Tehisintellekti Algkursus 2019/20 kevad

Sensorid on isejuhtiva auto silmad ja kõrvad. Erinevatel sensoritel on erinevad tugevused ja nõrkused ning neid kasutatakse erinevatel eesmärkidel. Seetõttu enne tarkvaramoodulite juurde minekut teeme nendega lähemalt tutvust.

Lidar

Lidar (Light Detection and Ranging) on isejuhtivate autode juures enim levinud sensor, mida kasutatakse nii auto positsioneerimisel (asukoha määramisel) kui takistuste tuvastamisel. Lidar saadab välja laserkiire ja mõõdab selle tagasipeegeldumise aega (vt joonis 3). Jagades tagasipeegeldumise aja valguse kiirusega ning võttes pool sellest saamegi takistuse kauguse. Lidari täpsus kauguse hindamisel on suurusjärgus 2-3 cm.

Joonis 3: Pöörleva lidari tööpõhimõte. Üleval: pöörlev peegel võimaldab laserkiirt suunata erinevates suundades. Keskel: ruum, milles lidar asub. All: iga lidari mõõtmistulemus on esitatud punktina. Ümmarguselt objektilt tagasi peegeldunud punktid on lähemal kui seintelt. (Allikas)

Isejuhtivate autode puhul kasutatakse tavaliselt pöörlevat lidarit, millel on 16, 32, 64 või 128 laserkiirt. Peeglite abiga pannakse need kiired keerlema 360 kraadi ümber auto kiirusega 10-20 ringi sekundis. Lisaks pöörlevatele on olemas ka tahkismälu lidarid (solid-state lidar), mis ei sisalda mehaanilisi komponente ja näevad ainult kindlas suunas. Kui pöörlevat lidarit kasutatakse auto katusel, siis tahkismälu lidareid auto külgedel ja otsesuunas.

Lidari skaneerimise tulemust esitatakse tavaliselt punktipilvena, kus iga kiire tagasipeegeldumise kohta esitatakse punktina (vt joonis 4). Lisaks punkti kaugusele tagastab lidar ka peegelduse tugevuse, tugevama peegelduse annavad näiteks liiklusmärgid ja autonumbrid. Piisava punktitiheduse korral annab lidari punktipilv üsna hea ettekujutuse auto ümber asuvatest takistustest.

Joonis 4: Lidari punktipilv. Rõngad tähistavad erinevale kõrgusele sihitud laserkiiri. Värvid tähistavad peegelduse tugevust, nt liiklusmärgid on suurema peegelduvusega (sinised).

Lidarit kasutatakse:

• Punktipilvekaardi koostamiseks sõiduala kohta.
• Auto asukoha määramiseks punktipilvekaardi suhtes.
• Takistuste tuvastamiseks.

Lidari eelised: Väga täpne (±3 cm) Suur ulatus (kuni 200 m) 360-kraadi nähtavus

Lidari puudused: Kallis hind Vihma või lume korral probleemne

Radar

Radar (radio detection and ranging) on oma tööpõhimõttelt sarnane lidarile, aga töötab raadiolainete baasil. Samamoodi saadetakse välja raadiolained ja mõõdetakse nende tagasipeegeldumise aega (vt joonis 5). Radari täpsus on aga oluliselt madalam kui lidaril, samas näeb see läbi objektide, mis on väiksemad kui tema lainepikkus, näiteks vihmapiisad ja lumehelbed. Radari unikaalseks omaduseks on, et lisaks objekti kaugusele võimaldab see hinnata ka objekti liikumise suunda ja kiirust - tänu Doppleri efektile raadiolaine sagedus väheneb objekti eemaldumisel ning kasvab objekti lähenemisel. See võimaldab küll mõõta liikumise suunda ja kiirust ainult radari suunas, mitte küljesuunas.

Joonis 5: Radari tööpõhimõte. Radar mõõdab väljasaadetud raadiosignaali tagasipeegeldumise aega ja hindab selle põhjal objekti kaugust. (Allikas)

Autodes kasutatavad radarid teevad enamasti toorandmete eeltöötluse juba ära ja väljastavad tuvastatud objektid (vt joonis 6). Radarile annavad kõige tugevama signaali vett sisaldavad objektid (inimesed, loomad jne) ja metallist objektid (autod, teepiirded jne), mis langeb üsna hästi kokku nende objektidega, mida me tuvastada tahame.

Joonis 6: Radari poolt tuvastatud objektid (rohelised risttahukad). Parema arusaadavuse on kuvatud ka lidari skaneerimise tulemus. Otse auto ees on inimene, küljel on näha veoauto ja kaugemal ees on metallpostidega aed. Nagu näha on radari tulemus raskemini loetav.

