Khám phá điều kỳ diệu đằng sau các cảm biến được sử dụng trong xe tự lái

Vào một buổi sáng đẹp trời, bạn đang băng qua đường để đến văn phòng của mình ở phía bên kia, ngay khi bạn đi được nửa đường, bạn nhận thấy một mảnh kim loại không người lái, một con rô bốt, tiến về phía trước và bạn rơi vào tình thế tiến thoái lưỡng nan khi quyết định băng qua đường hay không? Một câu hỏi mạnh mẽ đè nặng tâm trí bạn, "Chiếc xe có để ý đến tôi không?" Sau đó, bạn cảm thấy nhẹ nhõm khi quan sát thấy tốc độ xe đang được tự động giảm lại và tạo ra một lối thoát cho bạn. Nhưng giữ lấy những gì vừa xảy ra? Làm thế nào mà một cỗ máy có được trí thông minh cấp độ con người?

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thử trả lời những câu hỏi này bằng cách tìm hiểu sâu về các cảm biến được sử dụng trong Ô tô tự lái và cách chúng sẵn sàng để lái những chiếc ô tô trong tương lai của chúng ta. Trước khi đi sâu vào vấn đề đó, chúng ta hãy cùng tìm hiểu những kiến thức cơ bản về xe tự lái, tiêu chuẩn lái xe của chúng, những người chơi chính, giai đoạn phát triển và triển khai hiện tại của chúng, v.v. Đối với tất cả những điều này, chúng tôi sẽ xem xét ô tô tự lái vì chúng tạo nên một thị trường lớn chia sẻ của các phương tiện tự hành.

Lịch sử của xe ô tô tự lái

Xe tự lái không người lái ban đầu ra đời từ khoa học viễn tưởng nhưng giờ đây chúng gần như đã sẵn sàng để ra đường. Nhưng công nghệ không xuất hiện trong một sớm một chiều; Các thí nghiệm trên ô tô tự lái bắt đầu vào cuối những năm 1920 với những chiếc ô tô được điều khiển từ xa với sự trợ giúp của sóng radio. Tuy nhiên, cuộc thử nghiệm đầy hứa hẹn của những chiếc xe này bắt đầu được đưa ra vào những năm 1950-1960 do các tổ chức nghiên cứu như DARPA tài trợ và hỗ trợ trực tiếp.

Mọi thứ chỉ bắt đầu thành hiện thực vào những năm 2000 khi những gã khổng lồ công nghệ như Google bắt đầu tấn công vào các công ty đối thủ trong lĩnh vực này như động cơ nói chung, xe ford và những công ty khác. Google bắt đầu bằng việc phát triển dự án xe hơi tự lái của mình hiện được gọi là Google waymo. Hãng taxi Uber cũng liên tiếp tung ra xe tự lái của họ cùng với sự cạnh tranh với Toyota, BMW, Mercedes Benz và các đối thủ lớn khác trên thị trường và vào thời điểm Tesla do Elon Musk điều khiển cũng đã đánh bại thị trường để làm nên chuyện vị cay.

Tiêu chuẩn lái xe

Có một sự khác biệt lớn giữa thuật ngữ xe tự lái và xe hoàn toàn tự lái. Sự khác biệt này dựa trên tiêu chuẩn Cấp độ lái xe được giải thích bên dưới. Các tiêu chuẩn này được đưa ra bởi mục J3016 của hiệp hội công nghiệp ô tô và kỹ thuật quốc tế, SAE (Society of Automotive Engineers) và ở Châu Âu bởi Viện nghiên cứu đường cao tốc liên bang. Đó là sự phân loại sáu cấp độ từ Cấp độ 0 đến Cấp độ năm. Tuy nhiên, mức 0 ngụ ý không có tự động hóa mà là sự kiểm soát hoàn toàn của con người đối với chiếc xe.

Cấp độ 1 - Hỗ trợ lái xe: Hỗ trợ cấp độ thấp của xe như kiểm soát gia tốc hoặc kiểm soát lái nhưng không đồng thời cả hai. Ở đây các nhiệm vụ chính như bẻ lái, bẻ lái, nhận biết xung quanh vẫn do người lái xe điều khiển.

Cấp độ 2 - Tự động hóa từng phần: Ở cấp độ này, xe có thể hỗ trợ cả đánh lái và tăng tốc trong khi hầu hết các tính năng quan trọng vẫn được người lái giám sát. Đây là mức phổ biến nhất mà chúng ta có thể tìm thấy ở những chiếc ô tô đang lưu thông trên đường hiện nay.

