Если вы видели наши беспилотные автомобили вживую или на фотографиях, вы наверняка замечали у них на крыше установку, которой нет у обычных машин. Внутри неё, среди прочего, размещается лидар — один из основных сенсоров беспилотного автомобиля. С 2021 года мы используем во всех наших беспилотных автомобилях последнего поколения лидары собственной разработки.
Важная особенность нашего лидара — он может в реальном времени менять свои параметры и адаптироваться под дорожную ситуацию. Например, на скоростных шоссе лучше «видеть» машины вдалеке, а на узких улицах более детально разглядеть пешеходов вблизи автомобиля.
Мы расскажем о том, как в 2019 году начали делать свои лидары, какими характеристиками обладает программируемый лидар и почему собственный сенсор так важен для дальнейшей разработки беспилотных технологий.
Зачем беспилотнику нужен лидар
Лидары, камеры и радары — «глаза» большинства беспилотных автомобилей. С их помощью беспилотная система распознаёт окружающий мир, например сигналы светофоров, автомобили и людей, измеряет размеры окружающих объектов, их скорости и расстояния до них. Благодаря этому у машины есть данные, чтобы понимать, как безопасно перемещаться по дорогам и реагировать на дорожные ситуации.
Один из основных сенсоров беспилотного автомобиля — лидар. Он каждую секунду испускает миллионы безопасных для людей лазерных лучей, которые отражаются от объектов и возвращаются обратно. Получается лидарное облако — совокупность точек, которые создают трёхмерную картину окружающего мира. По отражённым сигналам лидара можно определить форму объектов и расстояние до них с точностью до сантиметра.
Лидар может определять точные очертания объектов на расстоянии в сотни метров — эту информацию не получить с камер и радаров. Ещё лидар «видит» в темноте, а благодаря алгоритмам фильтрации шумов автомобили могут уверенно ориентироваться в пространстве даже в сложных погодных условиях вроде снега или дождя.
Также лидар помогает беспилотному автомобилю понимать своё положение в пространстве — для этого система в реальном времени сравнивает трёхмерный скан окружения с загруженными в систему трёхмерными картами.
Первые лидары Яндекса
Изначально мы использовали лидары других компаний, но их возможности были ограничены теми функциями, что закладывает производитель. С 2019 года мы сами проектируем лидары — они помогают нашей системе беспилотного управления лучше решать задачи, с которыми ей приходится сталкиваться.
Мы начали с двух прототипов. Они имели разную конструкцию: первый лидар располагал вращающимся блоком, а второй был неподвижным. Оба наших лидара имели параметры дальности и разрешения сравнимые с лидарами стороннего производителя.
На создание прототипов ушло девять месяцев. Когда лидары были готовы, мы установили их на нескольких беспилотных машинах, чтобы понаблюдать, как они поведут себя в эксплуатации, и сравнить их друг с другом.
Неподвижный лидар лучше проявил себя на испытаниях. Во-первых, такая конструкция в целом надёжнее — в ней нет тяжелой подвижной электронки, поэтому она лучше переносит тряску и морозы. Во-вторых, из-за особенностей конструкции лидар был более гибок в настройке, а задавать нужные параметры можно было как заранее, так и прямо во время поездки, на ходу. Именно эта конструкция легла в основу лидаров, которые мы сейчас устанавливаем на наши машины.
В чём преимущества
Параметры лидара можно менять в реальном времени
Параметры лидара — количество лучей, угол обзора, дальность — можно изменять заранее или во время поездки. За счёт этого беспилотный автомобиль лучше подстраивается под разные дорожные ситуации.
Например, при движении по узким улицам мы можем сконцентрировать большую часть лучей на дороге перед автомобилем, чтобы повысить плотность лидарного облака вблизи и детально разглядеть людей и небольшие объекты, например дорожные конусы.
На широких скоростных трассах наоборот: мы можем сосредоточиться на объектах, которые находятся в отдалении. Это позволяет заранее понять обстановку впереди: где находятся машины, нет ли аварий или дорожных работ. Наш лидар может распознать легковой автомобиль на расстоянии в 200 метров, а фуру на расстоянии в 500 метров.
На картинке ниже — момент выезда беспилотного автомобиля с узкой улицы на широкий проспект. Лидар переключается на сканирование дальних объектов — можно заметить, что автомобили вдалеке стали чётче:
Благодаря лидарам, которые способны отчётливо «видеть» объекты вдалеке, беспилотному автомобилю проще определять своё местоположение. Это особенно важно в зонах с не очень плотной застройкой вокруг дороги — на эстакадах, широких проспектах и шоссе. Автомобиль различает здания на расстоянии 600 метров и получает достаточно данных для сравнения с трёхмерной картой.
Менять параметры лидара можно и для более сложных задач. Например, если алгоритмы сигнализируют, что какой-то объект сложно определить в текущих условиях, мы можем увеличить плотность лидарного облака в этой зоне.
На видео показано, как «видит» мир центральный лидар. Дополнительные лидары по бортам и спереди автомобиля исключены из демонстрации:
Лидар стал надёжнее
В наших лидарах нет подвижной электроники: они меньше изнашиваются со временем и не так подвержены температурным искажениям, как вращающиеся лидары.
Во время тестов наши лидары показали одинаково хорошую работу при температуре от −30 до +30°С. Благодаря этому их можно использовать практически всюду — и в жарких странах, и в местах, где бывает морозная зима.
Доступ к «сырым» данным позволил улучшить распознавание объектов
Имея свой лидар, можно получить доступ к его «сырым» данным — то есть к данным в том виде, какой они имеют до обработки на устройстве. Лидары сторонних производителей такой возможности обычно не дают: в них данные фильтруются на этапе сбора.
«Сырые» данные можно проанализировать и сопоставить с данными с других сенсоров. Это позволяет научиться лучше распознавать окружающий мир. Мы также создаём специализированные наборы данных для сложных и уникальных объектов на дорогах и обучаем на них алгоритмы.
Свои лидары помогают оптимизировать затраты
Лидары, созданные в Яндексе, стоят столько же, сколько и лидары стороннего производителя, которые мы использовали раньше. При этом они лучше подходят для наших задач: «видят» дальше, точнее распознают объекты и способны подстраиваться под разные ситуации на дороге.
На сегодняшний день из всех компаний, которые делают беспилотные автомобили, лишь четыре используют лидары собственной разработки. Яндекс — одна из них.
Сейчас лидарами, разработанными в Яндексе, оснащены все наши беспилотные автомобили четвёртого поколения. Машины проехали с ними уже более полумиллиона километров. Свои лидары мы будем устанавливать и на все новые автомобили.
На создание лидара в общей сложности ушло два с половиной года — это относительно небольшой срок. Мы смогли уложиться в него, потому что к началу разработки уже располагали внушительным флотом беспилотных машин и могли сразу же приступать к тестированию разработок.
Мы продолжаем совершенствовать лидары и разрабатывать новые. Например, сейчас мы тестируем прототипы боковых лидаров для распознавания объектов на близких расстояниях и проектируем основной лидар для наших роботов-курьеров.