Kas tai per žvėris – lazerinė radaro sistema?
Jei dar prieš dešimt metų kas nors būtų pasakęs, kad automobiliuose atsiras lazeriniai radarai, kurie „matys” aplinką geriau nei bet kuris žmogus – greičiausiai būtum nusišypsojęs. Tačiau šiandien tai ne mokslinė fantastika, o visiškai reali technologija, kuri jau dabar keičia tai, kaip mes suprantame eismo saugumą ir autonominį vairavimą. Lazerinė radaro sistema – arba LiDAR (Light Detection and Ranging) – yra vienas įdomiausių ir techniškai sudėtingiausių dalykų, kurie šiuo metu vyksta automobilių pramonėje.
Paprastai tariant, LiDAR veikia panašiai kaip echolokacija – tik vietoj garso bangų naudoja lazerio spindulius. Sistema siunčia tūkstančius lazerio impulsų per sekundę į visas puses, o tada matuoja, kiek laiko prireikia, kol šviesa atsimušusi grįžta atgal. Iš šių duomenų sukuriamas tikslus trimatės aplinkos žemėlapis – vadinamasis „debesų taškai” (angl. point cloud). Rezultatas – automobilis „mato” viską aplink save su milimetriniu tikslumu, net tamsoje, net rūke.
Bet čia ir prasideda įdomiausia dalis – nes LiDAR nėra vien tik autonominių automobilių reikalas. Ši technologija pamažu skverbiasi į saugos sistemas, kurios padeda paprastiems vairuotojams kasdien keliuose. Ir tai verta aptarti išsamiau.
Kaip veikia lazerinė sistema – be per daug fizikos
Gerai, pabandykime be per daug mokslinių terminų. Įsivaizduok, kad esi tamsoje ir turi žibintuvėlį. Pašvieti į sieną – matai sieną. LiDAR daro tą patį, tik vietoj vieno šviesos spindulio siunčia jų tūkstančius vienu metu, į visas kryptis, ir tai kartoja šimtus kartų per sekundę.
Kiekvienas lazerio spindulys keliauja greičiu, kuris yra žinomas – šviesos greičiu. Kai jis atsimušta į kliūtį ir grįžta atgal, sistema tiksliai žino, kiek laiko užtruko kelionė. Iš to apskaičiuojamas atstumas. Sudėjus visus šiuos taškus kartu, gaunamas tikslus trimatės aplinkos vaizdas.
Skirtingai nuo įprastų radarų, kurie naudoja radijo bangas ir gali aptikti objektus, bet ne visada tiksliai nustatyti jų formą, LiDAR suteikia neįtikėtiną detalumą. Sistema gali atskirti pėsčiąjį nuo dviratininko, automobilio veidrodėlį nuo paties automobilio, o kartais net nuskaityti kelio ženklų tekstą. Tai yra esminis skirtumas.
Yra kelios pagrindinės LiDAR tipų kategorijos:
- Mechaninis LiDAR – sukasi fiziškai, siunčia spindulius į visas puses 360 laipsnių kampu. Tikslus, bet didelis ir brangus. Tai tas verpstės formos prietaisas, kurį matai ant Google ir Waymo automobilių stogų.
- Kietakūnis (Solid-state) LiDAR – neturi judančių dalių, kompaktiškas, pigesnis. Tinka integravimui į automobilių kėbulą. Šiuo metu tai yra ateities kryptis.
- FMCW LiDAR – naujesnė technologija, kuri ne tik matuoja atstumą, bet ir objektų greitį. Tai tarsi radaro ir LiDAR hibridas.
Svarbu suprasti, kad vienas LiDAR jutiklis dažniausiai neveikia vienas. Moderniuose automobiliuose jis dirba kartu su kameromis, ultragarsiniais jutikliais ir įprastais radarais. Šis jutiklių „orkestras” vadinamas jutiklių susiliejimu (sensor fusion), ir būtent jis leidžia sistemai priimti tikrai patikimus sprendimus.
