Сенсоры беспилотников: как роботы ориентируются в пространстве. Робототехник Салимжан Гафуров о видах и задачах сенсоров для беспилотных роботов

Какие сенсоры используются в беспилотных автомобилях? Зачем нужны умные сенсоры? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП)) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Беспилотник использует сенсоры для определения параметров движения, распознавания окружающего пространства и взаимодействия с ним. К примеру, с помощью сенсоров беспилотник узнает свою скорость, координаты и расстояние до объектов. При этом беспилотнику доступна априорная информация — математическая модель его движения и карты местности высокого разрешения.

Сенсоры обеспечивают обратную связь для систем беспилотного автомобиля. Например, когда мы прикасаемся к горячему чайнику, нервные окончания пальцев сообщают об этом мозгу — человеческой системе управления. Обратная связь заставляет нас отдернуть руку, а беспилотник — взаимодействовать с окружающим пространством с минимальными ошибками. Если у беспилотника не было бы сенсоров, то, как и человек без органов чувств, он лишился бы обратной связи и не понимал бы, как он движется и работает в пространстве.

Виды сенсоров

Сенсоры разделяют на два вида в зависимости от измеряемых данных. Внутренние сенсоры диагностируют состояние беспилотника и информируют о его динамических параметрах: скорости, положении и ориентации. Внешние сенсоры определяют положение препятствий и параметры движения объектов, отвечают за коммуникацию с другими автомобилями и элементами инфраструктуры.

К внутренним сенсорам относится, например, инерциальная система навигации. Она позволяет определять ускорение объекта и его угловые скорости с помощью установленных на нем акселерометра, гироскопа и компаса. По данным этих приборов определяется местоположение, ориентация и скорость рассматриваемого объекта.

К внешним сенсорам относятся лидары, радары, камеры и глобальная навигационная спутниковая система. Лидар сканирует пространство лазерными лучами и создает облако точек, которое описывает для беспилотника внешнюю обстановку. Радар сканирует пространство электромагнитными волнами. Он определяет разницу фаз исходящих и входящих излучений. С помощью радара и лидара беспилотник узнает свое положение в пространстве, расстояние до объектов и скорость.

У лидаров высокая точность и скорость работы. Они дают мало помех, но дорого стоят и требуют достаточно хороших вычислительных возможностей на борту. Лидары ненадежно работают в сложных метеорологических условиях, поэтому для обеспечения безопасности при взаимодействии с окружающим пространством беспилотники используют радары или камеры.

Выбор сенсора зависит от скорости, на которой движется автомобиль, вида архитектуры бортового компьютера и решаемой задачи. Например, лидары избыточны при езде по трассе, когда бортовой компьютер решает простую задачу движения по линии. Лидары в основном используют при маневрировании во дворе.

Задачи сенсоров

Одна из задач, которую решают сенсоры, — навигация в тоннеле. Когда беспилотник въезжает в тоннель, он теряет связь с глобальной навигационной спутниковой системой и начинает ориентироваться по другим сенсорам. Это не значит, что другие сенсоры вдруг включаются в тоннеле: они работают всегда. Это значит, что беспилотник выбирает тот сенсор, которому он может доверять в данной ситуации, когда потерян сигнал от другого сенсора. Условия доверия — доступность данных с датчика и качество сигнала — заложены в алгоритм решения задачи. Задачу навигации в тоннеле может решить, например, лидар или камера, если позволяет освещенность.

Другая прикладная задача — off-road навигация, то есть навигация в условиях бездорожья. Например, бывают чрезвычайные ситуации, когда дорогу, по которой движется беспилотник, размыло. Карт высокого разрешения для бездорожья и местности с грунтовыми дорогами нет. В таких условиях беспилотник, как правило, способен принимать сигнал со спутниковой системы, а локализация по лидару неэффективна, поэтому задача off-road навигации решается при поддержке аэроразведки маршрута движения. Возникает тандем беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и наземного беспилотника.