Cấp độ 3 - Tự động hóa có điều kiện: Chuyển sang cấp độ 3, trong đó xe giám sát các điều kiện môi trường bằng cách sử dụng các cảm biến và thực hiện các hành động cần thiết như phanh và lăn trên tay lái, trong khi người lái xe có thể can thiệp vào hệ thống nếu có bất kỳ điều kiện bất ngờ nào phát sinh.

Mức độ 4 - Tự động hóa cao: Đây là mức độ tự động hóa cao, trong đó xe có khả năng hoàn thành toàn bộ hành trình mà không cần sự tham gia của con người. Tuy nhiên, trường hợp này đi kèm với điều kiện riêng là người lái chỉ có thể chuyển xe sang chế độ này khi hệ thống phát hiện điều kiện giao thông an toàn và không bị tắc đường.

Cấp độ 5 - Tự động hóa hoàn toàn: Cấp độ này dành cho những chiếc xe hoàn toàn tự động chưa tồn tại cho đến nay. Các kỹ sư đang cố gắng biến nó thành hiện thực. Điều này sẽ cho phép chúng tôi đến đích mà không cần đầu vào điều khiển thủ công cho tay lái hoặc phanh.

Các loại cảm biến khác nhau được sử dụng trong Xe tự hành / xe tự lái

Có nhiều loại cảm biến khác nhau được sử dụng trong xe tự hành nhưng chủ yếu bao gồm việc sử dụng camera, RADAR, LIDAR và cảm biến siêu âm. Vị trí và loại cảm biến được sử dụng trong ô tô Autonomous được hiển thị bên dưới.

Tất cả các cảm biến được đề cập ở trên cung cấp dữ liệu thời gian thực cho Thiết bị điều khiển điện tử còn được gọi là Fusion ECU, nơi dữ liệu được xử lý để lấy thông tin 360 độ của môi trường xung quanh. Các cảm biến quan trọng nhất hình thành nên trái tim và linh hồn của xe tự lái là cảm biến của RADAR, LIDAR và camera, nhưng chúng ta không thể bỏ qua sự đóng góp của các cảm biến khác như cảm biến siêu âm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện làn đường và cả GPS..

Biểu đồ hiển thị bên dưới là từ nghiên cứu được thực hiện trên Google Patents tập trung vào việc sử dụng các cảm biến trong các phương tiện tự lái hoặc xe tự lái, nghiên cứu phân tích số lượng trường bằng sáng chế trên mỗi công nghệ (nhiều cảm biến bao gồm, Lidar, sonar, radar & camera để phát hiện, phân loại và theo dõi đối tượng & chướng ngại vật) sử dụng các cảm biến cơ bản được sử dụng trong mọi phương tiện tự lái.

Biểu đồ trên cho thấy xu hướng nộp đơn đăng ký bằng sáng chế cho xe tự lái tập trung vào việc sử dụng các cảm biến trong đó, vì có thể hiểu rằng sự phát triển của những phương tiện này với sự trợ giúp của cảm biến bắt đầu vào khoảng những năm 1970. Mặc dù tốc độ phát triển không đủ nhanh, nhưng đang tăng với tốc độ rất chậm. Lý do của điều này có thể là rất nhiều như các nhà máy chưa phát triển, các cơ sở nghiên cứu và phòng thí nghiệm chưa phát triển, không có máy tính cao cấp và tất nhiên là không có Internet tốc độ cao, đám mây và các kiến trúc tiên tiến để tính toán và ra quyết định của các phương tiện tự lái.

Trong năm 2007-2010 đã có sự phát triển đột ngột của công nghệ này. Bởi vì, trong thời kỳ này chỉ có một công ty duy nhất chịu trách nhiệm về nó, tức là General động cơ và trong những năm tiếp theo, cuộc đua này đã có sự tham gia của gã khổng lồ công nghệ Google và hiện nhiều công ty đang nghiên cứu công nghệ này.

Trong những năm tới, có thể dự báo rằng một loạt công ty hoàn toàn mới sẽ tham gia vào lĩnh vực công nghệ này, thực hiện nghiên cứu sâu hơn theo những cách khác nhau.

