LIDAR navigoi kohti autonomista autoa

Tesla LIDAR

Nissan esitteli Tokion automessuilla IDC-konseptin, jossa oli autonomisen ajamisen toimintoja. Volvo puolestaan kutsuu omaa järjestelmäänsä nimellä Intellisafe Autopilot. PSA:lla (Peugeot, Citroen) on Conduite automatisée. Kaikilla valmistajilla tuntuu olevan kova höpinä päällä yhä pidemmälle menevien kuljettajaa avustavien järjestelmien kehittämisessä. LIDAR-tekniikka tulee olemaan merkittävässä roolissa autonomisten autojen toiminnassa.

Mutta mistä autonomisen auton tekniikassa lopulta on kysymys?

Täysin itsenäinen robottiauto, joka pystyy kaikissa sääolosuhteissa ajamaan liikenteessä ihmiskuskien seassa on vielä kaukaista tulevaisuutta. Sen sijaan lähitulevaisuuden autotekniikka tekee yksinkertaisimmat (ja ehkä monotonisimmat, tylsimmät) ajamisen tehtävät kohtuukelissä ja vapauttaa kuskin keskittymään vain hankalimpiin paikkoihin.

Autonominen auto koostuu kolmesta osasta:

  1. Sensorit, jotka tutkivat auton ympäristöä
  2. Tietoliikenne auton ja ulkomaailman välille
  3. Ohjelmisto, joka tekee edellisten pohjalta tarvittavat päätökset ajamisen suhteen

Autojen sensoritekniikka tällä hetkellä nojaa pitkälti tutkaan, mutta lähitulevaisuudessa siintää laser-tekniikka: LIDAR.

Lidar on autonomisen auton silmät

Autonomisille autoprojekteille yhteistä on runsas laser-skannerien, eli LIDAR:n käyttö. Lidar lähettää ympäristöönsä laser-pulsseja. Matka-aikaa mittaamalla saadaan selville laserin etäisyys kohteesta. Kun mittausta tehdään autosta joka suuntaan, saadaan tarkka kuva auton ympäristön muodoista.

Tarkimmillaan Lidar pystyy mittaamaan millimetrin murto-osien tarkkuudella asioita yli sadan metrin päästä. Sisätiloissa testattessa skannerin kuvasta pystyi laskemaan ikkunan sälekaihtimien yksittäiset säleet tai sormet kädestä.

Laser-skanneri toimii yhtä hyvin päivällä ja yöllä, mutta se ei näe erityisen hyvin sumun tai sateen läpi.

Sickin keskikokoinen, 190 astetta näkevä monitasolaser.

Sickin keskikokoinen, 190 astetta näkevä laserskanneri.

Tarkka kolmiulotteinen malli auton ympäriltä on avain itsenäiseen ajoon. Sen avulla auto voidaan paikantaa äärettömän tarkasti vertaamalla mittausta aiemmin tehtyyn referenssimalliin. Reaaliaikaisesta mallista voidaan myös erottaa auton ympärillä olevat liikkuvat kohteet ja erotella niistä yksittäiset autot, ihmiset ja muu liikenne.  Auto voi seurata vaikka jokaisen jalankulkijan liikettä, ja pysäyttää ajoissa jos kävelijän liikerata meinaa törmätä auton radan kanssa.

Laser-skannerit eivät ole uusi keksintö. Teollisuudessa ja logistiikassa niitä on käytetty vuosikymmeniä muun muassa turva-antureina ja robottien ohjurina. Laser on ohjannut niin Sanomalan valtavia sanomalehtipaperirullia vihivaunussa kuin Roclan trukkejakin.

Skannerien tunnetuin valmistaja lienee saksalainen Sick, mutta uutena tulokkaana on yhdysvaltalainen Velodyne. Juuri Velodyne on keksinyt tehdä pieniä monitasoskannereita, joissa äärimmäisestä tarkkuudesta on tingitty pienemmän koon ja edukkaamman hinnan puolesta.

Google uusin itsenäinen auto on täysin omaa tuotantoa. Katolla pyörii yksi laserskanneri. Kuva: Google.

Google uusin itsenäinen auto on täysin omaa tuotantoa. Katolla pyörii laserskanneri ja epäilemättä muitakin sensoreita. Kuva: Google.

Nissanin prototyypissä sensorit on jo upotettu auton koriin, eivätkä ne muodosta häkkyrää auton katolle.

Nissanin prototyypissä sensorit on jo upotettu auton koriin, eivätkä ne muodosta häkkyrää auton katolle. Kuva: Nissan.

Fordin proton katolla pyörii neljä Velodynen skanneria.

Fordin proton katolla pyörii neljä Velodynen skanneria. Kuva: Ford.

Muun muassa Nissan, Google ja Ford pulttaavat useampia skannereita proto-autoihinsa, ja tyypillisesti kyse on juuri Velodynen pienimmistä yksiköistä. Digitaalisten kartta-aineistojen ja mallinnuksen tuottajista tunnetuimpia ovat Google ja nykyään saksalaisen autoteollisuuden omistama, ex-Nokia Here. Tarkka kartta-aineisto on oleellinen osa navigointia.

Yksi on kuitenkin lidarin suhteen poikkeus: Tesla Motors. Teslan toimitusjohtaja Elon Musk onkin kertonut tavoitteensa olevan autonominen auto – mutta ilman kalliita laser-skannereita.