БПЛА предоставляет зону видимости и фактически становится глазами для беспилотного наземного робота. Автомобиль получает картинку с зонами, доступными для вождения. Комплекс аэроразведки включает в себя систему жизнеобеспечения БПЛА. Воздушный беспилотник должен работать в температуре от -40ºC до +60ºC. Система нагревает, охлаждает и заряжает БПЛА.

Железнодорожные и подводные беспилотники

Помимо автотранспорта и летающих беспилотных роботов можно выделить еще два класса беспилотников: железнодорожные и подводные. У них набор сенсоров похож на набор сенсоров беспилотного автотранспорта. На железнодорожных станциях человек взаимодействует с робототехникой, поэтому ошибочно считать, что беспилотная техника сокращает рабочие места. Опыт машинистов, накопленный годами, используется для адаптации робототехнических систем, для их плавного внедрения, повышения эффективности их работы и общей безопасности. Иногда системы автоматизированного управления эксплуатируют подвижной состав нещадно, потому что не учтен опыт ручного управления и взаимодействия машинистов с техникой. Человек лучше чувствует технику, знает, как с ней работать, как маневрировать по станции, как плавнее стартовать и выдать нужные обороты. Железнодорожные беспилотники решают задачи точного позиционирования и распознавания окружающих объектов, задачи коммуникации с элементами инфраструктуры. Железнодорожные беспилотники используют лидары, камеры, выделенные линии передачи данных (LTE), GNSS.

Перед подводной робототехникой стоят задачи обследования и контроля морской инфраструктуры на шельфах. Если обычные исследовательские корабли выборочно собирают данные, то роботы мониторят окружающую среду в режиме 24/7. Набор сенсорики под водой ограничен. Для определения движения беспилотник полагается только на ИНС. Подводные роботы обследуют морское дно и окружающее пространство с помощью гидролокаторов, принцип работы которых похож на лидары и радары. Под водой никакой спутниковой связи нет, поэтому, чтобы коммуницировать с людьми и другими беспилотниками, роботы используют гидроакустическую связь. У такой связи большие ограничения по дальности работы, поэтому для коммуникации роботы обычно всплывают на поверхность воды.

Проблема сенсоров

Главная проблема сенсоров — шумы. Она возникает при плохих погодных условиях, загрязнении окружающей среды или внешних воздействиях. Проблема не решается на аппаратном уровне, поэтому в алгоритмах обработки данных от сенсоров используют фильтр Калмана — математический алгоритм, учитывающий измерения с различных типов датчиков, математическую модель движения и шумы. Сначала идет стадия прогнозирования: рассчитывается прогноз о положении и ориентации транспортного средства. При этом алгоритм опирается только на математическую модель движения аппарата. Далее вступает в действие модель измерений, которая дает свое представление о положении и ориентации автомобиля. Последний этап — объединение данных прогноза и модели измерений и оценка действительных значений. Объединенные данные поступят беспилотному компьютеру, чтобы тот решил задачу навигации.

Перспективы разработки сенсоров

Разработка новых сенсоров повышает надежность беспилотника, которая складывается из надежности всех его компонент. Под надежностью понимают способность автомобиля выполнять заданные функции в заданных условиях. Функция беспилотника — навигация, как правило, в неопределенном пространстве, а заданные условия — это, например, температурный режим работы беспилотника, территория движения, рабочие нагрузки.

Робототехника восприимчива к появлению новых надежных сенсоров. Они оптимизируют и расширяют текущие возможности беспилотников. Чем более надежен сенсор, тем меньше нужно средств диагностики движения. Это напрямую влияет на энергопотребление автомобиля. Связь с инфраструктурой и другими автомобилями также может рассматриваться как своего рода датчик. Наличие такого датчика позволяет обмениваться информацией между многими участниками дорожного движения, предупреждать о дорожных ситуациях и их изменении, а также снабжать беспилотник информацией о профиле и состоянии дороги.

В разработке сенсоров наблюдается тенденция — появление умных сенсоров. Такие датчики предобрабатывают измеряемые данные и диагностируют свое состояние, а также обладают меньшим шумом измерений. Разрабатываемые технологии умных сенсоров стремятся к одному — упростить алгоритмы навигации беспилотника.