Technológia LiDAR mapuje okolie pomocou presných laserových lúčov. Následne vytvára detailné trojrozmerné modely priestoru. Moderné senzory dnes hrajú kľúčovú rolu v autonómnej doprave a pokročilej robotike.
Typickým znakom dnešných autonómnych vozidiel je senzor LiDAR umiestnený na streche, ktorý vďaka presným laserovým lúčom vytvára detailnú 3D mapu okolia v reálnom čase. Zdroj: iStock.com/Michael Vi
Predstavte si zariadenie schopné vidieť svet v dokonalom trojrozmernom priestore. Senzory LiDAR fungujú presne takto. Výrobcovia ich dnes integrujú do autonómnych áut, dronov či dokonca smartfónov. Laserové snímanie okolia prináša obrovskú priestorovú presnosť. Tieto systémy dokážu zachytiť aj tie najmenšie detaily prostredia. Vďaka tomu stroje lepšie rozumejú svojmu fyzickému okoliu.
Staršie verzie týchto zariadení využívali zložité mechanické súčiastky. Senzor fyzicky rotoval na streche auta a snímal okolie. Nové systémy nemajú nijaké pohyblivé časti. Vďaka tomu sú oveľa odolnejšie, takže sa v praxi podstatne menej kazia. Prechod na moderné pevné senzory sa však ešte len začína.
Ako funguje laserové mapovanie
Skratka LiDAR označuje detekciu svetla a meranie vzdialenosti. Zariadenie neprestajne vysiela krátke laserové impulzy priamo do priestoru. Tieto lúče následne narážajú na objekty a odrážajú sa naspäť. Prijímač v senzore okamžite zachytí vrátené svetlo. Systém potom presne zmeria čas letu tohto lúča. Svetlo sa šíri priestorom vždy rovnako rýchlo. Preto systém tento nemenný údaj využije na presný výpočet. Počítač tak ľahko zistí presnú vzdialenosť k danému objektu.
Výsledkom tohto procesu je takzvané mračno bodov. Ide o detailnú trojrozmernú mapu okolitého prostredia. Moderné verzie dokonca dokážu určiť aj rýchlosť pohybujúcich sa objektov. Zisťujú to pomocou Dopplerovho javu. Senzor jednoducho porovná frekvenciu vyslaného a prijatého svetla. Ak sa objekt približuje, svetelné vlny sa k sebe stláčajú. To spôsobí merateľnú zmenu, ktorú systém okamžite vyhodnotí.
Oči autonómnych vozidiel
Samojazdiace autá sa spoliehajú na extrémne presné dáta z okolia. Niektorí výrobcovia, ako napríklad Tesla, technológiu LiDAR zámerne ignorujú. Svoje vozidlá vybavujú výlučne pokročilými kamerovými systémami. Zastávajú názor, že človek šoféruje len pomocou zraku. Autonómny počítač by to preto mal zvládnuť tiež.
Kamery ponúkajú výhodu plnofarebného videnia a vysokého rozlíšenia. Potrebujú však dobré vonkajšie svetlo rovnako ako ľudské oko. Preto v tme alebo pri silnom slnku strácajú kvalitu obrazu.
Pokročilé algoritmy dnes robia kamerové systémy veľmi bezpečnými. Technológia LiDAR však momentálne poskytuje oveľa väčšiu celkovú spoľahlivosť. Väčšina autonómnych vozidiel preto využíva okrem kamier aj ďalšie spôsoby vnímania. Doplnkovým zmyslom sú klasické rádiové radary. Tie síce fungujú v zlom počasí, ale nevidia drobné detaily.
Posledným doplnkom na vnímanie okolia je technológia LiDAR. Tento systém využíva infračervené svetlo, takže mu až tak veľmi neprekážajú zmeny v podmienkach okolitého prostredia. Laserové lúče presne identifikujú chodcov, cyklistov a iné vozidlá. Autonómne systémy vedia presne vypočítať polohu všetkých prekážok. Dáta slúžia na okamžité rozhodovanie a bezpečné riadenie vozidla.
Otázka bezpečnosti áut bez lasera tak stále vyvoláva diskusie. Vedci aktuálne vyvíjajú systém na presné porovnanie oboch prístupov.
Odborníci pre optimálne vnímanie okolia spájajú údaje z rôznych kamier, tradičných radarov a laserov. Komplexné spojenie prináša najlepšie výsledky pre bezpečnú plynulú jazdu.