Halu jättää laser-skannerit pois on ymmärrettävää. Yksittäinen skanneri on aikanaan maksanut kymmeniä tuhansia ja ollut kahvinkeittimen kokoinen. Vielä muutama vuosi sitten Googlen kartoitusauton lavalla saattoi olla jääkaappipakastimen kokoinen mittaus- ja kuvausyksikkö. Laitteiden hinnat ja koko ovat kuitenkin tulleet alaspäin. Velodynen ja Sickin pienimmät skannerit ovat jo kahvikupin kokoluokkaa.

Pienimmät laser-skannerit ovat kahvikupin kokoluokkaa.

Pienimmät laser-skannerit ovat kahvikupin kokoluokkaa.

Tesla luottaa näkyvään valoon ja tutkaan

Laser-skannerien ohella kamerat yleistyvät autoissa. Esimerkiksi Mercedes-Benz sijoittaa kaksi kameraa peruutuspeilin molemmin puolin mahdollistamaan stereokuvan ottamisen suoraan eteenpäin. Kameroilla voidaan tuottaa hämmentävän hyvää kolmiulotteista mallia reaaliaikaisesti, kunhan kuvan laatu on kohdallaan ja laskentavoimaa on riittävästi. Kameroiden ongelma on kuitenkin yö: ne näkevät vain valoisassa.

Tesla Model S:n Autopilot-toiminnot ovat mielenkiintoisia, mutta on vaikea käsittää miten tällä hetkellä autossa olevilla tutkilla ja vain yhdellä kameralla voitaisiin rakentaa nykyistä merkittävästi laajempaa autonomisuutta. Kaistallapito, ohitus ja pysäköinti sinänsä ovat hienoja toimintoja, mutta Tesla pois lukien kaikilla muilla autonomisen auton kehittäjillä on protoissaan jopa kymmeniä erilaisia sensoreita, joiden kokonaiskuvan avulla autoa ajetaan. Model S:n erottelukyky sivuille ja taaksepäin olevien esteiden tunnistamiseen ei voi olla erityisen hyvä, joten ajopäätösten teko niiden pohjalta lienee erittäin vaikeaa.

Mutta toisaalta: Jos Tesla onnistuu rakentamaan itsenäisen ajon nykyisen, maantiellä jo olevan autoraudan ympärille, on sillä hallussaan valtava kilpailuetu kaikkiin muihin toimijoihin nähden. Markkinoilla on jo tuhansia autoja suunnilleen sopivalla raudalla varustettuna ja softan voi päivittää etänä.

Tällä hetkellä tosin joiden lähteiden mukaan Tesla toisi 7.1 -ohjelmistopäivityksessä rajoituksia nykyisiin Autopilot-toimintoihin. Ilmeisesti suuri yleisö on innostunut tekemään liian vaarallisia asioita automaattiohjauksella.

Adaptiivisen vakionopeudensäätimen tutka sijoitetaan yleensä etupuskuriin. Tämä esimerkki on e-Golfista. Kuva: Tuomas Sauliala

Adaptiivisen vakionopeudensäätimen tutka sijoitetaan yleensä etupuskuriin. Tämä esimerkki on e-Golfista.

Mercedes-Benz sijoittaa kamerat molemmin puolin peruutuspeliä. Paremman stereokuvan saavuttamiseksi kamerat lienevät jatkossa kauempana toisistaan.

Mercedes-Benz sijoittaa kamerat molemmin puolin peruutuspeliä. Paremman stereokuvan saavuttamiseksi kamerat lienevät jatkossa kauempana toisistaan.

Tesla sijoittaa eteen katsovan kameran peruutuspeilin yhteyteen. Kuva: Tuomas Sauliala

Eteen katsova kamera sijoitetaan yleensä peruutuspeilin yhteyteen. Tämä esimerkki on Tesla Model S 70D:stä.

Kuva: Tuomas Sauliala

Ultraäänitutkaa käytetään tavallisesti parkkitutkana. Ultraääni ei tiedä mitään kohteen muodosta tai tyypistä, mutta pysäköinnissä etäisyys riittää informaatioksi.

Kolmas yleinen sensorityyppi on tutka, joko radioaalloilla tai ultraäänellä toteutettuna. Tutka onkin yleensä etupuskurissa osana adaptiivista vakionopeudensäädintä, tai monena kappaleena joka puolella autoa parkkitutkana. Tutkatekniikan etuna on pieni koko, kohtuullinen hinta ja hyvä säänkesto; heikkoutena erottelutarkkuus. Tutka tietää vain etäisyyden anturilta kohteeseen, mutta ei osaa sanoa sen suuntaa, muotoa tai mallia. Toisaalta juuri immuniteetti huonolle säälle houkuttelee kehittämään tutkatekniikkaa eteenpäin, ja pienikokoinen hyvän erottelutarkkuuden lähialuetutka olisikin käänteentekevä keksintö autonomiselle autolle. Tätä tekniikkaa tutkitaan kovaa vauhtia.

Autonominen auto nojaa ohjelmistojen älyyn ja koneen tekemiin päätöksiin. Kaiken pohjalla on kuitenkin ympäristön kartoitus sensoreilla. Ilman sensoridataa kaista ei vaihdu eikä auto liiku. Tai mikä vielä pahempaa: ilman kunnon sensoridataa auto voi liikkua päin ihmisiä.

Koeajan Tesla P85D -mallin ensi viikonloppuna. Kyseessä on paitsi erityisen tehokas nelivetoinen sähköauto, myös ns. Autopilot -toiminnoilla varustettu malli. Raporttia luvassa viikon päästä.

Teksti ja kuvat jos ei muuta mainita: Tuomas Sauliala

Kirjoitan juttusarjan autonomisesta autosta. Tämä artikkeli käsittelee sensoritekniikkaa, seuraavat osat Tesla Model S 7.0 “Autopilot” -koeajoa sekä muita tekniikoita. 

6 Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *