دحض السحر الكامن وراء أجهزة الاستشعار المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة

في صباح جميل ، أنت تعبر الطريق للوصول إلى مكتبك على الجانب الآخر ، فقط عندما تكون في منتصف الطريق ستلاحظ قطعة معدنية بدون سائق ، وروبوت ، تتقدم نحوها وتواجه معضلة تقرر عبور طريق أم لا؟ سؤال قوي يضغط على عقلك ، "هل لاحظتني السيارة؟" ثم تشعر بالارتياح عندما تلاحظ أن سرعة السيارة يتم إبطاءها تلقائيًا وهذا يجعلك مخرجًا. لكن تمسك بما حدث للتو؟ كيف حصلت الآلة على ذكاء بمستوى الإنسان؟

سنحاول في هذا المقال الإجابة على هذه الأسئلة من خلال إلقاء نظرة عميقة على المستشعرات المستخدمة في السيارات ذاتية القيادة وكيف يستعدون لقيادة سيارات مستقبلنا. قبل الغوص في ذلك ، دعنا أيضًا نلحق بأساسيات المركبات ذاتية القيادة ، ومعايير القيادة الخاصة بها ، واللاعبين الرئيسيين ، ومرحلة التطوير والنشر الحالية وما إلى ذلك. لكل هذا ، سننظر في السيارات ذاتية القيادة لأنها تشكل سوقًا رئيسيًا حصة المركبات ذاتية القيادة.

تاريخ السيارات ذاتية القيادة

خرجت السيارات ذاتية القيادة بدون سائق في البداية من الخيال العلمي لكنها الآن جاهزة تقريبًا للانطلاق على الطرقات. لكن التكنولوجيا لم تظهر بين عشية وضحاها. بدأت التجارب على السيارات ذاتية القيادة في أواخر العشرينيات من القرن الماضي حيث تم التحكم في السيارات بمساعدة موجات الراديو عن بُعد. ومع ذلك ، بدأت التجربة الواعدة لهذه السيارات في الظهور في 1950-1960 بتمويل ودعم مباشر من قبل المنظمات البحثية مثل DARPA.

بدأت الأمور واقعية فقط في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين عندما بدأ عمالقة التكنولوجيا مثل Google في المضي قدمًا لتوجيه ضربة للشركات الميدانية المنافسة مثل جنرال موتورز وفورد وغيرها. بدأت Google بتطوير مشروعها للسيارة ذاتية القيادة والذي يُعرف الآن باسم Google waymo. تقدمت شركة سيارات الأجرة Uber أيضًا بسيارتها ذاتية القيادة على التوالي جنبًا إلى جنب مع منافستها مع Toyota و BMW و Mercedes Benz وغيرهم من اللاعبين الرئيسيين في السوق ، وبحلول الوقت الذي كان فيه Tesla بقيادة Elon Musk قد ضرب السوق أيضًا لصنع الأشياء حار.

معايير القيادة

هناك فرق كبير بين مصطلح السيارة ذاتية القيادة والسيارة ذاتية القيادة. يعتمد هذا الاختلاف على مستوى معيار القيادة الموضح أدناه. يتم تقديم هذه المعايير من قبل قسم J3016 في الرابطة الدولية للهندسة وصناعة السيارات ، SAE (جمعية مهندسي السيارات) ، وفي أوروبا من قبل المعهد الفيدرالي لأبحاث الطرق السريعة. إنه تصنيف من ستة مستويات من المستوى صفر إلى المستوى الخامس. ومع ذلك ، فإن المستوى صفر يعني عدم وجود أتمتة ولكن تحكم بشري كامل في السيارة.

المستوى 1 - مساعدة السائق: مساعدة منخفضة المستوى للسيارة مثل التحكم في التسارع أو التحكم في التوجيه ولكن ليس كلاهما في وقت واحد. هنا لا يزال السائق يتحكم في المهام الرئيسية مثل التوجيه والكسر ومعرفة المناطق المحيطة.

المستوى 2 - أتمتة جزئية: في هذا المستوى يمكن للسيارة أن تساعد كلاً من التوجيه والتسارع بينما لا يزال السائق يراقب معظم الميزات المهمة. هذا هو المستوى الأكثر شيوعًا الذي يمكن أن نجده في السيارات الموجودة على الطريق هذه الأيام.

المستوى 3 - الأتمتة المشروطة: الانتقال إلى المستوى 3 حيث تراقب السيارة الظروف البيئية باستخدام المستشعرات وتتخذ الإجراءات اللازمة مثل الكبح والدحرجة على التوجيه ، في حين أن السائق البشري موجود للتدخل في النظام في حالة ظهور أي حالة غير متوقعة.

