Advanced Driver Assistance Systems (ADAS): Co potrafią czujniki
Systemy wspomagania kierowcy (ADAS: Advanced Driver Assistance Systems) zapewniają dodatkowy komfort i bezpieczeństwo w ruchu drogowym. W samochodach osobowych stosowane są obecnie liczne systemy wspomagania kierowcy, które często łączone są w pakiety bezpieczeństwa. Jest to możliwe dzięki coraz bardziej inteligentnemu rozpoznawaniu otoczenia przez coraz lepszą technologię czujników. Czujniki ultradźwiękowe, radarowe, lidar, kamery itd. są coraz skuteczniejsze. Złożone oprogramowanie jest sercem coraz potężniejszych sterowników. Optymalizuje procesy algorytmów w celu szybkiej i prawidłowej (re-)akcji nawet w krytycznych sytuacjach na drodze. W ten sposób można opanować sytuacje krytyczne i uniknąć wypadków.
Weźmy na przykład system ostrzegania przed zjechaniem z pasa ruchu: Czy podczas opuszczania pasa ruchu wystarczy dźwięk ostrzegawczy lub ostrzegawcze wibracje kierownicy, czy też konieczna jest aktywne zadziałanie kierownicy lub hamulca? Aby podjąć właściwą decyzję, nowoczesne systemy mogą wykorzystywać współdziałanie czujników i systemów kamer. Im dokładniej przetwarzane są informacje bieżące w czasie rzeczywistym, tym bardziej optymalna jest reakcja systemu wspomagania kierowcy na sytuację na drodze. W zależności od zastosowania i systemu ADAS uwzględniane są różne inne informacje, takie jak prędkość, kąt skrętu kierownicy, odległość od pojazdu poprzedzającego, informacje o martwym polu czy nawet warunki drogowe. Na przykład nowy czujnik shake firmy HELLA poprawia odbiór otoczenia przez czujnik radarowy, czujnik lidar i kamerę, dostarczając aktualnych i precyzyjnych danych o stanie drogi.
Niemniej jednak istnieją również systemy wspomagające, które nie ingerują bezpośrednio w procesy dynamiki jazdy, ale znacząco poprawiają bezpieczeństwo bierne i komfort jazdy. Przykładem może być asystent świateł drogowych czy automatyczna wycieraczka szyby przedniej. HELLA oferuje na przykład czujniki deszczu/światła, które mierzą temperaturę, wilgotność i promieniowanie słoneczne (światło otoczenia) i dzięki temu mogą oprócz świateł drogowych sterować również systemem klimatyzacji.
Czujnik shake wykorzystuje element piezoelektryczny do wykrywania drgań i hałasu w powietrzu z rozpryskiwanych kropel wody oraz do określania stopnia wilgoci między oponą a drogą. Zdjęcie: HELLA
Nowoczesny, wielofunkcyjny czujnik deszczu/światła. Zdjęcie: HELLA
Czujniki radarowe i ultradźwiękowe
Systemy radarowe (najczęściej o częstotliwości 77 GHz) pozwalają na dokładne pomiary prędkości i odległości, nawet przy dużej prędkości pojazdu, lecz nie mają dużej rozdzielczości kątowej. Są one wykorzystywane na przykład do unikania kolizji. Jednym z ich atutów jest niezależność od pogody. Oprócz radaru krótkiego zasięgu, służącego do wykrywania obiektów oddalonych do 30 m, stosuje się systemy radarowe średniego i dalekiego zasięgu do 250 m.
Czujniki ultradźwiękowe od dawna już należą do klasycznych urządzeń ułatwiających parkowanie. Mierzą one odległość do najbliższego obiektu, rejestrując czas wysłanych przez siebie odbitych impulsów dźwiękowych. Jako specjaliści krótkiego zasięgu mają mniejsze znaczenie dla zautomatyzowanej jazdy, ale sprawdzają się jako asystenci parkowania i martwego pola. Czujniki ultradźwiękowe są kompaktowe i wytrzymałe. Działają również w nocy i bez zakłóceń, na przykład we mgle. Mają one jednak swoje słabe strony przy opadach śniegu i nie nadają się do większych odległości.
Czujniki ultradźwiękowe są uznawane za „klasyki”. Nawet osiem czujników montuje się z przodu i z tyłu pojazdu, najczęściej w zderzakach. Służą do ostrzegania o odległości podczas parkowania.
