Sensorer for objektdetektering: Hvilke varianter finnes og hvordan virker de?

Mer enn noen gang tidligere blir motormanagement systemet påvirket av signaler utenfra. Autonom kjøring vil i framtida i større grad bestemme når og hvordan motormanagementsystemet må reagere. Funksjoner som automatiske nødbremsesystem og adaptiv cruise control sørger allerede nå for at motormanagementsystemet ikke lenger utelukkende reagerer på signaler fra gasspedalen. Selv om alle disse sensorene for objektdeteksjon på nåværende tidspunkt ikke er direkte forbundet med motormanagementsystemet, er det viktig å se nærmere på hvordan disse sensorene kommer til å påvirke motormanagementsystemet i framtida.

Ultralydsensorer og lydbølger

Vi begynner med ultralydsensorene. Disse sensorene detekterer objekter ved hjelp av lydbølger. Det spiller ingen rolle om objektet er gjennomsiktig eller ikke, ferro eller non-ferro i fast, flytende eller pulverform. Via en emitter sender sensoren ut ultralydbølger som vil treffe mulige objekter. Det tilbakevendende signalet mottas av sensoren og en enkel beregning brukes for å bestemme avstaden til objektet: D = 0.5T x C.

D = 0,5T x C

"D" er avstanden. "T" er tiden mellom sendt og mottatt signal og "C" er konstanten som lyden beveger seg: 343 m/s. Huske denne formelen, for selv om "C" kan variere per type sensor, bruker hver type sensor som måler avstand denne enkle formelen.

Bilde: Skjematisk gjengivelse av ultralydsensoren

Ultralydsensoren blir ofte brukt som parkeringssensorer, montert i støtfangeren. Dermed kan de også brukes som en del av "pre collision braking" og automatiske parkeringssystemer. Signaler fra ultralydssensorer blir derfor sjelden brukt for bare én oppgave, men blir først bearbeidet i en enhet for datainnsamling. Har du behov for å sjekke om en ultralydsensor faktisk virker, mål da ikke bare matningsspennning - som regel 5V- og jording, men kontroller også inngående og utgående signaler med et scoop.

Bilde: Blokkbølge som bør være synlige på et scoop

Radarsensorer og radiobølger

Radar bruker radiobølger til å detektere og bedømme avstand, vinkel og hastighet fra forbigående objekter. Et godt forbile er Beamsteering Radar SPEKTRA fra Metawave som ble presentert i 2020. Metawave har utviklet en ny type rader som opererer med en frekvens på 77 GHz(!). Radaren skanner superraskt omgivelsene i trinn på 0,1 grader og med en smal vinkel på 22 grader. (Field of View). På grunn av dette oppstår det ekstremt mye overlapp som gjør at radaren med stor presisjon kan detektere hastighet og retning på objekter. Dette gjør at systemet kan brukes til å detektere kryssende trafikk som for eksempel fotgjengere. Å kunne forutsi hastighet og bevegelsesretning har hittil vært et stort problem for autonome kjøretøyer.

Denne typen radar åpner for en rekke nye muligheter for bilbransjen. Diverse støtteystemer som avansert sjåførassistanse, dødvinkelovervåkning, automatisk nødbremsassistanse, adaptiv cruise control, "traffic jam" og "highway"-autopilot, kjørefeltassistanse og så videre, kan lett integreres ved hjelp av denne typen radar. Dette var tidligere vært betydelig vanskeligere å realisere.

Bilde: Skjematisk gjengivelse av virkemåten til radarsensorer

LiDAR og lyspulser

I stedet for radiobølger sender LiDAR (Light Detection And Ranging of Laser Imaging Detection And Ranging) ut infrarøde lyspulser for å detektere objekter. Gjennom den høye hastigheten og den lille diameteren lyspulsen har, er LiDAR i stand til å "se" veldig små objekter. LiDAR kan man egentlig se på som den raske full-HD versjonen av den tradisjonelle radaren. Dette gjør det og mulig å gjenskape en 3D-versjon av omgivelsene, en egenskap som kommer veldig godt med i realiseringen av autonom kjøring. Denne teknikken er fortsatt kostbar og LiDAR-sensorene for bruk i kjøretøy er også større enn ønskelig, men eksperter innen bilindustrien tror at LiDAR vil være essensiell for videre utvikling av autonome kjøretøyer.

Bilde: Sjematisk gjengivelse av LiDAR-sensorens virkemåte

Funfact: Visste du at LiDAR-sensorer allerede har funnet veien til mobile telefoner? Nyere generasjoner av Apple iPhone har en slik sensor. Den er å kjenne igjen som det flate, svarte og runde feltet ved siden av kameralinsene. Telefonen har altså muligheten til dybdesyn og det tilbyr enorme muligheter for "utvidet virkelighet", altså augmented reality (AR). I tillegg hjelper LiDAR-sensoren kameraet med å fokusere betydelig raskere og med større nøyaktighet på et objekt.

Solid state LiDAR

I et forsøk på gjøre LiDAR billigere og dermed mer egnet for masseproduksjon, retter bilindustrien seg mer og mer mot "iPhone-aktige" LiDAR-senorer. Disse solid state-sensorene er dessverre ikke i stand til å skape et fullstendig virtuelt miljøbilde mens de roterer, men ved å la ni av denne typen sensorer samarbeide, kan man skape et helhetlig bilde av omgivelsene. Ved siden av de lavere kostnaden, har dette i tillegg fordelen med at man unngår mindre pene "utvekster" på bilen som igjen kommer aerodynamikken og det totale designet til gode. Blant andre Volkswagen, GM og en rekke kinesiske bilmerker har gjort betydelige investeringer i denne teknologien.

FIR og infrarøde lysbølger

Selv om det for øyeblikket blir investert tid og penger i utviklingen av radar og LiDAR for bruk til autonom kjøring, har begge teknologiene sine ulemper. Derfor ser man også nærmere på annen type teknologi som også blir brukt av militæret: Far Infrared Technology (FIR). Et FIR-kamera "ser" infrarøde lysbølger og kan omsette dette til et bilde. Kameraet er i stand til å tolke omgivelsene fordi alle objekter eller materialer har sin egen temperaturstråling.

I motsetning til radar eller LiDAR, kan ikke FIR gjenskape et direkte tredimensjonalt bilde av omgivelsene. Derfor forventer man at flere disse teknologiene vil bli kombinert. Dette vil imidlertid føre til en enorm dataflyt. I tillegg er det også flere produsenter som fokuserer på et kamerasystem for å gjøre autonom kjøring mulig.