Cảm biến Radar tầm ngắn Radar tầm trung Radar tầm dài
Khoảng cách 0 – 50 m 0 -100 m 0 – 250 m
Góc > 80 độ 60 độ 18 độ
3.3. Cảm biến Lidar
3.3.1. Giới thiệu chung
Lidar, đây là viết tắt của cụm từ “Light Detection and Ranging”, công nghệ sử dụng tia laser để phát hiện chướng ngại vật, người đi bộ và phương tiện. Bên cạnh đó cảm biến Lidar còn được dùng để đo khoảng cách xác định vị trí chính xác của phương tiện và xây dựng bản đồ 3D của vật thể, bằng cách phát ra và thu nhận tia laser phản hồi lại rồi phân tích các dữ liệu đó để cho ra kết quả mong muốn. Phạm vi được xác định bằng cách đo khoảng thời gian giữa phát xạ và kết quả phản hồi.
Hình 3.13 Cảm biến lidar
Một thiết bị lidar chủ yếu bao gồm một tia laser, một máy quét và một bộ thu GPS chuyên dụng. Máy bay và trực thăng là những nền tảng được sử dụng phổ biến
nhất để thu thập dữ liệu lidar trên các khu vực rộng lớn. Hai loại lidar là địa hình và đo độ sâu. Máy đo địa hình thường sử dụng tia laser cận hồng ngoại để lập bản đồ
đất liền, trong khi máy đo độ sâu sử dụng ánh sáng xanh xuyên qua nước để đo độ cao đáy biển và đáy sông.
Hình 3.14 Cấu tạo của cảm biến lidar
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến Lidar
Ánh sáng được chiếu vào một mục tiêu và đo thời gian ánh sáng quay trở lại nguồn. Vì ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi và đã biết, nên một thiết bị Lidar có thể đo được “Thời gian bay” hoặc khoảng cách giữa chính nó và mục tiêu một cách chắc chắn. Khi các phép đo này được lặp lại, thiết bị sau đó có thể truyền thông tin đó đến máy tính sẽ xây dựng bản đồ khu vực thu thập dữ liệu. Những hình ảnh đại diện trực quan của các phép đo được gọi là bản đồ “Đám mây điểm”.
Cụ thể hơn, Lidar hoạt động bằng cách bắn ra cực nhanh các chùm tia laser (lên đến 900.000 lần / giây) vào một chủ thể, bề mặt và sau đó đo đạc thời gian để ánh sáng bật ra khỏi mục tiêu đó và quay ngược trở lại.
Vì tốc độ ánh sáng là hằng số bất biến, chúng ta có thể tìm ra khoảng cách đến vật thể theo công thức:
Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng x Thời gian bay) / 2 (3.5)
Vỡi tốc độ ánh sáng được cho là 299,792 km/s
Để phát hiện một đối tượng một cách đáng tin cậy, cần có ít nhất hai lần tín hiệu trả về lidar từ đối tượng. Với độ phân giải a và khoảng cách r và khoảng cách giữa 2 điểm góc quét nhỏ nhất của cảm biến là d có thể được tính bằng công thức như sau: Vì r >> d, nên: d 2.r.sin(a / 2) d a.r (3.6) (3.7) Để có thể nhìn thấy một vật thể có kích thước l trong phạm vi khoảng cách r, vật thể đó phải rộng ít nhất 2d để đảm bảo hai lần tín hiệu trả về cảm biến Lidar, giả sử là quét một lớp. Các Lidar thường có độ phân giải góc cao, cho phép phát hiện ngay cả những vật thể nhỏ ở khoảng cách khá lớn. Độ phân giải góc cần thiết để phát hiện một vật thể có kích thước l ở khoảng cách r có thể được sử dụng bằng phương trình như sau:
a l
2r (3.8)
3.3.3. Phân loại cảm biến lidar ô tô
Lidar bao gồm một thiết bị khá nhỏ gọn với các ống kính để phát xạ các chùm tia laser và một ống kính để chụp các chùm phản xạ. Chúng được đặt trên nóc xe, trước gương chiếu hậu để có hình ảnh tốt hơn. Có thể sử dụng thiết bị kết hợp cảm biến Lidar với một máy quay video để nhận dạng dòng Lane, người đi bộ hoặc tín hiệu giao thông. Chúng được sử dụng chủ yếu cho các hệ thống phanh khẩn cấp tự động. Ví dụ, Volvo và Ford thường sử dụng các thiết bị đó. Mặt khác, cảm biến lidar có nắp xoay 360 độ. Giúp cảm biến lidar thu được hình ảnh tổng quát về mọi đối tượng xung quanh xe.
Hình 3.17 Cảm biến lidar của thương hiệu Velodyne
Ba mô hình LIDAR từ thương hiệu Velodyne (từ trái sang phải): HDL-64E, HDL-32E và VLP-16 (puck).