Vďaka prepojeniu dát z LiDAR-u, kamier a radarov dokážu moderné autonómne vozidlá vnímať svoje okolie v širšom a detailnejšom rozsahu než bežné autá, čo im umožňuje včas predvídať pohyb chodcov či iných účastníkov cestnej premávky. Zdroj: iStock.com/ArtemisDiana
Všestranné využitie v praxi
Autá zďaleka nepredstavujú jediné miesto pre uplatnenie tejto technológie. Rôzne firmy inštalujú moderné senzory do pohyblivých robotov. Menšie verzie bez pohyblivých častí nájdete napríklad v robotických vysávačoch. Kompaktné senzory mapujú izby a zabraňujú nárazom do nábytku. Pre vysávače stačia, no pre autá nemajú dostatočný dosah.
Priemyselné drony zasa využívajú LiDAR na presné mapovanie terénu. Zememerači tak dokážu rýchlo zamerať veľké plochy zo vzduchu. Lekári nachádzajú pre tieto systémy dôležité využitie v medicínskom zobrazovaní.
Technológia úspešne prenikla aj do bežnej spotrebnej elektroniky. Menšie a lacnejšie verzie dnes výrobcovia smartfónov montujú do mobilov. LiDAR v telefóne dokáže presne zmerať hĺbku priestoru okolo vás. Vďaka tomu virtuálne objekty na obrazovke správne zapadnú do reality. Presný odhad vzdialenosti zároveň pomáha pri zaostrovaní fotografií.
Súčasné prekážky a limity
Napriek obrovským výhodám čelí táto technológia viacerým náročným výzvam. Zásadnú komplikáciu pre snímače dlhodobo predstavuje nepriaznivé počasie. Hustý dážď, hmla alebo sneženie výrazne znižujú presnosť týchto senzorov. Snehové vločky napríklad vytvárajú v trojrozmernej mape mätúce falošné body. Systém v autonómnych vozidlách následne oveľa ťažšie rozoznáva napríklad skutočných chodcov.
Závažné bezpečnostné riziko predstavujú aj úmyselné hackerské útoky. Útočníci dokážu senzory oklamať falošnými svetelnými signálmi. Vývojári preto musia hľadať účinné spôsoby digitálnej ochrany.
Ďalšiu veľkú prekážku tvorí samotná cena a fyzická veľkosť zariadení. Spomínané staršie mechanické senzory s rotujúcimi časťami stoja desiatky tisíc. Extrémne vysoké náklady odrádzajú niektoré firmy od ich použitia. Radšej volia spomínanú cestu podstatne lacnejších kamier. Ostatné automobilky však hľadajú lacnejšie a odolnejšie alternatívy pre masovú výrobu technológie LiDAR.
Pohľad do budúcnosti
Budúcnosť jednoznačne patrí miniaturizácii a úplnému odstraňovaniu mechanických pohyblivých častí. Staršie prístroje totiž na smerovanie lúča používajú rotujúce zrkadlá. Mechanické súčiastky sa rýchlo opotrebujú a zaberajú veľa miesta.
Vývojári intenzívne pracujú na inovatívnych takzvaných pevnofázových senzoroch. Nové verzie umiestňujú zložité laserové systémy na jediný čip. Absencia mechanických častí zvyšuje odolnosť a rapídne znižuje celkovú výrobnú cenu.
Niektoré inovatívne spoločnosti plánujú stlačiť cenu jedného senzora pod dvesto dolárov. Táto obrovská zmena umožní montovanie senzorov aj do bežných áut. Technológia tak napríklad zlepší asistenčné systémy vodiča v autách na každodenné použitie.
Experti reálne očakávajú masové rozšírenie do konca prebiehajúceho desaťročia. Výskumníci zároveň trénujú umelú inteligenciu na lepšie filtrovanie chýb z počasia.
Zariadenia LiDAR predstavujú absolútne revolučný nástroj na priestorové vnímanie moderných strojov. Presné laserové meranie vzdialeností otvára dokorán dvere úplnej automatizácii v oblasti inteligentnej robotiky. Zníženie výrobných nákladov a vyriešenie problémov s počasím čoskoro zmení dopravu. Citlivé senzory urobia naše cesty v blízkej budúcnosti výrazne bezpečnejšími.
Zdroje: Sensors, IEEE Xplore
(KAM)
