Если вы жили на Земле в этом году, вы, вероятно, слышали, как кто-то упоминал беспилотные автомобили. Если бы вы были настроены, вы, возможно, слышали цену в 70 000 долларов всего за один из первых лидаров, используемых в беспилотных автомобилях Google. Устройства немного выходят за рамки типичной цены для семейного автомобиля, не говоря уже о проекте любителя.
Лидар - это одновременно аббревиатура от «Обнаружение света и определение дальности» и сочетание слов «световой радар». Его название довольно информативно: устройство отражает лазерный свет от объектов и воспринимает возврат этого света, чтобы измерить расстояние до указанного объекта. Это ключ к обнаружению объектов в беспилотном автомобиле.
Но забудьте на минутку о машинах. А как насчет гольф-каров?
Алекс Родригес, Майкл Скупаен и Брэндон Моак построили беспилотный гольф-кар в рамках программы разработки мехатроники в Университете Ватерлоо в Онтарио, Канада. Датчиком, который сделал это возможным, стал новый лидар стоимостью 8 000 долларов от Velodyne под названием VLP-16, ласково известный как Puck. После гранта в 35 000 долларов Родригес, Скупаен и Моак покинули Ватерлоо, чтобы переехать в Калифорнию и посещать YCombinator. Они основали компанию Varden Labs, которая только что завершила сбор средств, и провели пилотные демонстрации автоматических шаттлов, включая доставку VIP-персон на игру Sacramento Kings.
Это не значит, что лидар упрощает автоматическое вождение, но если вы сможете решить некоторые проблемы, рассуждает Родригес, вы сможете значительно облегчить решение этой проблемы.«Мы намеренно решили ограничить проблему», - говорит он. «Мы сказали, что создать полностью беспилотный автомобиль, который сможет работать в любых условиях, в любом месте и в любое время, действительно сложно. Но сделать что-то полезное для перевозки людей не должно быть так уж сложно. Поэтому мы специально нацелены на трансфер в частных кампусах». Это означает, что они могут замедлить его, поместить в контролируемую среду, например, в университет или пенсионный фонд, и оставить его в частной собственности, чтобы сократить количество правил, с которыми им приходится иметь дело.
Меняющийся ландшафт
Varden Labs - лишь одна из многих групп, занимающихся беспилотными тележками для гольфа в качестве транспортных средств для людей, и есть еще много работ в других сегментах лидарного компьютерного зрения и контроля. И не все нацелены на большие и дорогие автомобили; технология быстро становится более доступной для производителей, которые, в свою очередь, делают ее дешевле и доступнее для масс.
Так что забудьте о беспилотных гольф-карах. Уменьшите проблему еще больше. А как насчет газонокосилок?
«Мы пытаемся сделать ее лучше, чем обычная газонокосилка», - говорит Александр Грау, один из пяти участников проекта Ardumower, автоматизированного резака своими руками на базе Arduino.
“Если вам нужно среднее качество или средние характеристики, то вы можете просто купить обычную газонокосилку, коммерческую газонокосилку. Если вы хотите чего-то особенного, вам придется построить себе газонокосилку.»
По сути, это Roomba для вашего газона, верно?
Если бы всё было так просто. У Roombas и других роботов-пылесосов (некоторые из которых используют лидар) есть несколько преимуществ: они (в основном) не работают под прямыми солнечными лучами; им никогда не придется идти вверх или вниз по склону; и их окружение не сильно меняется. Вынесите его наружу, приложите к нему лезвие, и вам придется бороться со многими другими мешающими факторами.
«Если у вас ровная площадка, например, просто комната, в помещении это работает хорошо», - говорит Грау.«Но на открытом воздухе это слишком сложно, потому что земля не ровная. Поэтому иногда вы получаете данные, сигнал с земли, и программа обработки считает, что это препятствие, но это всего лишь земля».
Грау бы знал. Он ученый-компьютерщик, который в настоящее время решает все эти и многие другие проблемы в поисках Ардумомауэра. «Вы можете купить автоматизированную газонокосилку, - отмечает Грау, - но для того, чтобы оставаться в пределах границ, ей нужен трос, натянутый по периметру». Лидар показался лучшим вариантом.
В принципе, лидар - это не очень сложно. Но его базовый элемент дает вам только одну точку данных: вы знаете, что что-то находится на определенном расстоянии, но не знаете, насколько оно широко или высоко, движется ли оно, как оно ориентировано или вообще что-то еще. Человек выглядит так же, как стена выглядит так же, как стул, если стул достаточно высок, чтобы в него попал лазер. Чтобы лидар был полезен, вам необходимо провести множество измерений за определенный период времени. И есть несколько способов сделать это.