RADAR trong Xe tự lái

Radar đóng một vai trò quan trọng trong việc giúp các phương tiện hiểu được hệ thống của nó, chúng tôi đã xây dựng một hệ thống Arduino Radar siêu âm đơn giản trước đó. Công nghệ Radar lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến II, với việc ứng dụng bằng sáng chế 'kính thiên văn' của nhà phát minh người Đức Christian Huelsmeyer, một ứng dụng ban đầu của công nghệ radar có thể phát hiện tàu cách xa tới 3000 m.

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ radar đã mang lại nhiều trường hợp sử dụng trên khắp thế giới trong quân sự, máy bay, tàu thủy và tàu ngầm.

Radar hoạt động như thế nào?

RADAR là từ viết tắt của ra dio d etection a nd r anging, và từ tên gọi của nó, có thể hiểu rằng nó hoạt động trên sóng vô tuyến. Một máy phát truyền tín hiệu vô tuyến theo mọi hướng và nếu có vật thể hoặc chướng ngại vật cản đường, những sóng vô tuyến này sẽ phản xạ trở lại máy thu radar, sự khác biệt về tần số máy phát và máy thu tỷ lệ với thời gian di chuyển và có thể được sử dụng để đo khoảng cách và phân biệt giữa các loại đối tượng.

Hình ảnh dưới đây cho thấy đồ thị truyền và nhận Radar, trong đó đường màu đỏ là tín hiệu đã truyền và đường màu xanh là tín hiệu nhận được từ các đối tượng khác nhau theo thời gian. Vì chúng ta biết thời gian truyền và nhận tín hiệu, chúng ta có thể thực hiện phân tích FFT để tính toán khoảng cách của đối tượng từ cảm biến.

Sử dụng RADAR trong Ô tô tự lái

RADAR là một trong những cảm biến nằm sau tấm kim loại của ô tô để làm cho nó tự động, đây là một công nghệ đã được sản xuất trên ô tô từ 20 năm cho đến nay và nó giúp ô tô có thể có điều khiển hành trình thích ứng và tự động phanh khẩn cấp. Không giống như các hệ thống thị giác như camera, nó có thể nhìn thấy vào ban đêm hoặc trong thời tiết xấu và có thể dự đoán khoảng cách và tốc độ của vật thể từ hàng trăm thước Anh.

Nhược điểm của RADAR là, ngay cả các radar tiên tiến cao cũng không thể dự đoán môi trường của chúng một cách rõ ràng. Hãy xem bạn là một người đi xe đạp đang đứng trước một chiếc ô tô, ở đây Radar không thể dự đoán chắc chắn rằng bạn là một người đi xe đạp nhưng nó có thể xác định bạn là một vật thể hoặc chướng ngại vật và có thể thực hiện các hành động cần thiết cũng không thể đoán được hướng đi trong mà bạn đang đối mặt nó chỉ có thể phát hiện tốc độ và hướng di chuyển của bạn.

Để lái xe như con người, trước tiên các phương tiện phải giống con người. Đáng buồn thay, RADAR không có nhiều chi tiết cụ thể mà nó phải được sử dụng kết hợp với các cảm biến khác trên xe tự hành. Hầu hết các công ty sản xuất xe hơi như Google, Uber, Toyota và Waymo phụ thuộc rất nhiều vào một cảm biến khác có tên là LiDAR vì chúng rất cụ thể nhưng phạm vi của chúng chỉ là vài trăm mét. Đây là một ngoại lệ duy nhất đối với nhà sản xuất ô tô tự hành TESLA vì họ sử dụng RADAR làm cảm biến chính và Musk tự tin rằng họ sẽ không bao giờ cần đến LiDAR trong hệ thống của mình.

Trước đó, không có nhiều sự phát triển xảy ra với Công nghệ Radar, nhưng giờ đây với tầm quan trọng của chúng trong các phương tiện tự hành. Sự tiến bộ trong hệ thống RADAR đang được các công ty Công nghệ và công ty khởi nghiệp khác nhau thúc đẩy. Các công ty đang phát minh lại vai trò của RADAR đối với tính di động được liệt kê dưới đây

BOSCH

Phiên bản RADAR mới nhất của Bosch đang giúp tạo bản đồ địa phương để xe có thể lái qua đó. Họ đang sử dụng một lớp bản đồ kết hợp với RADAR cho phép xác định vị trí dựa trên thông tin GPS và RADAR tương tự như tạo chữ ký đường.

Bằng cách thêm các đầu vào từ GPS và RADAR, hệ thống của Bosch có thể lấy dữ liệu thời gian thực và so sánh với bản đồ cơ sở, khớp các mẫu giữa hai và xác định vị trí của nó với độ chính xác cao.

Với sự hỗ trợ của công nghệ này, chiếc xe có thể tự lái trong điều kiện thời tiết xấu mà không cần phụ thuộc nhiều vào camera và LiDAR.

WaveSense

WaveSense là một công ty RADAR có trụ sở tại Boston tin rằng những chiếc xe tự lái không cần nhận thức xung quanh giống như con người.

Không giống như các hệ thống khác, RADAR của họ sử dụng sóng xuyên qua mặt đất để nhìn xuyên qua các con đường bằng cách tạo bản đồ bề mặt đường. Hệ thống của họ truyền sóng vô tuyến cách đường 10 feet và nhận lại tín hiệu để lập bản đồ loại đất, mật độ, đá và cơ sở hạ tầng.

Bản đồ là một dấu tay duy nhất của con đường. Ô tô có thể so sánh vị trí của chúng với bản đồ được tải sẵn và tự khoanh vùng trong phạm vi 2 cm theo chiều ngang và 15 cm theo chiều dọc.

Công nghệ waveense cũng không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Radar xuyên đất thường được sử dụng trong khảo cổ học, công tác đường ống và cứu hộ; waveense là công ty đầu tiên sử dụng nó cho mục đích ô tô.

Lunewave

Ăng ten hình cầu được công nhận bởi ngành công nghiệp RADAR kể từ khi chúng ra đời vào năm 1940 bởi nhà vật lý người Đức Rudolf Luneburg. Chúng có thể cung cấp khả năng cảm biến 360 độ, nhưng cho đến nay vấn đề là chúng rất khó sản xuất với kích thước nhỏ để sử dụng cho ô tô.

Với kết quả của in 3D, chúng có thể được thiết kế dễ dàng. Lunewave đang thiết kế ăng-ten 360 độ với sự hỗ trợ của in 3D có kích thước gần bằng một quả bóng bàn.

Thiết kế độc đáo của ăng-ten cho phép RADAR cảm nhận được chướng ngại vật ở khoảng cách 380 yard, gần gấp đôi so với ăng-ten thông thường. Hơn nữa, hình cầu cho phép khả năng cảm biến 360 độ từ một đơn vị duy nhất, thay vì chế độ xem truyền thống 20 độ. Do kích thước nhỏ nên việc tích hợp nó vào hệ thống dễ dàng hơn và việc giảm các đơn vị RADAR làm giảm tải ghép nhiều hình ảnh trên bộ xử lý.

LiDars trong Xe tự lái

LiDAR là viết tắt của Li ght D etection a nd R anging, nó là một kỹ thuật hình ảnh giống như RADAR nhưng thay vì sử dụng sóng vô tuyến, nó sử dụng ánh sáng (Laser) để chụp ảnh môi trường xung quanh. Nó có thể dễ dàng tạo bản đồ 3D về xung quanh với sự trợ giúp của đám mây điểm. Tuy nhiên, nó không thể phù hợp với độ phân giải của máy ảnh nhưng vẫn đủ rõ ràng để cho biết hướng đối tượng đang đối mặt.

LiDAR hoạt động như thế nào?

LiDAR thường có thể được nhìn thấy trên đầu xe tự lái như một mô-đun quay. Khi quay, nó phát ra ánh sáng với tốc độ cao 150.000 xung mỗi giây và sau đó đo thời gian cần thiết để chúng quay trở lại sau khi va vào chướng ngại vật phía trước. Khi ánh sáng truyền đi với tốc độ cao, 300.000 km / giây, nó có thể đo khoảng cách của chướng ngại vật một cách dễ dàng với sự trợ giúp của công thức Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng x Thời gian bay) / 2 và là khoảng cách của các điểm khác nhau trong môi trường được thu thập nó được sử dụng để tạo thành một đám mây điểm có thể được giải thích thành hình ảnh 3D. LiDAR thường đo kích thước thực tế của các đối tượng, điều này mang lại một điểm cộng, nếu được sử dụng trong xe ô tô. Bạn có thể tìm hiểu thêm về LiDAR và hoạt động của nó trong bài viết này.