Ouster Lidar: Đây là một thiết bị đặc biệt chụp môi trường dưới dạng hình ảnh và sau đó tạo đám mây điểm lidar từ hình ảnh.
Cảm biến lidar HDL-64E của Velodyne phát ra 64 chùm tia laser và góc quay 360 độ với tốc độ 900 lượt mỗi phút, với tối đa 2,2 triệu điểm mỗi giây có tác dụng nắm bắt toàn bộ môi trường của xung quanh xe. Nó có phạm vi 50m cho vỉa hè và 120m cho xe, người đi bộ và cây cối. Velodyne cũng đã phát triển các mặt hàng nhỏ gọn và rẻ hơn khác. Ví dụ: trong nguyên mẫu đầu tiên của Ford Mondeo tự lái, 4 cảm biến lidar HDL-32E được sử dụng. Mỗi lần phát ra 32 chùm tia laser, chúng cũng xoay quanh chính mình 360 độ với tốc độ 600 lượt mỗi phút, chụp lên tới 0,7 triệu điểm mỗi giây. Phạm vi nằm trong khoảng từ 80 đến 100m từ các phương tiện đối tượng, người đi bộ và cây cối. Tổng cộng có hơn 2,5 triệu điểm được xử lý mỗi giây. Cảm biến lidar hiện đại có cấu tạo nhỏ gọn và rẻ hơn nhiều là cảm biến lidar
VLP-16. Có ba biến thể: puck, puck lite và puck hi-res. Nó phát ra 16 chùm tia laser, xoay 360 độ, bao gồm tới 0,3 triệu điểm mỗi giây và đạt tới phạm vi lên tới 100 mét. Không phải tất cả các nhà sản xuất ô tô đều sử dụng các thiết bị lidar 360 độ theo nguyên mẫu của những chiếc xe tự lái (bởi vì giá của các loại cảm biến này hoặc sự khó khăn của các cảm biến này về tích hợp thẩm mỹ). Đôi khi họ thích sử dụng nhiều máy quay video độ phân giải cao được bổ sung hình ảnh bởi radar tầm ngắn và tầm dài vẫn đem lại hình ảnh tối ưu và tính thẩm mỹ cao. Các cảm biến lidar có góc quay 360 độ thường rất cồng kềnh, mong manh (thiết lập cơ học có thể gây ra nhiễu loạn) và đắt tiền. Tuy nhiên, với sự ra đời của các cảm biến với góc quay nhỏ có trạng thái rắn và giá rẻ, chúng ta vẫn có thể đạt được chức năng tương tự ở một yếu tố hình thức tuyệt vời (thiết bị nhỏ gọn). Tuy nhiên, chúng bị giới hạn trong lĩnh vực xem, thường dao động từ 90-120 độ. Điều này có thể được bù bằng cách sử dụng nhiều thiết bị để chụp cảnh như camera và radar.. Mặc dù có những hạn chế trong phạm vi dựa trên đối tượng, những chiếc xe tự lái có thể phát hiện các đối tượng miễn là các đối tượng này ở trong phạm vi của LiDAR.
3.4. Cảm biến camera
3.4.1. Giới thiệu chung
Camera có công dụng giúp người lái quan sát một cách bao quát từ mọi góc với hình ảnh xung quanh chiếc ô tô, hỗ trợ quan sát mọi góc khuất, điểm mù mà bằng mắt thường khó nhìn thấy.
3.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến camera
Camera có khả năng ghi hình theo thời gian thực, truyền về bộ điều khiển tổng để xử lý và hiển thị lên màn hình ô tô thông minh, giúp mở rộng tầm nhìn từ mọi hướng khi lái xe.
Khi camera hoạt động hình ảnh được đi qua ống kính camera quan sát và hình thành trên mặt cảm biến CCD (cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện) sử dụng CFA – màng lọc màu (một tập hợp các bộ lọc quang học để hình thành tín hiệu màu). Cung cấp cho các bộ chuyển đổi analog và tín hiệu số hình thành được truyền trực tiếp đến chip. Qua chip và bộ khuếch đại các tín hiệu video được tạo ra.
Hình 3.19 Cảm biến CCD
3.4.3. Phân loại cảm biến camera
3.4.3.1. Camera hành trình trước xe
a. Giới thiệu chung camera hành trình trước xe
Camera hành trình ô tô còn gọi là hệ thống đa cảm biến với camera. Đây là thiết bị được lắp đặt trên ô tô với mục đích theo dõi hành trình xe, chỉ đường thông qua hệ thống GPS, đọc biển báo giao thông, cảnh báo tốc độ xe và các phương tiện khác trong suốt quá trình di chuyển.
Ngày nay, với công nghệ phát triển, các nhà sản xuất linh kiện đã phát minh ra nhiều loại camera hành trình ô tô với vị trí và mục đích sử dụng khác nhau. Bên cạnh các loại camera truyền thống, camera lùi ô tô, camera gương chiếu hậu thì camera phía trước xe ô tô là một trang bị hỗ trợ hành trình vô cùng cần thiết cho xế hộp.