Захват маршрутов
Мультилазерный лидар, подобный устройствам Velodyne, может быстро получить трехмерную модель местности, если ее установить в статическое положение. Чем совершеннее устройство, тем больше в нем лазеров, которые, в свою очередь, собирают более высокую плотность данных, что позволяет получать довольно подробные трехмерные изображения их местоположения.
Однако, как только вы начинаете перемещать лидар, данные, которые он собирает, начинают перекрываться, что делает записи невозможными для анализа. Сложные системы преодолевают эту проблему, добавляя позиционную информацию, такую как GPS. Некоторые картографические машины крупных технологических компаний сочетают GPS с лидарными устройствами, чтобы отслеживать точную точку, где фиксируются каждый момент лидарных данных, «рисуя» свой маршрут с помощью лазеров. В сочетании с данными о местоположении это можно использовать для создания почти бесконечного трехмерного облака точек, ценного для различных приложений, таких как предоставление подробной информации об улицах беспилотным автомобилям.
Проще всего закрепить устройство на вращающемся устройстве и позволить ему вращаться, получая изображение на 360° каждый раз, когда оно вращается. Грау купил одноточечный датчик Lidar-Lite за 115 долларов у PulsedLight, установил его на платформу, напечатанную на 3D-принтере, и прикрепил двигатель постоянного тока. Используя открытый код hector_slam (одновременное определение местоположения и картографирование) операционной системы робототехники (ROS), Грау смог получить визуальные карты данных лидара и заставить газонокосилку интерпретировать их.
Но в конечном итоге установка передавала Ardumower слишком много данных, по крайней мере, слишком много для обработки с помощью Arduino, особенно когда Грау экспериментировал с 3D, пытаясь устранить помехи сигнала из-за топографии. Этого могла бы достичь более дорогая установка с еще большими потребностями в обработке. (Для сравнения: гольф-кар Родригеса с двигателем Velodyne требует вычислительной мощности настольного компьютера.)
Более подробные данные
Проект Грау похож на аппарат под названием Sweep, небольшой вращающийся блок лидарного сканирования, который также использует Lidar-Lite. Sweep, разработанный компанией Scanse, состоящей из двух человек, только что завершил успешную кампанию на Kickstarter за 273 000 долларов.
Соучредители Scanse Кент Уильямс и Тайсон Мессори выжидали в качестве консультантов по робототехнике, когда решили, что им следует начать производство лидара. «Мы обнаружили, что вы практически не сможете добиться какой-либо действительно эффективной автономности снаружи, если не используете лидар», - говорит Уильямс. «Существующая стоимость датчиков делала это практически невозможным». Они потратили два года на разработку Sweep, прежде чем запустить Kickstarter, и теперь начали производство благодаря как Kickstarter, так и венчурному финансированию на сумму 250 000 долларов от акселератора River Rothenberg Ventures.
Устройство размером с банку тунца, похожее на маленькую голову с косыми глазами, доступно по предварительному заказу за 255 долларов США (примерно в 30 раз дешевле, чем самое дешевое устройство Velodyne), также работает на ROS и может собирать данные до На расстоянии 40 метров и прекрасно помещается на дроне или роботе. В установке Лидар-Лайт используется серия микроимпульсов лазерного света; приемник распознает эти импульсы, а это означает, что сигнал легче выделить из окружающего шума, что требует меньше вычислительной мощности и дает более четкое изображение. Датчик установлен на бесщеточном двигателе, а Уильямс и Мессори также разработали «комплект сферического сканирования», который монтирует устройство на сервоприводе, ориентированном под углом 90° к бесщеточному двигателю, так что он может записывать данные в трех измерениях.
Грау тоже смог разработать версию своего датчика, обеспечивающую более полное трехмерное изображение, добавив еще один мотор. В обоих случаях результаты ограничены частотой кадров устройства; если вы вращаете его с частотой 10 Гц (максимальная скорость для устройства Scanse) и записываете 500 выборок в секунду (максимум для Lidar-Lite от PulsedLight), вы просто сокращаете это значение на любое количество оборотов в секунду по оси Y: Вы сможете увидеть полную картину только один раз, каждый раз, когда она кивает вверх и вниз или вращается по вертикали. Это означает, что, хотя устройство полезно для сканирования плоскости окружающей среды в режиме реального времени в 2D, для получения 3D-представления Sweep необходимо посидеть неподвижно около минуты.
Установлен на стол, Sweep тихо вращается, и на черном поле визуализатора ROS на ноутбуке Уильямса появляется набор белых точек. Это похоже на архитектурный чертеж комнаты, написанный в пиксельной графике, и вы можете видеть людей, визуализированных в виде линии точек, когда они движутся. 3D-версия больше похожа на игрушечную пин-арт, показывающую глобус из точек с узнаваемыми чертами - деревьями, столами, людьми.
Подобные данные, записанные устройством Velodyne, естественно, гораздо более подробны. В реальном времени появляется «облако точек»: цветные линии последовательно перемещаются по мере продвижения устройства в пространстве, а физические особенности выглядят как волны на этих линиях.
Velodyne справляется с этим как с Puck, так и с его более крупными устройствами, добавляя больше лазеров. Шайба имеет 16 штук, расположенных под углом вверх и вниз до 15°, что устраняет необходимость вращения устройства по двум осям. Объедините это со скоростью вращения до 20 Гц и лазерами, срабатывающими каждые 55,296 микросекунд, и вы получите 300 000 очков в секунду.
Технология созревания
Есть и другие способы измерения окружающей среды с помощью лидара. В начале 80-х годов в Париже, Франция, Омар-Пьер Субра основал компанию Mensi, основанную на лазерной триангуляции. Цель заключалась в том, чтобы предложить подробную 3D-модель внутренней части атомной электростанции до ее вывода из эксплуатации. Для этого Менси спроектировал металлическую трубку длиной один метр с вращающимся зеркалом на одном конце и приемником на другом. Лазер, посланный через зеркало, отразится от внутренней части пространства, и вы можете использовать тригонометрию, чтобы найти точку данных. По мере развития технологии, включающей измерение времени полета на основе отправки идентифицируемых пакетов света, а не постоянного потока, она смогла достичь чрезвычайно высокого разрешения, захватывая миллион точек в секунду и записывая терабайты информации. Trimble, международная компания, предоставляющая услуги определения местоположения, приобрела Mensi в 2003 году.
Velodyne - это компания с корнями производителей. Основатель Дэвид Холл - ветеран BattleBots, разработал свой лидар, который сейчас используется Google и многими другими компаниями, работающими над автономными транспортными средствами, для своего участия в DARPA Grand Challenge. Но устройства Trimble и Velodyne разрабатывались без учёта производителей: «Мы не хотели бы создавать впечатление, что наш продукт работает по принципу «подключи и работай», - сказал мне представитель Velodyne. Trimble, отмечает Субра, купила Mensi, потому что эта технология полезна для некоторых основных промышленных предприятий Trimble, таких как горнодобывающая промышленность, строительство, гражданское строительство и т. д.
Однако вариантов применения недорогого однолазерного устройства по-прежнему множество. Поместите его на лодку или инвалидную коляску для помощи. Поместите его в неподвижное положение в комнате, и он может действовать как устройство безопасности, или как интеллектуальный выключатель света, или сообщать, насколько занята комната, распознавая движение.«Всевозможные задачи по 3D-обнаружению, с которыми у вас действительно возникнут большие проблемы при использовании камеры, внезапно стали очень и очень простыми с помощью лидара», - говорит Родригес. Грау намерен объединить свой сканер с другими датчиками - например, с автоматическим радиопеленгатором - для более надежной газонокосилки.
Субра говорит, что лидар также полезен в качестве сканера в сочетании с 3D-печатью: «Это один из тех секторов, которые начали следовать тому, что я называю последствиями 3D-печати», - говорит он. «Одна из проблем 3D-печати заключается в том, что вы играете с ней и быстро устаете загружать объекты, созданные другими, иногда вам хочется иметь копию чего-то, что у вас есть. И вы хотите воспроизвести это в модели 3D-печати, возможно, уменьшить ее или увеличить, или что-то еще. Вот тогда 3D-сканирование становится частью цепочки инструментов, позволяющей делать что-то самостоятельно».
Лидар все еще развивается, несмотря на такие проблемы, как скорость и разрешение.«По сравнению с большинством других датчиков этого ценового диапазона, таких как гидролокаторы и инфракрасные дальномеры, он предоставляет гораздо больше данных», - говорит Мессори. Наряду с этими улучшениями появятся дополнительные возможности использования лидара, адаптированного к ним. «Это первое устройство действительно предназначено для разработчиков», - говорит Мессори. «Мы определенно намерены улучшить его для конкретных приложений или настроить для конкретных приложений». Это может быть добавление акселерометров или гироскопов, чтобы устройство лучше работало на дронах, повышение его долговечности или добавление возможности подключения к телефонам, и Мессори и Уильямс ожидают, что в конечном итоге построят робота вокруг своего устройства.
Лидар только выходит на рынок DIY. Стоимость продолжает падать, а более совершенные лазеры и процессоры позволят повысить разрешение, что позволит использовать все больше приложений.
«Технология начинает специализироваться на разных областях», - говорит Субра. «Теперь это достаточно хорошо известно, что его можно настроить для конкретных приложений. Вот как вы узнаете, когда технология созрела».