos 1970. Embora o ritmo de desenvolvimento não fosse rápido o suficiente, estava aumentando em um ritmo muito lento. As razões para isso podem ser inúmeras, como fábricas não desenvolvidas, laboratórios e instalações de pesquisa adequadas não desenvolvidas, indisponibilidade de computação de ponta e, claro, indisponibilidade de internet de alta velocidade, nuvem e arquiteturas de borda para a computação e tomada de decisão de veículos autônomos.

Em 2007-2010 houve um crescimento repentino desta tecnologia. Pois, nesse período, havia apenas uma empresa responsável por isso, ou seja, a General Motors e nos anos seguintes essa corrida foi acompanhada pela gigante da tecnologia Google e agora várias empresas estão trabalhando nessa tecnologia.

Nos próximos anos, pode-se prever que todo um novo conjunto de empresas estará entrando nessa área de tecnologia, levando a pesquisa adiante de maneiras diferentes.

RADARs em veículos autônomos

O radar desempenha um papel importante ajudando os veículos a entender seu sistema, já construímos um sistema de radar Arduino ultrassônico simples anteriormente. A tecnologia de radar encontrou seu uso amplamente difundido durante a Segunda Guerra Mundial, com a aplicação do "telemobiloscópio" da patente do inventor alemão Christian Huelsmeyer, uma implementação inicial da tecnologia de radar que podia detectar navios a até 3.000 m de distância.

Avançado hoje, o desenvolvimento da tecnologia de radar trouxe muitos casos de uso em todo o mundo nas forças armadas, aviões, navios e submarinos.

Como funciona o radar?

RADAR é um acrônimo para ra dio d etection um nd r anging, e praticamente de seu nome pode ser entendido que ele funciona em ondas de rádio. Um transmissor transmite os sinais de rádio em todas as direções e se houver um objeto ou obstáculo no caminho, essas ondas de rádio refletem de volta para o receptor do radar, a diferença na frequência do transmissor e do receptor é proporcional ao tempo de viagem e pode ser usada para medir o distâncias e distinguir entre diferentes tipos de objetos.

A imagem abaixo mostra o gráfico de transmissão e recepção do radar, onde a linha vermelha é o sinal transmitido e as linhas azuis são os sinais recebidos de diferentes objetos ao longo do tempo. Como sabemos o tempo do sinal transmitido e recebido, podemos realizar a análise FFT para calcular a distância do objeto do sensor.

Uso de RADAR em carros sem motorista

O RADAR é um dos sensores que se movem atrás da chapa do carro para torná-lo autônomo, é uma tecnologia que está na produção dos carros há 20 anos até agora, e que possibilita que um carro tenha controle de cruzeiro adaptativo e automático travagem de emergência. Ao contrário dos sistemas de visão, como câmeras, ele pode ver à noite ou com mau tempo e pode prever a distância e a velocidade do objeto a centenas de metros.

A desvantagem do RADAR é que mesmo os radares altamente avançados não podem prever seu ambiente com clareza. Considere que você é um ciclista parado na frente de um carro, aqui o Radar não pode prever com certeza que você é um ciclista, mas pode identificá-lo como um objeto ou um obstáculo e pode realizar as ações necessárias também não pode prever a direção em que você está enfrentando, ele só pode detectar sua velocidade e direção de movimento.

Para dirigir como humanos, os veículos devem primeiro ver como humanos. Infelizmente, o RADAR não tem muitos detalhes específicos, ele deve ser usado em combinação com outro sensor em veículos autônomos. A maioria das empresas fabricantes de automóveis, como Google, Uber, Toyota e Waymo, dependem fortemente de outro sensor chamado LiDAR, uma vez que são detalhados, mas seu alcance é de apenas algumas centenas de metros. Esta é uma única exceção para o fabricante de automóveis autônomo TESLA, pois eles usam RADAR como seu sensor principal e Musk está confiante de que eles nunca precisarão de um LiDAR em seus sistemas.

Anteriormente não havia muito desenvolvimento acontecendo com a Tecnologia de Radar, mas agora com sua importância em veículos autônomos. O avanço no sistema RADAR está sendo trazido por várias empresas de tecnologia e startups. As empresas que estão reinventando o papel do RADAR na mobilidade estão listadas abaixo

BOSCH

A última versão do RADAR da Bosch está ajudando a criar um mapa local no qual o veículo pode dirigir. Eles estão usando uma camada de mapa em combinação com RADAR que permite descobrir a localização com base em informações de GPS e RADAR semelhantes à criação de assinaturas de estradas.

Ao adicionar as entradas do GPS e RADAR, o sistema da Bosch pode pegar dados em tempo real e compará-los com o mapa básico, combinar os padrões entre os dois e determinar suas localizações com alta precisão.

Com a ajuda desta tecnologia, os carros podem dirigir-se em condições de mau tempo sem depender muito de câmeras e LiDARs.

WaveSense

A WaveSense é uma empresa RADAR sediada em Boston que acredita que os carros autônomos não precisam perceber o ambiente ao seu redor como se fossem humanos.

Seu RADAR, ao contrário de outros sistemas, usa ondas que penetram no solo para ver através das estradas, criando um mapa da superfície da estrada. Seus sistemas transmitem as ondas de rádio 10 pés abaixo da estrada e recebem o sinal de volta que mapeia o tipo de solo, densidade, rochas e infraestrutura.

O mapa é uma impressão digital única da estrada. Os carros podem comparar sua posição a um mapa pré-carregado e localizar-se dentro de 2 centímetros na horizontal e 15 centímetros na vertical.

A tecnologia wavesense também não depende das condições meteorológicas. O radar de penetração no solo é tradicionalmente usado na arqueologia, trabalhos em dutos e resgates; A wavesense é a primeira empresa a utilizá-lo para fins automotivos.

Lunewave

Antenas em forma de esfera são reconhecidas pela indústria de RADAR desde seu advento em 1940 pelo físico alemão Rudolf Luneburg. Eles podem fornecer uma capacidade de detecção de 360 ​​graus, mas até agora o problema era que eles eram difíceis de fabricar em um tamanho pequeno para uso automotivo.

Com o resultado da impressão 3D, eles poderiam ser facilmente projetados. Lunewave está projetando antenas de 360 ​​graus com a ajuda de impressão 3D aproximadamente do tamanho de uma bola de pingue-pongue.

O design exclusivo das antenas permite que o RADAR detecte obstáculos a uma distância de 380 metros, o que é quase o dobro do que poderia ser alcançado por uma antena normal. Além disso, a esfera permite a capacidade de detecção de 360 ​​graus a partir de uma única unidade, em vez da visão tradicional de 20 graus. Devido ao tamanho pequeno, é mais fácil integrá-lo ao sistema, e a redução nas unidades RADAR diminui a carga de costura de várias imagens no processador.

LiDars em veículos autônomos

LiDAR significa Li ght D etection um nd R anging, é uma técnica de imagem como RADAR, mas em vez de usar ondas de rádio que utiliza a luz (laser) para geração de imagens dos arredores. Ele pode facilmente gerar um mapa 3D dos arredores com a ajuda de uma nuvem de pontos. No entanto, ele não pode corresponder à resolução da câmera, mas ainda é claro o suficiente para dizer a direção para a qual um objeto está voltado.

Como funciona o LiDAR?

O LiDAR geralmente pode ser visto no topo de veículos autônomos como um módulo giratório. À medida que gira, ele emite luz em alta velocidade de 150.000 pulsos por segundo e mede o tempo necessário para que eles retornem após bater nos obstáculos à sua frente. Como a luz viaja em alta velocidade, 300.000 quilômetros por segundo, ela pode medir as distâncias do obstáculo facilmente com a ajuda da fórmula Distância = (Velocidade da Luz x Tempo de Voo) / 2 e como a distância de diferentes pontos em o ambiente é reunido e é usado para formar uma nuvem de pontos que pode ser interpretada em imagens 3D. LiDAR geralmente mede as dimensões reais dos objetos, o que dá um ponto positivo, se usado em veículos automotores. Você pode aprender mais sobre o LiDAR e seu funcionamento neste artigo.

Uso de LiDar em carros

Embora o LiDAR pareça ser uma tecnologia de imagem implacável, tem suas próprias desvantagens, como

• Alto custo operacional e manutenção difícil
• Ineficaz durante chuva forte
• Imagem ruim em locais com grande ângulo do sol ou grandes reflexos

Ao lado dessas desvantagens, empresas como a Waymo estão investindo pesadamente nessa tecnologia para torná-la melhor, já que dependem fortemente dessa tecnologia para seus veículos, até mesmo a Waymo usa LiDAR como seu sensor primário para a geração de imagens do ambiente.

Mas ainda existem empresas como a Tesla que se opõe ao uso de LiDAR em seus veículos. O CEO da Tesla, Elon Musk, recentemente fez um comentário sobre o uso do LiDAR “ lidar é uma missão tola e qualquer um que confiar no lidar está condenado ”. Sua empresa Tesla foi capaz de atingir a direção autônoma sem LiDARs. Os sensores usados ​​no Tesla e sua faixa de cobertura são mostrados abaixo.

Isso vem diretamente contra empresas como Ford, GM Cruise, Uber e Waymo, que pensam que o LiDAR é uma parte essencial do conjunto de sensores, almíscar . Essa é a minha previsão. ” Além disso, as universidades estão apoiando a decisão de Musk de descartar LiDARs, uma vez que duas câmeras baratas em cada lado de um veículo podem detectar objetos com quase a precisão do LiDAR com apenas uma fração do custo do LiDAR. As câmeras colocadas em cada lado de um carro Tesla são mostradas na imagem abaixo.

Câmeras em veículos autônomos

Todos os veículos autônomos usam várias câmeras para ter uma visão de 360 ​​graus do ambiente circundante. Várias câmeras de cada lado, como frontal, traseira, esquerda e direita, são usadas e, finalmente, as imagens são costuradas para ter uma visão de 360 ​​graus. Enquanto, algumas das câmeras têm um amplo campo de visão de até 120 graus e alcance mais curto e a outra foca em uma visão mais estreita para fornecer visuais de longo alcance. Algumas câmeras nesses veículos têm o efeito de olho de peixe para ter uma visão panorâmica super ampla. Todas essas câmeras são usadas com alguns algoritmos de visão computacional que realizam todas as análises e detecção do veículo. Você também pode verificar outros artigos relacionados ao processamento de imagens que abordamos anteriormente.

Uso de câmera em carros

Câmeras em veículos são usadas há muito tempo com uma aplicação como a assistência ao estacionamento e o monitoramento da traseira de carros. Agora, enquanto a tecnologia de veículos autônomos está se desenvolvendo, o papel da câmera nos veículos está sendo repensado. Ao fornecer uma visão circundante de 360 ​​graus do ambiente, as câmeras são capazes de conduzir os veículos de forma autônoma pela estrada.

Para ter uma visão surround da estrada, câmeras são integradas em diferentes locais do veículo, na frente um sensor de câmera de visão ampla é usado também conhecido como sistema de visão binocular e nos lados esquerdo e direito são usados sistemas de visão monocular e na parte traseira final, uma câmera de estacionamento é usada. Todas essas unidades de câmera trazem as imagens para as unidades de controle e as une para ter uma visão surround.

Outros tipos de sensores em veículos autônomos

Além dos três sensores acima, existem alguns outros tipos de sensores que são usados ​​em veículos autônomos para vários fins, como detecção de faixa, monitoramento da pressão dos pneus, controle de temperatura, controle de iluminação externa, sistema telemático, controle de farol etc.

O futuro dos veículos autônomos é empolgante e ainda está em desenvolvimento, no futuro muitas empresas estariam se apresentando para participar da corrida, e com isso muitas novas leis e normas seriam criadas para ter um uso seguro desta tecnologia.