Оптические системы для автопилотируемых и роботизированных комплексов

Оптические системы на базе тепловизионных камер

В беспилотных транспортных средствах широкое распространение получили тепловизионные камеры крупнейшего американского производителя FLIR. Серия Boson (рис. 1), в основе которой лежит использование неохлаждаемого микроболометра в спектральном диапазоне 8–14 мкм (LWIR), приобрела популярность благодаря своим миниатюрным размерам и легкой интеграции в различные оптические системы.

Рис. 1. LWIR-камера FLIR Boson

Камера разрешением 640×512 пикселей обладает 8-кратным цифровым зумом и кадровой частотой 60 Гц. Габариты устройства составляют всего 21×21×11 мм при весе 8 г и дистанции измерения до 12 км.

На российском рынке тепловидения в качестве альтернативы изделиям FLIR выступают камеры производства НПК «Фотоника». Миниатюрные LWIR-камеры представлены в двух версиях: TI6120 (рис. 2) с разрешением 640×512 пикселей и TH12120 с разрешением 1280×1024 пикселей. В отличие от заокеанских моделей, использующих классические интерфейсы UART и USB, отечественные камеры имеют современный и быстрый интерфейс MIPI CSI-2. Это позволяет проводить локальную обработку изображений, где применяются нейросети и искусственный интеллект.

Рис. 2. LWIR-камера TI6120 производства НПК «Фотоника»

Серия микроболометров производства НПК «Фотоника» имеет технические характеристики, представленные в таблице 1.

Возрастающая потребность в повсеместном внедрении системы помощи водителю (ADAS) и интеллектуальной транспортной системы (ITS) расширила область применения современных тепловизионных модулей. К примеру, LWIR-камера может быть установлена на крыше автомобиля или в решетке радиатора для обеспечения четкого виденья в ночное время суток или в условиях плохой видимости.

Помимо легковых и грузовых транспортных средств, камеры могут устанавливаться в качестве полезной нагрузки для дронов и БПЛА, поскольку отличаются небольшими габаритами и легким весом.

Несмотря на неоспоримые преимущества тепловизионных модулей, у них есть одно существенное ограничение — невозможность получения изображений через стекло. Это связано с тем, что стекло является высокоотражающим материалом и не пропускает ИК-излучение. Альтернативным вариантом в таких случаях становится применение лазерных сканирующих систем, в частности твердотельных и механических лидаров.

Оптические системы на базе 3D-лидаров в ближнем ИК-диапазоне

Одной из наиболее востребованных технологий, используемых в сенсорах для роботизированных комплексов и систем автопилотирования, является ToF, или времяпролетная технология. Сенсоры, работающие по ToF-технологии, непрерывно испускают модулированный свет, который отражается от объекта и затем регистрируется приемным устройством. Расчет времени, прошедшего с момента испускания света до его фиксации приемником, служит основой для генерации облака точек. Благодаря сгенерированному облаку и алгоритмам, написанным в операционной системе ROS, осуществляется ориентация беспилотной платформы в пространстве.

Современные 3D-лидары имеют различные варианты исполнения. К числу наиболее распространенных вариантов относятся механические лидары, которые представляют собой цилиндрический сенсор и получают информацию об окружающем пространстве на 360°. Сегодня на рынке РФ набирают популярность твердотельные лидары, угол обзора которых задается с помощью перемещения MEMS-зеркал. В свою очередь, твердо­тельные лидары делятся на гибридные, фазовые и ToF. Преимуществом твердотельных лидаров является устойчивость к низким рабочим температурам и высоким уровням вибрации, что представляется важнейшим фактором их использования в климатических условиях российских регионов.

Российский рынок 3D-лидаров в основном представлен продукцией компаний Hesai Technology, Robosense и Leishen LiDARs (рис. 3–5). Однако все большую долю рынка осваивают молодые высокотехнологичные компании, такие как Blickfeld и Benewake. В изделиях Blickfeld предусмотрена возможность программного изменения угла обзора, а это одно из главных конкурентных преимуществ. Твердотельные лидары от Benewake (табл. 2) обладают большим вертикальным углом обзора в 30° и повышенной устойчивостью к вибрационному воздействию. Благодаря этому они успешно применяются в ж/д и карьерной технике, выдерживая суровые условия эксплуатации.

Рис. 3. Гибридный твердотельный лидар AT128

Рис. 4. Твердотельный лидар M1

Рис. 5. Гибридный твердотельный лидар CH128X1

Механические 32-канальные 3D-лидары (табл. 3, рис. 6–8) активно используются в наземных роботизированных комплексах, для создания цифровых моделей рельефа с воздуха и в беспилотных транспортных средствах за счет возможности получения облака точек на 360° по горизонтали.

Рис. 6. 32-канальный твердотельный лидар C32

Рис. 7. 32-канальный 3D-лидар XT32

Рис. 8. 32-канальный 3D-лидар RS32

Следует отметить существенное изменение рынка 3D-лидаров, произошедшее за последние несколько лет. Если в 2020 г. львиную долю занимали американские производители Velodyne и Ouster (рис. 9), то в 2022 г. наблюдается переход на азиатские изделия от Robosense, Hesai и Leishen.

Рис. 9. Рынок 3D-лидаров в 2020 г.

В сравнении с 2020 годом, в 2021 году наблюдалось почти двукратное увеличение рынка — с 249 млн до 471 млн рублей (рис. 10). При этом можно увидеть уменьшение доли рынка Ouster, что связано со слиянием компании с Velodyne.

Рис. 10. Рынок 3D-лидаров в 2021 г.

Как и отмечалось, в 2022 г. наблюдались изменения в доли каждой из присутствующих на российском рынке компаний. Так, практически половина заказчиков использовали в своих проектах продукцию Robosense, а доля новых производителей, таких как Livox, Leishen и Vanjee, стала сопоставимой со вчерашними лидерами Ouster и Velodyne.

3D-дальномеры от Robosense, Hesai и Leishen, которые составили почти 70% от общей доли рынка, имеют опцию двукратной фиксации сигнала и позволяют получать изображение даже через стекло. Однако следует отметить, что ToF-технология, лежащая в основе многих 3D-лидаров, восприимчива к плохим погодным условиям, включая проливной дождь, снег и метель. В таких условиях сгенерированное облако точек имеет высокий уровень шумов, что затрудняет управление роботизированными платформами и снижает качество цифровых моделей рельефа.

Основная область применения 3D-лидаров в России — полезная нагрузка для БПЛА. Отечественные решения на базе лидаров позволяют создавать цифровые модели рельефа с воздуха в составе дронов и БПЛА самолетного типа на высоте до 300 м.