Czujniki lidar
Równie ważnym czujnikiem jest tak zwany czujnik lidar. Skrót oznacza Light Detection and Ranging, czyli optyczny system pomiarowy do wykrywania obiektów. Położenie obiektu można określić na podstawie odbicia emitowanego światła od obiektu, aż do momentu, gdy światło dotrze z powrotem do odbiornika. W zasadzie więc jest to skaner laserowy, który może również tworzyć trójwymiarowy obraz otoczenia. Systemy lidar nie wykorzystują mikrofal, lecz impulsy świetlne z zakresów światła niewidzialnego, czyli bliskiej podczerwieni. Typowe cechy to długość fali 905 nm, zasięg 200 m w dobrych warunkach pogodowych, wysoka rozdzielczość kątowa i pokrycie 360°. Jednak oślepiające światło, warunki słabej widoczności, takie jak mgła, deszcz czy aerozol, zmniejszają ich zasięg. Dlatego lidar jest stosowany najczęściej jako system dodatkowy.
Systemy kamer (czujniki optyczne)
Do monitorowania otoczenia są wykorzystywane często również systemy kamer. Jednym z podstawowych zastosowań jest na przykład rozpoznawanie znaków drogowych. Wykryte znaki są wyświetlane bezpośrednio na wyświetlaczu na desce rozdzielczej lub na ekranie. W wielu przypadkach rozpoznawanie znaków drogowych służy również jako informacja dla innych systemów wspomagania kierowcy, takich jak system ostrzegania o pierwszeństwie przejazdu, system ostrzegania o niewłaściwym kierunku jazdy czy funkcja ostrzegania o prędkości.
Oprócz znaków drogowych, nowoczesne kamery potrafią również rozpoznawać, a nawet rozróżniać przeszkody przed pojazdem.
Nowoczesne kamery potrafią również wykrywać, a nawet rozróżniać przeszkody przed pojazdem. Wykorzystywane są zarówno kamery mono, jak i stereo. Te ostatnie są w stanie wykryć przeszkody trójwymiarowo bez dodatkowych czujników. W przypadku kamery stereo przestrzeń montażowa ogranicza jednak widok 3D: Im mniejsza odległość między oboma obiektywami kamery, tym mniejszy efektywny trójwymiarowy zakres pomiarowy. Oznacza to, że kamery stereo widzą trójwymiarowo do 50 m przed pojazdem. Ponadto różnice w perspektywie dwóch wykonanych zdjęć są zbyt małe, aby na ich podstawie uzyskać informacje 3D. Powyżej tej granicy kamera zachowuje się jak kamera mono.
Zasięg kamery mono wynosi około 250 m, niezależnie od miejsca montażu. Dzięki połączeniu obrazów z kilku kamer i czujników można stworzyć widok trójwymiarowy. Kamery wewnątrz pojazdu mogą również wykryć, czy kierowca jest zmęczony lub rozproszony. Kamery otoczenia (przednia i tylna) rejestrują bezpośrednie otoczenie samochodu i wykrywają przeszkody.
Czujniki podczerwieni
Z kolei w asystentach noktowizyjnych stosuje się kamery na podczerwień. Reagują one na promieniowanie cieplne przedmiotów. Informacje przekształcone na czarno-białe obrazy są wyświetlane na wyświetlaczu. Chłodniejsze otoczenie jest ciemne, a ludzie i zwierzęta jasne i tym samym dobrze widoczne. Nowoczesne systemy wykrywają ludzi i większe dzikie zwierzęta w odległości nawet 300 m. W sytuacjach niebezpiecznych rozlega się sygnał ostrzegawczy. W zależności od systemu reflektorów możliwe jest np. ostrzeżenie osoby za pomocą krótkich impulsów świetlnych.
Łączenie danych z czujników
Wszystkie istotne dane z czujników ultradźwiękowych, radarowych, lidar, kamer i innych urządzeń mogą być inteligentnie i w czasie rzeczywistym łączone za pomocą tzw. fuzji czujników. W perspektywie właśnie to umożliwi autonomiczną jazdę. Redundancje, czyli częściowe pokrywanie się wyników rozpoznawania otoczenia, są wyraźnie pożądane. Redundancje i kontrole wiarygodności, tzn. wewnętrzna kontrola, czy dane otoczenia zostały prawidłowo zarejestrowane, zapobiegają w dużej mierze błędnej interpretacji danych. W zależności od systemów wspomagania kierowcy, stopnia automatyzacji i klasy pojazdu mamy więc do czynienia z indywidualną mieszanką informacji i czujników oraz coraz większą ilością danych, które muszą być przetwarzane w czasie rzeczywistym. Już teraz arcydzieło techniki!