Radarit kasutatakse:

• Takistuste tuvastamiseks kindlal suunal, nt eessõitev auto või küljelt mööduv auto.
• Objektide kiiruse hindamiseks, nt pikivahe hoidmisel eessõitva autoga.

Radari eelised: Suhteliselt odav Suur ulatus (kuni 150 m) Võimaldab hinnata kiirust ja suunda Vihm ja lumi ei häiri

Radari puudused: Piiratud täpsus

Kaamera

Kaamera on üks levinumaid isejuhtivate autode juures kasutatavaid sensoreid, sest see on odav ja suure detailsusega. Kaamera põhiline probleem on see, et tulemus on esitatud kahemõõtmelise pildina ja sellel puudub kauguse mõõde. Isejuhtival autol on tarvis teada, kui kaugel mingi takistus temast on, et õigeaegselt peatuda. Kahest kaamerast koosnev stereokaamera võimaldab hinnata ka objektide kaugust, aga need hinnangud muutuvad ebatäpsemaks kauguse suurenedes. Alternatiivina tavalisele kaamerale on võimalik kasutada termokaamerat, mis teeb lihtsamaks inimeste ja autode tuvastamise, kuna need kiirgavad reeglina soojust (vt joonis 7).

Joonis 7: Tavalise kaamera ja termokaamera võrdlus. Sinine kast parempoolsel joonisel vastab termokaamera pildilt tuvastatud inimesele. (Allikas)

Kaamerat kasutatakse:

• Objektide tuvastamiseks, nt autod, jalakäijad, jalgratturid jt.
• Liiklusmärkide ja valgusfoori tulede tuvastamiseks.
• Sõiduraja tuvastamiseks.
• Auto edasiliikumise hindamiseks, vajalik näiteks auto asukoha määramisel.

Kaamera eelised: Odav Suur detailsus

Kaamera puudused: Ei suuda hinnata kaugust Probleemne halva ilmaga ja pimedas Pilditöötlus on arvutuslikult kallis

Globaalne satelliitnavigatsioonisüsteem

Globaalne satelliitnavigatsioonisüsteem (GNSS, Global Navigation Satellite System) kasutab ümber Maa tiirlevaid satelliite auto positsioneerimiseks nende suhtes. Lihtsustatult on selle põhimõte järgmine: iga satelliit saadab regulaarselt välja signaali, milles on kirjas satelliidi asukoht ja väljasaatmise aeg; vastuvõtjal on samasugune täpne kell, mis võimaldab võrrelda signaali kohalejõudmise ning väljasaatmise aega ja arvutada selle pealt välja kauguse igast nähtavast satelliidist; kombineerides kaugused vähemalt neljast satelliidist on võimalik määrata oma asukoht ruumis (vt joonis 8). Praktikas on skeem muidugi palju keerulisem, kuna tuleb arvestada atmosfääri tingimustega, peegeldustega majadelt jne.

Joonis 8: Satelliitpositsioneerimise tööpõhimõte. Nii satelliidid kui positsioneerimisseade omavad väga täpset kella, mis võimaldab mõõta signaali levimise aega satelliidilt seadmeni ning hinnata selle põhjal seadme kaugust igast satelliidist. Vähemalt nelja satelliidi olemasolul on võimalik määrata seadme asukoht ruumis. (Allikas)

Tänapäevased satelliitpositsioneerimise seadmed kombineerivad mitmeid erinevaid satelliidisüsteeme, nt ameeriklaste GPS, eurooplaste Galileo, hiinlaste BeiDou ja venelaste GLONASS. Samuti on kasutusel mitmesugused korrektsioonimeetodid, nt RTK (Real Time Kinematic), mis positsioneerib auto teadaoleva asukohaga baasjaamade suhtes. Kokkuvõttes võimaldab moodne isejuhtiva auto satelliitnavigatsioonisüsteem positsioneerida autot 5 cm täpsusega. Võrdluseks - keskmine mobiiltelefon suudab seda teha umbes 3 m täpsusega. Eelnev kehtib muidugi avatud ala kohta, metsas või suurte majade vahel on täpsus väiksem ja sõites tunnelis puudub satelliitsignaal täiesti.

Joonis 9: RTK põhimõtteline skeem - referentsjaama ja liikuvjaama satelliidisignaalide põhjal arvutatakse liikuvjaama suhteline asukoht referentsjaama suhtes. (Allikas)

Satelliitnavigatsioonisüsteemi kasutatakse:

• Auto asukoha määramiseks kaardil.
• Punktipilvekaardi joondamiseks tavakaardiga.
• Lidaripõhise positsioneerimise algväärtustamiseks.