المستوى 4 - الأتمتة العالية : هذا هو مستوى عالٍ من الأتمتة حيث تكون السيارة قادرة على إكمال الرحلة بأكملها دون تدخل بشري. ومع ذلك ، تأتي هذه الحالة بشرطها الخاص وهو أنه يمكن للسائق تحويل السيارة إلى هذا الوضع فقط عندما يكتشف النظام أن ظروف حركة المرور آمنة ولا يوجد ازدحام مروري.

المستوى 5 - أتمتة كاملة: هذا المستوى مخصص للسيارات المؤتمتة بالكامل التي لم تكن موجودة حتى الآن. يحاول المهندسون تحقيق ذلك. سيمكننا ذلك من الوصول إلى وجهتنا دون إدخال تحكم يدوي في التوجيه أو الفرامل.

أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة / ذاتية القيادة

هناك أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة ، ولكن أهمها يشمل استخدام الكاميرات وأجهزة الرادار والليدار وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية. و الموقف ونوع من أجهزة الاستشعار المستخدمة في السيارات ذاتية الحكم وهو مبين أدناه.

تعمل جميع المستشعرات المذكورة أعلاه على تغذية البيانات في الوقت الفعلي إلى وحدة التحكم الإلكترونية المعروفة أيضًا باسم Fusion ECU ، حيث تتم معالجة البيانات للحصول على معلومات 360 درجة للبيئة المحيطة. أهم المستشعرات التي تشكل قلب وروح المركبات ذاتية القيادة هي مستشعرات RADAR و LIDAR والكاميرا ، لكن لا يمكننا تجاهل مساهمة المستشعرات الأخرى مثل مستشعر الموجات فوق الصوتية ومستشعرات درجة الحرارة ومستشعرات اكتشاف المسار ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أيضًا..

الرسم البياني الموضح أدناه مأخوذ من الدراسة البحثية التي أجريت على براءات اختراع Google التي تركز على استخدام المستشعرات في المركبات ذاتية القيادة أو ذاتية القيادة ، وتحليل الدراسة عدد مجال براءات الاختراع في كل تقنية (أجهزة استشعار متعددة بما في ذلك ، Lidar ، السونار ، الرادار و كاميرات للكشف عن الأشياء والعوائق والتصنيف والتتبع) باستخدام أجهزة الاستشعار الأساسية المستخدمة في كل مركبة ذاتية القيادة.

يوضح الرسم البياني أعلاه اتجاهات تسجيل براءات الاختراع للمركبات ذاتية القيادة مع التركيز على استخدام المستشعرات فيها ، حيث يمكن تفسير أن تطوير هذه المركبات بمساعدة المستشعرات بدأ في حوالي السبعينيات. على الرغم من أن وتيرة التنمية لم تكن بالسرعة الكافية ، ولكنها كانت تتزايد بوتيرة بطيئة للغاية. يمكن أن تكون أسباب ذلك عديدة مثل المصانع غير المطورة ، ومنشآت البحث والمختبرات المناسبة غير المطورة ، وعدم توفر الحوسبة المتطورة ، وبالطبع عدم توفر الإنترنت عالي السرعة ، والبنى السحابية والمتطورة للحساب واتخاذ القرار بشأن المركبات ذاتية القيادة.

في 2007-2010 كان هناك نمو مفاجئ لهذه التكنولوجيا. لأنه خلال هذه الفترة لم يكن هناك سوى شركة واحدة مسؤولة عنها أي جنرال موتورز وفي السنوات التالية انضمت إلى هذا السباق عملاق التكنولوجيا Google والآن تعمل العديد من الشركات على هذه التقنية.

في السنوات القادمة ، يمكن توقع أن مجموعة جديدة كاملة من الشركات ستدخل في هذا المجال التكنولوجي مع مواصلة البحث بطرق مختلفة.

الرادار في المركبات ذاتية القيادة

يلعب الرادار دورًا مهمًا في مساعدة المركبات على فهم نظامها ، لقد قمنا بالفعل ببناء نظام Arduino Radar بسيط بالموجات فوق الصوتية في وقت سابق. اكتشفت تقنية الرادار لأول مرة استخدامها على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية ، مع تطبيق براءة اختراع المخترع الألماني كريستيان هويلسمير "telemobiloscope" وهو تطبيق مبكر لتقنية الرادار التي يمكنها اكتشاف السفن التي تصل إلى 3000 متر.

