Sistemul de masurare cu laser (LIDAR) al autovehiculelor autonome [626001]

UNIVERSITATE A “TRANSILVANIA” DIN BRAȘOV
Facultatea de Inginerie Mecanică

Sistemul de masurare cu laser (LIDAR) al autovehiculelor autonome

STUDENT: [anonimizat]:SRTIM 1261

Pana in momentul de fata exista 5 nivele de condus :
Nivel 0 – Cel mult soferul va fi atentionat cu privire la anumite pericole,dar niciun system
nu intervine, astfel incat soferul trebuie sa fie atent in permanenta.
Nivel 1 – Sistemul de condus autonom poate sa preia contro lul asupra directiei sau
acceleratiei ,insa de toate celelalte functii ale masinii se va ocupa suferul.
–Tempomatul adaptive (Adaptive Cruise Control ) poate face ca o masina echipata cu
asemenea echipament sa urmareasca un autovehicul la viteze constant de la plecare
pana la sosire,fara ca soferul sa intervina asupra pedalei de frana sau acceleratie.
–Lane Departure Prevention (LDP),mentine banda de circulatie in cazul in care
soferuleste neatent sau adoarme la volan.
Nivel 2 – Sistemul de condus autonom poate sa preia controlul asupra directiei sau
acceleratiei,insa soferul trebuie sa monitorizeze in permanenta actiunea ,deoarece s ar
putea sa fie nevoie sa intervina in orice moment.
Nivel 3 – Sistemul de condus autonom poate sa preia controlul asupra directiei sau
acceleratiei,inclusive decelerare/frana).Insa spre deosebire de nivelul 2, sistemul este
capabil sa -si identifice limitele din timp si sa notifice soferul ca sa preia comanda
autovehiculului.
Nivel 4 -Soferul poate delega complet sarcina de condus aceasta fiind capabila sa
foloseasca singura sistemul de directie,acceleratia,frana si luminile de semnalizare la
schimbarea directiei sau a benzii.
Nivel 5 -Masina prei a complet comanda,in orice scenario soferul poate lipsi in totalitate
din vehicul,masina este complet autonoma ,volanul si pedalele pot lipsi .
La nivelul 3 senzorii individuali furnizeaza date care ulterior sunt combinate pentru a
produce un model de 360° al mediului din jurul automobilului.

Princip iile de functionare ale laserelor
Principiul de functionare se bazeaza pe doua tehnologii:un interferometru cu
laser pentru a masura distanta relative si encoder optice pentru determinarea azimutului
si a altitudinii unei olginzi ce dirijeaza fasciculul laser.Inst rumentele de utilizare ale
principiului interferometriei liniare reprezinta baza masuratorilor industrial,aceastea
functionand pe principiul interferentei luminii.

Principiile functionarii unui interfemetru Michelson

Într-un interferometru standard Michelson, o sursă coerentă de lumină
(laserul) este divizată în două fascicule. Un fascicul are rolul de referință, în timp ce al
doilea este reflectat de un obiectiv situat la o anumită distanță. Este apoi fuzionat cu
fasciculul referință, producând interferență. Frajele de interferență rezultate sunt
considerate ca fiind modificări în distanța de măsurare externă. Dacă drumul optic al
unuia dintre aceste două fascicul e parțiale, adică produsul dintre indicele de refracție și
drumul său geometric se modifică, atunci se produce o diferență de fază față
de fasciculul neperturbat. Aceasta conduce la o modificare a figurii de interferență, care
ne permite să măsurăm fie var iația drumului geometric, fie indicele de refracție, atunci
când una dintre cele două mărimi rămâne constantă. Astfel, dacă indicele de refracție al
mediului parcurs de fasciculul perturbat nu se modifică, atunci se poate măsura variația
drumului său geome tric. Deoarece lungimea de undă a laserului este cunoscută și
foarte stabilă, distanța poate fi calculată din numărul de franje. Aceste dispozitive sunt
limitate la măsurarea liniară. Un Laser Tracker poate depăși această limitare folosind
oglinzile retror eflectoare de fascicule pentru a dirija fasciculul laser într-o gamă largă de
direcții. Sarcina esențială a fasciculului este de a urmări mișcarea obiectivului
retroreflector, operație ce este realizată prin intermediul unei bucle de
retroacțiune. Când raz a laser atinge excentric obiectivul retroreflector, aceasta este
reflectată înapoi paralel cu fasciculul incident, dar deviată. Un senzor în două
dimensiuni măsoară deviația, permițând instrumentului să regleze fascicul pentru a
aduce raza în starea coaxială dorită.

Pentru achizitionarea si procesarea in timp real a informatiilor despre mediu si
luarea deciziilor sigure la manevre similare cu cele ale om ului ,in functie de informatiile
din mediu,este nevoie de software intelligent ,un super computer, senzorii de inalta
performanta ( senzori cu radar,senzori cu ultrasunete,senzori cu laser),camera si GPS.
Senzorii cu laser (LIDAR) masoara cu precizie distant ele din mediul inconjurator al
autovehicu lului pana la alte obiecte determinand viteza si dimensiunea, astfel generand
automobilul ui o imagine cu zona libera de obstacole si care poate fi traversata.
“Centrul de date” este locul pentru procesarea tuturor informațiilo r primate, unde
strategia de conducere este calculata pe baza informatiilor colectate si a modului in
care automobilul trebuie sa raspunda la situatia din trafic si sa implementeze acțiunile
de condus dinamic necesare prin utilizarea franelor,directiei .si a acceleratiei.
Inteligența artificiala are scopul de a folosi resurse software .Senzorii din bordul
automobilu lui au un rol essential in a culege date din lumea reala ,inconjuratoare
autovehiculului pentru a facilita un ciclu de dezvoltare bazat pe date. Aceste date
trebuie prelucrate dupa ce au fost colectate ,si trerbuie puse la dispozitia sistemului de
inteligenta artificiala.

