آشنایی با لایدار (LiDAR) در خودرو
فناوری لایدار (LiDAR) یکی از مهمترین فناوریهای نوین در زمینه خودروهای خودران و سیستمهای کمکراننده پیشرفته (ADAS) به شمار میرود. این فناوری از سنسورهای پیشرفته برای نقشهبرداری دقیق محیط اطراف خودرو به صورت سهبعدی استفاده میکند که امکان درک بهتر موقعیت و موانع را فراهم میکند. در این مقاله، به صورت جامع به بررسی ساختار، عملکرد، کاربردها، مزایا و چالشهای فناوری لایدار در خودروها میپردازیم.
۱. مفهوم و تعریف فناوری لایدار (LiDAR)
واژه LiDAR مخفف عبارت Light Detection And Ranging است. این فناوری بر اساس ارسال امواج نوری (معمولاً لیزر) و اندازهگیری زمان بازگشت آن به حسگر عمل میکند. این فرایند به سنسور امکان میدهد تا فاصله دقیق نقاط مختلف در محیط اطراف خود را تعیین کند و یک نقشه توپولوژیکی سهبعدی با وضوح بالا تولید کند.
۱.۱ نحوه عملکرد سیستم لایدار
سیستمهای لایدار شامل اجزای اصلی زیر هستند:
- منبع نور: معمولاً یک لیزر پرقدرت که پرتوهای نور را به محیط منتشر میکند.
- حسگر دریافتکننده: فوتودیود یا فوتونشمار که نور بازتاب شده از اشیاء محیط را دریافت و زمان تاخیر آن را اندازهگیری میکند.
- واحد پردازشگر: برای محاسبه فاصله با توجه به زمان رفت و برگشت نور و تولید نقشه سهبعدی.
زمانی که پرتو نور به جسم برخورد میکند، بازتابیده شده و به حسگر بازمیگردد. با استفاده از سرعت نور (حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه) و زمان اندازهگیریشده، فاصله به دقت میلیثانیه محاسبه میشود.
۲. اجزای اصلی لایدار خودرو
یک سیستم لایدار کامل خودرو معمولاً شامل موارد زیر است:
۲.۱ منبع لیزری
در فناوریهای خودرو از لیزرهای نیمهرسانا و سختافزاری با طول موجهای مختلف (معمولاً بین 850 تا 1550 نانومتر) استفاده میشود. طول موجهای بلندتر مزیت نفوذپذیری در شرایط مه و گرد و غبار بهتر دارند.
۲.۲ سیستم چرخش یا اسکنر
برای ایجاد دید ۳۶۰ درجه، پرتوهای لیزری میتوانند توسط آینههای چرخان یا سیستمهای مجتمع با پرتوهای متعددی پراکنده شوند. این عملیات اسکن باعث ایجاد تصاویر سهبعدی دقیق و بهروز میشود.
۲.۳ حسگر نور بازتابی
در این بخش فوتودیودهای حساس به نور لیزر بازتاب شده را جمعآوری میکنند. حسگر باید بازدهی بالا و مقاومت در برابر نور محیطی داشته باشد.
۲.۴ واحد پردازش داده
پردازندههای دیجیتال مخصوص با الگوریتمهای بهینهشده زمان پرتوهای رفت و برگشت را اندازهگیری کرده و دادههای خام را تبدیل به نقشههای سهبعدی میکنند تا سیستم اقدام به تصمیمگیری نماید.
۳. کاربردهای لایدار در خودروها
فناوری لایدار یکی از فناوریهای کلیدی در خودروهای خودران و پیشرفته است. در ادامه به مهمترین کاربردهای آن اشاره میکنیم:
۳.۱ نقشهبرداری و مدلسازی سهبعدی محیط
لایدار قادر است محیط پیرامون خودرو را به صورت با دقت میلیمتری مدلسازی کند. این نقشهها به خودروهای خودران کمک میکنند تا مسیرهای احتمالی را شناسایی و به صورت دقیق از موانع جلوگیری کنند.
۳.۲ تشخیص و رهگیری اجسام متحرک و ثابت
با پردازش دادههای لایدار میتوان اشیاء مانند خودروها، عابران، حیوانات و موانع دیگر را شناسایی کرد. همچنین حرکت آنها به صورت آنلاین ردیابی میشود.
۳.۳ ادغام با سایر سنسورها
در سیستمهای پیشرفته، لایدار معمولاً همراه با رادار، دوربینهای دید در شب و حسگرهای اولتراسونیک کار میکند تا اطمینان بیشتری در درک محیط ایجاد شود.
۳.۴ استفاده در سیستمهای کمکراننده پیشرفته
سیستمهای مانند ترمز اضطراری خودکار (AEB)، کنترل کروز تطبیقی (ACC) و یارای نگهداشتن خودرو در خط بخشی از موارد کاربرد لایدار در خودروهای مدرن هستند.
۴. مزایای فناوری لایدار نسبت به سایر حسگرها
در مقایسه با دیگر فناوریهای سنجش نظیر رادار و دوربین، لایدار ویژگیهای زیر را دارد:
- دقت بالا: لایدار قادر است با دقت میلیمتری فاصله و شکل اجسام را اندازهگیری کند، در حالی که رادار معمولاً دقت پایینتری دارد.