Sử dụng LiDar trong Ô tô

Mặc dù LiDAR có vẻ là một công nghệ hình ảnh không thể thay đổi, nhưng nó có những nhược điểm riêng như

Chi phí vận hành cao và bảo trì khó khăn
Không hiệu quả khi mưa lớn
Hình ảnh kém ở những nơi có góc mặt trời cao hoặc phản xạ lớn

Bên cạnh những hạn chế này, các công ty như Waymo đang đầu tư rất nhiều vào công nghệ này để làm cho nó tốt hơn vì họ đang phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ này cho các phương tiện của mình, thậm chí Waymo còn sử dụng LiDAR làm cảm biến chính để chụp ảnh môi trường.

Nhưng vẫn có những công ty như Tesla phản đối việc sử dụng LiDAR trong xe của họ. Giám đốc điều hành Tesla, Elon Musk gần đây đã đưa ra nhận xét về việc sử dụng LiDAR “ lidar là một việc vặt vãnh và bất cứ ai dựa vào lidar đều phải chết ”. Công ty Tesla của ông đã có thể đạt được khả năng tự lái mà không cần LiDAR, các cảm biến được sử dụng trong Tesla và phạm vi bao phủ của nó được hiển thị bên dưới.

Điều này chống lại các công ty như Ford, GM Cruise, Uber và Waymo, những người nghĩ rằng LiDAR là một phần thiết yếu của bộ cảm biến, musk đã trích dẫn về nó là “ LiDAR là khập khiễng, Họ sẽ bán LiDAR, hãy đánh dấu lời nói của tôi. Đó là dự đoán của tôi ”. Ngoài ra, các trường đại học cũng ủng hộ quyết định bán phá giá LiDAR của musk vì hai camera rẻ tiền ở hai bên xe có thể phát hiện các vật thể với độ chính xác gần như LiDAR với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ của LiDAR. Các camera được đặt ở hai bên của một chiếc xe Tesla được hiển thị trong hình ảnh dưới đây.

Máy ảnh trong xe tự lái

Tất cả các phương tiện tự lái đều sử dụng nhiều camera để có tầm nhìn 360 độ ra môi trường xung quanh. Nhiều camera từ mỗi bên như phía trước, phía sau, bên trái và bên phải được sử dụng và cuối cùng các hình ảnh được ghép lại với nhau để có chế độ xem 360 độ. Trong khi, một số máy ảnh có trường nhìn rộng lên tới 120 độ và phạm vi ngắn hơn và máy ảnh kia tập trung vào tầm nhìn hẹp hơn để cung cấp hình ảnh tầm xa. Một số camera trong những chiếc xe này có hiệu ứng mắt cá để có tầm nhìn toàn cảnh siêu rộng. Tất cả các camera này được sử dụng với một số thuật toán thị giác máy tính thực hiện tất cả các phân tích và phát hiện cho chiếc xe. Bạn cũng có thể xem các bài viết liên quan đến xử lý hình ảnh khác mà chúng tôi đã đề cập trước đó.

Sử dụng máy ảnh trong ô tô

Camera trên xe đang được sử dụng từ lâu với một ứng dụng như hỗ trợ đỗ xe và giám sát phía sau ô tô. Giờ đây, khi công nghệ xe tự lái đang phát triển, vai trò của camera trên xe đang được quan tâm lại. Trong khi cung cấp tầm nhìn 360 độ về môi trường xung quanh, máy ảnh có thể điều khiển phương tiện tự động qua đường.

Để có tầm nhìn bao quanh đường, các camera được tích hợp ở các vị trí khác nhau của xe, ở phía trước, một cảm biến camera có tầm nhìn rộng được sử dụng còn được gọi là hệ thống thị giác hai mắt và hệ thống nhìn một mắt bên trái và bên phải được sử dụng và ở phía sau kết thúc một camera đỗ xe được sử dụng. Tất cả các đơn vị camera này đưa hình ảnh đến thiết bị điều khiển và nó sẽ ghép các hình ảnh để có chế độ xem bao quanh.

Các loại cảm biến khác trong Xe tự lái

Bên cạnh ba loại cảm biến trên, còn có một số loại cảm biến khác được sử dụng trên xe tự lái với nhiều mục đích khác nhau như phát hiện làn đường, giám sát áp suất lốp, kiểm soát nhiệt độ, kiểm soát ánh sáng bên ngoài, hệ thống viễn thông, kiểm soát đèn pha, v.v.

Tương lai của phương tiện tự lái rất thú vị và vẫn đang được phát triển, trong tương lai nhiều công ty sẽ tiến hành cuộc đua và với nhiều luật và tiêu chuẩn mới này sẽ được tạo ra để sử dụng an toàn công nghệ này.