سريعًا اليوم ، أدى تطوير تقنية الرادار إلى جلب العديد من حالات الاستخدام في جميع أنحاء العالم في الجيش والطائرات والسفن والغواصات.

كيف يعمل الرادار؟

RADAR هو اختصار ل را ديو د etection و الثانية ص anging، والى حد كبير من اسمها أنها يمكن أن يفهم أنه يعمل على موجات الراديو. يرسل جهاز الإرسال إشارات الراديو في جميع الاتجاهات وإذا كان هناك شيء أو عائق في الطريق ، فإن موجات الراديو هذه تنعكس مرة أخرى إلى مستقبل الرادار ، ويتناسب الاختلاف في تردد المرسل والمستقبل مع وقت السفر ويمكن استخدامه لقياس المسافات والتمييز بين أنواع الكائنات المختلفة.

تُظهر الصورة أدناه الرسم البياني للإرسال والاستقبال بالرادار ، حيث يمثل الخط الأحمر الإشارة المرسلة والخطوط الزرقاء هي الإشارات المستقبلة من كائن مختلف عبر الزمن. نظرًا لأننا نعرف وقت الإشارة المرسلة والمستقبلة ، يمكننا إجراء تحليل FFT لحساب مسافة الجسم من المستشعر.

استخدام RADAR في النفس قيادة السيارات

RADAR هي واحدة من أجهزة الاستشعار التي ركوب خلف الصفائح المعدنية للسيارة لجعله مستقلا، انها التكنولوجيا التي كانت في انتاج السيارات من 20 عاما حتى الآن، ويجعل من الممكن لسيارة لديها نظام تثبيت السرعة التكيفي و التلقائي الكبح في حالات الطوارئ. على عكس أنظمة الرؤية مثل الكاميرا ، يمكن أن ترى في الليل أو في الطقس السيئ ويمكنها التنبؤ بمسافة وسرعة الجسم من مئات الياردات.

الجانب السلبي في RADAR هو أنه حتى الرادارات المتقدمة للغاية لا يمكنها التنبؤ ببيئتها بوضوح. ضع في اعتبارك أنك راكب دراجة يقف أمام سيارة ، وهنا لا يستطيع الرادار أن يتنبأ بالتأكيد بأنك راكب دراجة ولكن يمكنه التعرف عليك كشيء أو عائق ويمكنه اتخاذ الإجراءات اللازمة كما أنه لا يمكنه التنبؤ بالاتجاه في الذي تواجهه يمكنه فقط اكتشاف سرعتك واتجاه حركتك.

للقيادة مثل البشر ، يجب أن ترى المركبات أولاً مثل البشر. للأسف ، RADAR ليس محددًا كثيرًا بالتفاصيل ، لذا يجب استخدامه مع أجهزة استشعار أخرى في المركبات ذاتية القيادة. تعتمد معظم شركات تصنيع السيارات مثل Google و Uber و Toyota و Waymo بشكل كبير على مستشعر آخر يسمى LiDAR نظرًا لأنها محددة التفاصيل ولكن مداها يبلغ بضع مئات من الأمتار فقط. هذا هو الاستثناء الوحيد لشركة تصنيع السيارات المستقلة TESLA لأنها تستخدم RADAR كمستشعر رئيسي ، ويثق ماسك أنهم لن يحتاجوا أبدًا إلى LiDAR في أنظمتهم.

في وقت سابق ، لم يكن هناك الكثير من التطوير يحدث مع تكنولوجيا الرادار ، ولكن الآن مع أهميتها في المركبات ذاتية القيادة. يتم طرح التقدم في نظام RADAR من قبل العديد من شركات التكنولوجيا والشركات الناشئة و الشركات التي يتم إعادة اختراع دور RADAR في التنقل مدرجة أدناه

بوش

يساعد أحدث إصدار من Bosch من RADAR في إنشاء خريطة محلية يمكن للمركبة القيادة عليها. إنهم يستخدمون طبقة خريطة بالاقتران مع RADAR التي تسمح بتحديد الموقع بناءً على معلومات GPS و RADAR المشابهة لإنشاء توقيعات الطريق.

من خلال إضافة المدخلات من GPS و RADAR ، يمكن لنظام Bosch أخذ بيانات الوقت الفعلي ومقارنتها بالخريطة الأساسية ، ومطابقة الأنماط بين الاثنين ، وتحديد مواقعها بدقة عالية.

بمساعدة هذه التكنولوجيا ، يمكن للسيارة أن تقود نفسها في ظروف جوية سيئة دون الاعتماد كثيرًا على الكاميرات و LiDAR.