- دید سهبعدی: لایدار تصاویر عمقی از محیط تولید میکند که به خودروها امکان درک عمیقتر و بهتری را میدهد.
- غیر وابستگی به نور محیط: برخلاف دوربینها که در تاریکی یا شرایط نامساعد عملکردشان کاهش مییابد، لایدار به نور محیط زیاد وابسته نیست.
- توانایی عملکرد در شرایط بد آبوهوا: لایدار چراغهای لیزری با طول موج خاص میتواند بهتر از سایر حسگرها تا حدی در مه و باران عمل کند.
۵. چالشها و محدودیتهای فناوری لایدار در خودرو
همانطور که لایدار مزایای فراوانی دارد، محدودیتها و چالشهایی هم در کاربردش مطرح است:
۵.۱ هزینه بالا
یکی از مهمترین موانع استفاده گسترده لایدار، هزینه بالای تولید و نصب این حسگرها است که باعث افزایش قیمت تمام شده خودرو میشود. البته اخیراً با پیشرفت فناوری، قیمتها کاهش یافته ولی همچنان گرانتر از رادار و دوربین است.
۵.۲ حساسیت به شرایط جوی شدید
گرچه عملکرد لایدار در مه بهتر از دوربین است اما در شرایط بسیار سخت مثل بارش شدید باران، برف و گردوغبار زیاد دقت آن افت میکند.
۵.۳ حجم و وزن حسگرها
برخی از سیستمهای لایدار با قطعات مکانیکی چرخان حجمی بزرگ دارند که در طراحی خودروهای کوچک محدودیت ایجاد میکند. فناوریهای نسل جدید برای رفع این مشکل حسگرهای نیمههادی و جامد را معرفی کردهاند.
۵.۴ مشکلات قانونی و حفظ حریم خصوصی
نقشهبرداری مداوم فضای اطراف و جمعآوری دادههای تصویری ممکن است سوالات قانونی و حفظ حریم خصوصی ایجاد کند که نیازمند تنظیم قوانین مناسب هستند.
۶. مثالهای عملی از استفاده لایدار در خودروهای خودران
برای درک بهتر کاربردهای لایدار، نگاهی به برخی نمونههای واقعی میاندازیم:
۶.۱ تسلا و سیستمهای لایدار
هرچند تسلا بیشتر به دوربینها و رادار تکیه دارد، ولی خودروهای مطالعاتی این شرکت گاهی از حسگرهای لایدار برای مقایسه عملکرد استفاده کردهاند. با این حال در اغلب محصولات تولیدی لایدار حضور ندارد.
۶.۲ خودروهای اوبر (Uber) و لیفت (Lyft)
در پروژههای خودران این شرکتها از سیستمهای لایدار مانند Velodyne HDL-64E استفاده شده که قابلیت اسکن ۳۶۰ درجه و برداشت میلیونها نقطه در ثانیه را دارد. این دادهها به اپراتورها و سیستم هوش مصنوعی کمک میکنند تا خودرو با دقت بالا در محیطهای پیچیده حرکت کند.
۶.۳ خودروهای Waymo
Waymo که از پیشگامان فناوری خودران است، از سیستمهای لایدار پیشرفته با حسگرهای ثابت و چرخان استفاده میکند که در شرایط پرترافیک شهری امکان شناسایی دقیق عابران پیاده و دوچرخهسواران را میدهد.
۷. آینده فناوری لایدار در صنعت خودرو
با پیشرفت فناوری، شاهد بهبودهای عمده در لایدار خواهیم بود:
- حسگرهای جامد (Solid-state LiDAR): بدون قطعات مکانیکی متحرک، کوچکتر و ارزانتر با قابلیت اطمینان بیشتر.
- افزایش سرعت و دقت: با استفاده از فناوریهای نوین سرعت اسکن بیشتر و پردازش دادهها نزدیک به زمان واقعی میشود.
- ادغام هوش مصنوعی: تحلیل خودکار دادههای لایدار توسط الگوریتمهای یادگیری ماشین برای تصمیمگیری دقیقتر.
- کاهش هزینهها: کاربرد گستردهتر در خودروهای متداول و نه صرفاً خودروهای سطح بالا.
۸. نتیجهگیری
فناوری لایدار (LiDAR) به عنوان حسگر حیاتی در آینده صنعت خودروهای خودران و سیستمهای ایمنی پیشرفته شناخته میشود. با ارائه دید سهبعدی دقیق و قابلیت تشخیص سریع موانع، این فناوری به بهبود ایمنی و کیفیت رانندگی کمک شایانی کرده است. هرچند چالشهایی مانند هزینه و حساسیت به شرایط محیطی وجود دارد، اما با پیشرفتهای مستمر، لایدار نقش پررنگتری در صنعت خودرو ایفا خواهد کرد.
برای توسعه خودروهای خودران با تواناییهای بالا و تضمین ایمنی راننده و سرنشینان، سرمایهگذاری روی فناوری لایدار یک ضرورت انکارناپذیر است.