Inteligen ta artificiala include :
Date

Coordonare globală

Stocare centralizată a datelor

Utilizare pe termen lung a datelor
Hardware

Infrastructură de cal cul de înaltă performanță pentru antrenament

Platformă puternică de calcul în automobile

Conexiune backend pentru actualizări și feedback
Protecție

Generalizare pentru s ituații complet noi

Tratarea unor situații periculoase rare

Furnizarea datelor de catre hardware
Comunicația calculatorului de comandă cu unitatea țintă, target 1 sau 2 are loc
printr -un router wireless de tipul D -Link DWL. Acesta monitorizează activitatea
senzorilor și traiectoria parcursă, respectiv primește date de la algor itmii de
cartografiere pentru vizualizarea hărții în care se deplasează vehiculul autonom. Pe
calculatorul host rulează Microsoft Windows 7 cu un software realizat în Matlab și o
interfață grafică pentru ușurarea manipulării de către utilizator.
Modulul d e transformare a datelor în coordonate globale „World coordinates”
Acest modul realizează transformarea coordonatelor achiziționate de la senzorul laser
din referința locală în sistemul de coordonate global. Punctul de referință al sistemului
de coordonate este reprezentat de axa din spate a vehiculului autonom. Se face
diferențierea între un sistem de coordonate al senzorului, sistemul de referința propriu
vehiculului OL și sistemul de referință global OG.

Algoritmii sunt rulați utilizând un procesor de calcul la 3,3 GHz pentru partea
simulată utilizând un sistem de operare Windows 7. Transferul software este realizat
prin compilarea programului realizat cu ajutorul funcțiilor Embedded către un PC target
montat pe VIA. Comunicația este una wireless standard 802.11 și 2,4 G Hz. Iar ținta este
un sistem PC 104 embedded industrial având posibilitatea rulării aplicațiilor în timp real
datorită sistemului de operare xPC din pachetul so ftware de la MATLAB.
Schimbul de date p ermite vizualizarea rezultatelor într -o interfață grafică în care
sunt afișate datele senzorilor sub formă punctiformă și datele odometrice ale sistemului
privind poziția în direcțiile x și y, cât și a vitezei de deplasare și a distanței parcurse.
Harta vi rtuală este generată în timp real prin unitatea de procesare a algoritmilor care
reprezintă totodată și unitatea de comandă și control a VIA, iar datele sunt trimise către
calculatorul de m onitorizare.
Senzorul de masurare cu laser ( LIDAR ) receptioneaza si emite raze laser si nu
unde electromagnetice.Acesti senzori se rotesc foarte repede aruncand raze in toate
directiile ,iar pe baza acestora se obtin imagini virtuale ale zonei ,foarte detaliata cu
toate obiectele din jur ,insa fata sa perceapa culorile si care mai apoi masoara timpul cu
care masina se apropie de acele obstacole.

Importanta senzorilor asupra s isteme lor de asistenta

Senzorii au importanta deosebita in a ajuta soferul sa perceapa cu usurinta
pericolele la care este expus si astfel exista sistem ul de mentinere a masinii pe
carosabil in momentul in care acesta nu este ate nt la drum sau a adormit la
volan,sistemul bazat pe senzori masoara banda de rulare si mentine masina pe drum
,printr o usoara virare a volanului cat sa mentina masina in situatii favorabile si totodata
avertizeaza soferul cum privire la pericolul la care a fost expus prin semnale acustice.
O alta dotare este aceea cand exista un autovehicul in punctul mort si vrei sa
virezi in directia autovehicului ,insa autovehiculul nu iti permite acest lucru ,datorita
senzorilor ,care recunosc autom obilul si stopeaza actiunea soferului,avertizandu -l prin
semnale care se aprind pe oglinda . Toate acestea sunt datorita senzorilor montati pe
partea din lateral a masinii ,care recunosc obiectivele din lateralul masinii.
Senzorii ajuta si la franare ,astfel acestia monitorizeaza permanent viteza si
distanta pana la obstacole,moment in care poate pregati sistemul de fr anare intelligent
autonom pentru a opri masina.Totodata are inclusa si o functie prin care recunoaste
pietonii si semnele de circulatie.Este echipat cu camera frontal cu care monitorizeaza
permanent drumul ,iar la mersul cu spatele este capabil sa opreasca de urgenta in
cazul in care soferul face miscari bruste sau imprudente.Este capabil de multe ori sa
fereasca incidentele sau in caz contrat sa amelioreze incidental.

Avantajele pe care le aduce ac est sistem sunt reducerea numarului de accidente
, traficul mult mai fluid, poliția rutieră nu va mai fi necesară deoarece sistemele
automate nu încalcă legea, vor exista avantaje si la asiguratori deoarece nr de
accidente va fi redus datorita masinilor au tonome,vitezele de rulare vor fi mai
mari.Autovehiculul autonom fiind mai efficient va reusi sa ne economiseasca mult timp
,chiar putand seta autovehiculul sa transporte si in lipsa dvs.