WaveSense

WaveSense هي شركة RADAR مقرها بوسطن وتعتقد أن السيارات ذاتية القيادة لا تحتاج إلى إدراك محيطها مثل البشر.

يستخدم RADAR الخاص بهم على عكس الأنظمة الأخرى موجات تخترق الأرض لرؤية الطرق من خلال إنشاء خريطة لسطح الطريق. ترسل أنظمتهم موجات الراديو على عمق 10 أقدام تحت الطريق وتستعيد الإشارة التي تحدد نوع التربة وكثافتها وصخورها وبنيتها التحتية.

الخريطة هي بصمة فريدة للطريق. يمكن للسيارات مقارنة موقعها بخريطة مسبقة التحميل وتحديد مواقعها في حدود 2 سم أفقيًا و 15 سم رأسيًا.

لا تعتمد تقنية waveense أيضًا على الظروف الجوية. يستخدم الرادار المخترق للأرض بشكل تقليدي في علم الآثار وأعمال خطوط الأنابيب وعمليات الإنقاذ ؛ ويفسنس هي الشركة الأولى التي استخدمتها لأغراض السيارات.

لونيف

تم التعرف على الهوائيات ذات الشكل الكروي من قبل صناعة الرادار منذ ظهورها عام 1940 من قبل الفيزيائي الألماني رودولف لونبورغ. يمكن أن توفر قدرة استشعار بزاوية 360 درجة ، ولكن حتى الآن كانت المشكلة أنه كان من الصعب تصنيعها بحجم صغير لاستخدامها في السيارات.

مع نتيجة الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن تصميمها بسهولة. تقوم Lunewave بتصميم هوائيات بزاوية 360 درجة بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد تقريبًا بحجم كرة بينج بونج.

يسمح التصميم الفريد للهوائيات للرادار باستشعار العوائق على مسافة 380 ياردة وهو ضعف ما يمكن تحقيقه بواسطة هوائي عادي. علاوة على ذلك ، يسمح المجال بقدرة الاستشعار على 360 درجة من وحدة واحدة ، بدلاً من الرؤية التقليدية 20 درجة. نظرًا لصغر حجمها ، من السهل دمجه في النظام ، كما أن تقليل وحدات RADAR يقلل من حمل خياطة الصور المتعددة فوق المعالج.

LiDars في المركبات ذاتية القيادة

تحديد المدى لتقف على لي GHT D etection و الثانية R anging، انها تقنية التصوير تماما مثل RADAR ولكن بدلا من استخدام موجات الراديو أنه يستخدم الضوء (الليزر) لتصوير المناطق المحيطة بها. يمكنه بسهولة إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للمحيط بمساعدة نقطة سحابة. ومع ذلك ، لا يمكن أن تتطابق مع دقة الكاميرا ولكنها لا تزال واضحة بما يكفي لمعرفة الاتجاه الذي يواجهه الكائن.

كيف يعمل الليدار؟

يمكن عادةً رؤية LiDAR على الجزء العلوي من المركبات ذاتية القيادة كوحدة دوارة. أثناء دورانه ، يبعث الضوء بسرعة عالية 150.000 نبضة في الثانية ثم يقيس الوقت الذي يستغرقه للعودة بعد اصطدامه بالعوائق التي أمامه. نظرًا لأن الضوء ينتقل بسرعة عالية ، 300000 كيلومتر في الثانية ، يمكنه قياس مسافات العائق بسهولة بمساعدة صيغة المسافة = (سرعة الضوء × وقت الطيران) / 2 وكمسافة نقاط مختلفة في يتم تجميع البيئة يتم استخدامها لتشكيل سحابة نقطية يمكن تفسيرها في صور ثلاثية الأبعاد. عادةً ما يقيس LiDAR الأبعاد الفعلية للأشياء ، مما يعطي نقطة زائد ، إذا تم استخدامها في مركبات السيارات. يمكنك معرفة المزيد عن LiDAR وعملها في هذه المقالة.

استخدام الليدار في السيارات

على الرغم من أن LiDAR تبدو تقنية تصوير عنيدة ، إلا أن لها عيوبها مثل

• تكلفة تشغيل عالية وصيانة صعبة
• غير فعال أثناء هطول الأمطار الغزيرة
• التصوير ضعيف في الأماكن ذات زاوية الشمس العالية أو الانعكاسات الضخمة

بجانب هذه العوائق ، تستثمر شركات مثل Waymo بكثافة في هذه التكنولوجيا لجعلها أفضل لأنها تعتمد بشكل كبير على هذه التكنولوجيا لمركباتها ، حتى Waymo تستخدم LiDAR كمستشعر أساسي لتصوير البيئة.