Kuo LiDAR skiriasi nuo įprasto radaro ir kamerų
Čia dažnai kyla painiava, tad verta išsiaiškinti kartą ir visiems laikams. Automobiliuose šiandien naudojamos trys pagrindinės „matymo” technologijos – kameros, radarai ir LiDAR. Kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų.
Kameros yra pigiausios ir suteikia spalvotą, detalų vaizdą. Jos puikiai atpažįsta kelio ženklus, eismo juostų žymėjimą, šviesoforų spalvas. Tačiau jos kenčia nuo apšvietimo problemų – saulės atspindžiai, tamsa, rūkas gali rimtai pakenkti jų veikimui. Be to, kamera mato dvimačiai – ji negali tiksliai nustatyti atstumo iki objekto.
Radarai (tradiciniai, radijo bangų) yra labai patikimi bet kokiomis oro sąlygomis. Jie puikiai matuoja atstumą ir greitį, veikia lietuje, rūke, sniege. Tačiau jų skiriamoji geba yra žema – radaras gali pasakyti, kad kažkas yra 50 metrų priešais, bet negalės tiksliai pasakyti, ar tai žmogus, ar šiukšlių dėžė.
LiDAR užima savotišką vidurinę poziciją – jis suteikia tiek tikslų atstumą, tiek detalią trijų dimensijų formą. Jis veikia tamsoje, nes pats generuoja šviesą. Tačiau jis turi savo silpnybių – stiprus lietus ar sniegas gali trukdyti lazerio spinduliams, o kaina vis dar yra aukštesnė nei kitų jutiklių.
Elonas Muskas garsiai tvirtina, kad LiDAR yra nereikalingas, ir Tesla autonominio vairavimo sistemas kuria tik kamerų pagrindu. Tačiau dauguma kitų automobilių gamintojų ir technologijų kompanijų su tuo nesutinka. Waymo, Volvo, Mercedes-Benz, BMW – visi naudoja LiDAR. Diskusija tęsiasi, bet praktika rodo, kad LiDAR suteikia papildomą saugos sluoksnį, kurio kameros vienos negali užtikrinti.
Kurie automobiliai jau turi LiDAR sistemas
Jei manai, kad LiDAR – tai tik ateities technologija ar eksperimentiniai prototipai, labai klysti. Jau dabar galima nueiti į saloną ir nusipirkti automobilį su LiDAR jutikliu. Tiesa, kol kas tai daugiausia aukštesnio segmento modeliai, bet tendencija aiški – technologija juda žemyn į masines rinkas.
Volvo EX90 – vienas ryškiausių pavyzdžių. Šis elektrinis visureigis turi integruotą LiDAR jutiklį stoge, kurį pagamino Luminar Technologies. Volvo tai vadina „saugos technologija”, kuri leidžia automobiliui reaguoti į pavojus greičiau nei žmogus – net tamsoje ar sudėtingomis sąlygomis. Jutiklis yra elegantiškai integruotas į stogo liniją, tad iš išorės beveik nematomas.
Mercedes-Benz EQS ir kai kurie S-klasės modeliai turi LiDAR sistemas, susijusias su jų Drive Pilot funkcija – tai vienas pirmųjų SAE 3 lygio autonominio vairavimo sistemų, leidžiamų naudoti viešuose keliuose (kol kas tik kai kuriose valstijose ir šalyse).
Lucid Air, BMW iX ir keli kiti elektriniai automobiliai taip pat juda šia kryptimi. Kinijos rinkoje LiDAR plinta dar greičiau – NIO, Li Auto, XPENG jau siūlo LiDAR kaip standartinę arba papildomą įrangą vidutinės kainos modeliuose.
Praktinis patarimas perkant automobilį: jei svarbu saugos technologijų lygis, verta pasitikrinti, ar modelis naudoja LiDAR ar tik kamerų ir radaro kombinaciją. Tai galima rasti techniniuose specifikacijų lapuose arba gamintojo svetainėse. Dažnai LiDAR sistemos būna susijusios su aukštesnio lygio autonominio vairavimo paketais.
Autonominis vairavimas ir LiDAR – kur esame dabar
Autonominio vairavimo lygiai yra klasifikuojami pagal SAE (Society of Automotive Engineers) skalę nuo 0 iki 5. Nulinis lygis – visiškai rankinis valdymas. Penktasis – automobilis vairuoja pats visomis sąlygomis, be jokio žmogaus įsikišimo. Šiandien dauguma „pažangių” automobilių yra 2-ojo lygio – jie gali laikyti juostą ir palaikyti atstumą, bet vairuotojas turi nuolat stebėti ir būti pasirengęs perimti valdymą.
LiDAR yra esminis komponentas pereinant į 3-ąjį ir aukštesnius lygius. Kodėl? Nes 3-iojo lygio sistema turi galėti savarankiškai reaguoti į pavojingas situacijas be vairuotojo įsikišimo. O tam reikia tikslaus, patikimo aplinkos suvokimo – ir čia LiDAR tampa neišvengiamas.
Waymo šiuo metu valdo robotaksi paslaugą Arizonoje ir Kalifornijoje – tai 4-ojo lygio autonomija tam tikrose geografinėse zonose. Jų automobiliai turi kelis LiDAR jutiklius, kameras ir radarus. Rezultatai? Statistiškai šie automobiliai yra saugesni nei vidutinis žmogus vairuotojas. Tai faktas, kurį sunku ignoruoti.
Tačiau yra ir realių iššūkių. LiDAR sistemos vis dar brangios – nors kainos krenta dramatiškai (prieš dešimt metų vienas jutiklis kainavo 75 000 dolerių, dabar galima rasti už kelis šimtus). Programinė įranga, kuri apdoroja LiDAR duomenis realiuoju laiku, reikalauja milžiniško skaičiavimo pajėgumo. Ir galiausiai – teisinė bazė daugelyje šalių dar nepasivijo technologijų.
Saugumas kelyje – ką LiDAR keičia praktiškai
Gerai, bet ką visa tai reiškia paprastam vairuotojui, kuris tiesiog nori saugiai nuvažiuoti į darbą ir grįžti namo? Čia ir yra esminis klausimas.
LiDAR sistemos jau dabar veikia fone daugelyje saugos funkcijų. Automatinis avarinis stabdymas (AEB) su LiDAR reaguoja greičiau ir tiksliau nei sistemos, pagrįstos tik kameromis. Jis gali aptikti pėsčiąjį, kuris staiga išeina iš tarp automobilių, net jei vairuotojas to dar nemato. Gali sustabdyti automobilį prieš kliūtį tamsoje, kai priekiniai žibintai dar tik pradeda apšviesti kelią.
Aklosios zonos stebėjimas su LiDAR yra nepalyginamai tikslesnis. Sistema žino ne tik tai, kad šalia yra kitas automobilis, bet ir tiksliai kur jis yra, kaip greitai juda ir kokia trajektorija. Tai leidžia sistemai duoti įspėjimą tiksliai tada, kai jis reikalingas – ne per anksti, ne per vėlai.
Vairavimas naktį tampa saugesnis. Tai galbūt vienas svarbiausių praktinių privalumų. Statistiškai apie 50% eismo įvykių su mirtimis įvyksta naktį, nors naktinis eismas sudaro tik apie 25% viso eismo. LiDAR veikia nepriklausomai nuo apšvietimo – jis „mato” tamsoje taip pat gerai kaip dieną.
Keletas praktinių patarimų vairuotojams, kurių automobiliuose yra LiDAR ar pažangios jutiklių sistemos:
- Reguliariai valykite jutiklius – LiDAR lęšiai turi būti švarūs. Purvas, sniegas ar ledas gali rimtai pabloginti sistemos veikimą. Daugelis gamintojų integruoja automatines valymo sistemas, bet verta periodiškai patikrinti rankiniu būdu.
- Nesikliaukite sistema aklai – net ir su LiDAR, jūs esate vairuotojas ir atsakomybė išlieka jūsų. Sistemos turi ribojimus.
- Atnaujinkite programinę įrangą – LiDAR sistemos dažnai gauna atnaujinimus, kurie pagerina jų veikimą. Įsitikinkite, kad jūsų automobilis turi naujausią programinę versiją.
- Žiemą būkite ypač atidūs – stiprus sniegas ar pūga gali riboti LiDAR veikimą. Sistema veiks, bet jos efektyvumas gali sumažėti.
Kaina, ateitis ir kas laukia eilinio pirkėjo
Vienas dažniausių klausimų – kiek tai kainuoja ir kada LiDAR pasieks „normalius” automobilius? Atsakymas yra optimistiškas, bet reikalauja šiek tiek kantrybės.
Dar 2012 metais Velodyne HDL-64E LiDAR jutiklis kainavo apie 75 000 dolerių. Tai buvo pramoninis prietaisas, naudojamas mokslinių tyrimų automobiliuose. 2020 metais kainos nukrito iki kelių tūkstančių dolerių. Dabar kai kurie kietakūniai LiDAR jutikliai kainuoja kelis šimtus dolerių, o prognozės sako, kad iki 2030 metų masinio gamybos jutikliai galėtų kainuoti mažiau nei 100 dolerių.
Tai reiškia, kad per ateinančius 5-7 metus LiDAR gali tapti standartine įranga vidutinės klasės automobiliuose – panašiai kaip ABS ar oro pagalvės, kurios kažkada buvo prabangos elementas, o dabar yra kiekviename automobilyje.
Kompanijos, kurios šiuo metu kuria LiDAR technologijas ir vertos dėmesio: Luminar Technologies (bendradarbiauja su Volvo, Mercedes), Innoviz (BMW partneris), Ouster, Cepton (įsigyta General Motors). Kinijoje Hesai ir RoboSense yra pagrindiniai žaidėjai.
Svarbu paminėti ir programinės įrangos pusę. LiDAR jutiklis pats savaime yra tik duomenų šaltinis. Tikroji vertė sukuriama algoritmais, kurie apdoroja šiuos duomenis – atpažįsta objektus, prognozuoja jų judėjimą, priima sprendimus. Čia dirbtinis intelektas ir mašininis mokymasis vaidina lemiamą vaidmenį. Ir šioje srityje pažanga vyksta dar greičiau nei pačioje aparatūroje.
Kai lazeris tampa jūsų antrąja pora akių
Žvelgiant į visą šį LiDAR pasaulį, sunku nepastebėti, kad mes stovime ties tikru lūžio tašku automobilių istorijoje. Tai nėra eilinis technologinis atnaujinimas – tai fundamentalus pokytis tame, kaip automobilis suvokia ir sąveikauja su aplinka.
Lazerinė radaro sistema nėra tobula. Ji turi savo ribojimus, savo silpnąsias vietas, ir dar daug metų prireiks, kol technologija bus pakankamai brandi ir pigi, kad taptų visuotinė. Tačiau kryptis yra aiški – ir ji veda link kelių, kuriuose eismo įvykių bus mažiau, kuriuose žmonės, kurie negali vairuoti dėl amžiaus ar negalios, turės naujų galimybių, ir kuriuose vairavimas taps mažiau stresingas ir labiau malonus.
Jei šiandien perkate naują automobilį ir saugumas jums yra prioritetas – verta rimtai pasvarstyti modelius su LiDAR arba bent jau su pažangiomis jutiklių sistemomis. Skirtumas tarp automobilio, kuris „mato” aplinką su LiDAR, ir to, kuris naudoja tik kameras, yra panašus į skirtumą tarp vairavimo su gerais akiniais ir be jų. Gali vairuoti ir be jų – bet kodėl turėtum?
Technologija juda į priekį nepriklausomai nuo to, ar mes ją sekame ar ne. Geriau suprasti, kas vyksta po tuo elegantišku plastikiniu dangteliu ant automobilio stogo, nei vieną dieną nustebti, kad jūsų automobilis sustojo pats, nes kažkas perbėgo per kelią tamsoje – ir jūs to net nepastebėjote.