GNSS eelised: Positsioneerimine globaalses koordinaadistikus Suhteliselt odav

GNSS puudused: Ei tööta piiratud nähtavusega aladel, nt metsas, majade vahel, tunnelis Vajab tasulist RTK lisateenust sentimeeter-täpsuse jaoks

Inertsiaalandur

Inertsiaalandur (IMU, Inertial Measurement Unit) sisaldab endas kiirendusandurit (vt joonis 10) ja güroskoopi (vt joonis 11). Inertsiaalandur väljastab auto joonkiirenduse ja pöörlemiskiirenduse kolme erineva telje suhtes. Nende abil on võimalik hinnata palju auto edasi liikus ja keeras. Sellisel viisil on võimalik ajutiselt määrata auto asukohta kui satelliitsignaal pole saadaval, nt tunnelis. Väga pikalt inertsiaalandurile toetuda siiski ei saa, kuna selle pisivead akumuleeruvad.

Joonis 10: Kiirendusanduri tööpõhimõte. Seda võib ette kujutada kui kuuli, mis asub kuubiku sees. Liikumisel mingis suunas surub pall kuubiku seinale ning muudab selle elektrilist takistust. Kuubiku kuue seina elektrilised takistused määravad, mis suunas ja millise kiirendusega objekt liikus. (Allikas)

Joonis 11: Güroskoobi tööpõhimõte. Kiirelt pöörleva rootori telg säilitab mitmeastmelise kardaanliigendi abil oma asendi kõigi ruumi kolme telje suhtes. Kardaanliigendite nurka mõõtes on võimalik määrata palju objekt pöördus iga telje suhtes. Praktikas kasutatakse selle asemel kompaktseid piesoelektrilisi güroskoope, millel puuduvad pöörlevad osad. (Allikas)

Inertsiaalandurit kasutatakse:

• Auto positsioneerimiseks eelmise asukoha suhtes kui satelliitsignaal pole kättesaadav.

IMU eelised: Ei vaja välist signaali Suhteliselt odav

IMU puudused: Ainult suhteline positsioneerimine eelmise asukoha suhtes Akumuleeruvad vead

Kokkuvõte

Nagu eelnevalt nägime, on erinevatel anduritel erinevad tugevused ja nõrkused. Seetõttu ei piisa ainult ühte tüüpi anduritest isejuhtiva auto jaoks, neid on vaja mitmeid. Joonis 12 võtab kokku erinevate andurite eelised ja puudused.

Joonis 12: Erinevate andurite eelised ja puudused. (Allikas)

Näited

Joonis 13: Waymo andurite paigutus. (Allikas)

Waymo andurikomplekt (vt joonis 13) koosneb järgnevatest osadest:

• 360-kraadi vaateväljaga lidar katusel, võimeline tuvastama kuni 300 m kaugusel olevaid objekte,
• 8 kaamerat katusel, kombineeritud 360-kraadise vaateväljaga, võimelised tuvastama jalakäijaid ja liiklusmärke kuni 500 m kauguselt,
• 4 lühimaa lidarit suunaga ette, külgedele ja taha,
• lühimaa lidaritega kombineeritud 4 kaamerat,
• ettepoole suunatud stereokaamera,
• ettepoole suunatud kaugradar,
• neli radarit ees ja taga külgedel, et tuvastada objekte pöörangutel ja reavahetustel.

Waymo andurikomplekt on mitmekülgne ja kallis, nagu on omane 4. taseme autonoomsust sihtivatele firmadele.

Joonis 14:: Tesla sensorite komplekt. (Allikas)

Vastandina Waymole ei kasuta Tesla lidarit, vaid toetub eelkõige kaameratele ja radaritele (vt joonis 14):

• 3 ettepoole suunatud kaamerat:
  • põhikaamera, mis näeb kuni 150 m kaugusele,
  • kitsasnurk kaamera, mis näeb kuni 250 m kaugusele, kasutusel maantesõidul,
  • lainurk kaamera, mis näeb kuni 60 m kaugusele, kasutusel fooritulede ja takistuste tuvastamiseks linnas,
• 2 kaamerat, mis vaatavad ette küljele, vajalikud pöörete tegemiseks ristmikel,
• 2 kaamerat, mis vaatavad taha küljele, vajalikud ümberreastumisel,
• tahavaatekaamera, kasutusel automaatparkimisel,
• ettepoole suunatud radar, kasutusel ees sõitvate autode ja nende kiiruse tuvastamiseks,
• ultraheliandurid parkimiseks.

Tesla andurikomplekt koosneb põhiliselt kaameratest, mis muudab selle oluliselt odavamaks. Selline andurikomplekt on tavapärane autotootjate puhul, kes soovivad pakkuda 2. taseme autonoomsust hoides samal ajal kulud kontrolli all.

Boonus materjal

• Vaata kuidas Waymo näeb maailma. (3:36 min)
  
• Vaata kuidas Tesla näeb maailma. (2:08 min)

Materjalide kasutamise kohta konsulteerige palun Korduma kippuvad küsimused sektsioonis.