ولكن لا تزال هناك شركات مثل Tesla تعارض استخدام LiDAR في سياراتهم. أدلى الرئيس التنفيذي لشركة Tesla Elon Musk مؤخرًا بتعليق على استخدام LiDAR's " lidar مهمة أحمق وأي شخص يعتمد على lidar محكوم عليه بالفشل ". تمكنت شركته Tesla من تحقيق القيادة الذاتية بدون LiDARs ، والمستشعرات المستخدمة في Tesla ونطاق تغطيتها موضح أدناه.

يأتي هذا بشكل مباشر ضد شركات مثل Ford و GM Cruise و Uber و Waymo الذين يعتقدون أن LiDAR هو جزء أساسي من مجموعة أجهزة الاستشعار ، والمسك مقتبس عليه كـ " LiDAR عرجاء ، سوف يتخلصون من LiDAR ، ضع علامة على كلماتي. هذا هو توقعي ". تدعم الجامعات أيضًا قرار المسك بالتخلص من LiDAR نظرًا لأن كاميرتين رخيصتين على جانبي السيارة يمكنهما اكتشاف الأشياء بدقة LiDAR تقريبًا بجزء بسيط من تكلفة LiDAR. الكاميرات الموضوعة على جانبي سيارة تسلا موضحة في الصورة أدناه.

الكاميرات في المركبات ذاتية القيادة

تستخدم جميع المركبات ذاتية القيادة عدة كاميرات للحصول على رؤية بزاوية 360 درجة للبيئة المحيطة. يتم استخدام كاميرات متعددة من كل جانب مثل الأمام والخلف واليسار واليمين ، وفي النهاية يتم تجميع الصور معًا للحصول على عرض 360 درجة. بينما تتمتع بعض الكاميرات بمجال رؤية واسع يصل إلى 120 درجة ونطاق أقصر وتركز الأخرى على رؤية أضيق لتوفير مرئيات بعيدة المدى. تتمتع بعض الكاميرات في هذه المركبات بتأثير عين السمكة للحصول على رؤية بانورامية فائقة الاتساع. يتم استخدام جميع هذه الكاميرات مع بعض خوارزميات الرؤية الحاسوبية التي تقوم بجميع التحليلات والكشف عن السيارة. يمكنك أيضًا الاطلاع على المقالات الأخرى ذات الصلة بمعالجة الصور والتي تناولناها سابقًا.

استخدام الكاميرا في السيارات

يتم استخدام الكاميرات في المركبات لفترة طويلة مع تطبيقات مثل المساعدة في ركن السيارة ومراقبة الجزء الخلفي من السيارات. الآن مع تطوير تقنية السيارة ذاتية القيادة ، يتم إعادة التفكير في دور الكاميرا في المركبات. مع توفير رؤية محيطية بزاوية 360 درجة ، فإن الكاميرات قادرة على قيادة المركبات بشكل مستقل عبر الطريق.

للحصول على رؤية محيطية للطريق ، تم دمج الكاميرات في مواقع مختلفة من السيارة ، وفي الأمام ، يتم استخدام مستشعر كاميرا الرؤية العريضة المعروف أيضًا باسم نظام الرؤية ثنائي العينين وفي الجانب الأيسر والأيمن يتم استخدام أنظمة رؤية أحادية العين وفي الخلف إنهاء استخدام كاميرا وقوف السيارات. تقوم كل وحدات الكاميرا هذه بإحضار الصور إلى وحدات التحكم وتقوم بتجميع الصور للحصول على عرض محيط.

نوع آخر من أجهزة الاستشعار في المركبات ذاتية القيادة

إلى جانب المستشعرات الثلاثة المذكورة أعلاه ، هناك نوع آخر من المستشعرات المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة لأغراض مختلفة مثل اكتشاف المسار ، ومراقبة ضغط الإطارات ، والتحكم في درجة الحرارة ، والتحكم في الإضاءة الخارجية ، ونظام المعلومات عن بُعد ، والتحكم في المصباح الأمامي ، إلخ.

إن مستقبل المركبات ذاتية القيادة مثير ولا يزال قيد التطوير ، وفي المستقبل ستتقدم العديد من الشركات لخوض السباق ، ومع هذا العدد الكبير من القوانين والمعايير الجديدة سيتم إنشاؤها من أجل الاستخدام الآمن لهذه التكنولوجيا.