Camera trước xe ô tô là loại camera được lắp đặt ở phía trước xe giúp tài xế sẽ dễ dàng quan sát được tất cả những gì xảy ra phía trước hoặc hai bên đầu xe trong quá trình vận hành hoặc dừng, đỗ xe.
Hình 3.20 Camera trước xe ô tô hỗ trợ hành trìnhb. Công dụng b. Công dụng
Sở hữu “hệ thống đa cảm biến”, camera trước xe ô tô giúp người lái phát hiện các rủi ro phía trước xe bằng công nghệ xử lý hình ảnh chất lượng cao.
Theo đó, camera sẽ quan sát diễn biến và truyền thông tin về màn hình được lắp đặt ở khoang lái, khi gặp các tình huống sẽ phát âm thanh hoặc truyền tín hiệu cảnh báo đến màn hình. Đây là một “trợ lý” đáng tin cậy giúp người điều khiển phương tiện có thể dễ dàng di chuyển trong các khu vực đông dân cư, đường xá nhỏ hẹp, ngõ chợ hoặc bờ mương.
Hình 3.21 Camera trước xe ô tô phát hiện rủi ro nhanh chóng, hiệu quả Không chỉ quan sát diễn biến giao thông, hệ thống camera trước xe ô tô còn Không chỉ quan sát diễn biến giao thông, hệ thống camera trước xe ô tô còn giúp chủ xe lưu trữ hình ảnh ở mọi thời điểm để phục vụ cho việc kiểm chứng và tìm kiếm lại thông tin hành trình.
Đối với hệ thống này, một camera trước xe ô tô có khả năng đảm nhận nhiều vai trò để giúp tránh các rủi ro khác nhau có thể xảy ra phía trước và bên hông xe.
- Camera lắp đặt ở phía trước ô tô giúp người lái ghi lại những hình ảnh hoặc diễn biến xảy ra trong quá trình xe di chuyển:
+ Cảnh báo va chạm phía trước: Camera phát hiện vật cản hoặc các phương tiện giao thông phía trước xe và truyền thông tin tới hệ thống màn hình, phát ra âm thanh hoặc tín hiệu cảnh báo.
+ Quan sát người đi bộ: Khi phát hiện người đi bộ gần vị trí xe, camera sẽ ghi lại hình ảnh và truyền thông tin đến màn hinh chính. Điều này nhắc nhở người lái giảm tốc độ kịp thời và giúp giảm thiểu tai nạn ngoài ý muốn do lái xe bất cẩn.
+ Cảnh báo chệch làn đường: Camera phát hiện xe lấn làn trong quá trình di chuyển giúp người điều khiển tránh khỏi những lỗi cơ bản khi tham gia giao thông.
- Camera trước xe ô tô là minh chứng cho người điều khiển phương tiện trong trường hợp không may gặp phải sự cố va chạm hoặc trường hợp bạn bị phạt nhầm.
- Cùng với các hệ thống camera khác, camera trước xe ô tô có khả năng quan sát diễn biến bất thường, đặc biệt là tình huống trộm cắp khi chủ xe không ở gần.
- Không chỉ vậy, camera trước xe ô tô còn được xem là một thiết bị giải trí thu nhỏ giúp lưu giữ những cung đường và những khoảnh khắc đẹp trong quá trình tham gia giao thông hằng ngày.
c. Phân loại
Nhằm đáp ứng tối đa mục đích sử dụng của người điều khiển xe, hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại camera trước xe ô tô tích hợp nhiều tính năng hiện đại, vượt trội. Dưới đây là phân loại các dòng camera trước phổ biến:
- Camera góc rộng, 360 độ:
Theo kinh nghiệm thực tế của các nhà sản xuất phụ tùng và tài xế, thiết bị ghi hình có góc quan sát rộng bao nhiêu thì khả năng bao quát tình huống càng tốt bấy nhiêu. Bởi vậy các nhà cung cấp đã đưa ra thị trường những sản phẩm có ống kính
góc rộng từ 150 - 170 độ. Điều này giúp người tài xế đảm bảo góc nhìn bao quát khi điều khiển, tránh góc khuất, hạn chế điểm mù.
- Camera hồng ngoại, ban đêm:
Camera trước xe ô tô hồng ngoại cũng công cụ hỗ trợ đắc lực cho người sử dụng trong việc di chuyển trong điều kiện cung đường tối hẹp, thiếu ánh sáng vào ban đêm. Đồng thời loại camera này còn hỗ trợ lùi, tấp hoặc đỗ xe vào buổi tối.
- Camera không dây, tích hợp Wifi:
Thông thường camera trước xe ô tô được nhà sản xuất tích hợp tính năng kết nối các mạng không dây (như Wifi hay Bluetooth). Điều này giúp máy ghi hình này có thể kết nối trực tiếp tới hệ thống màn hình trung tâm của ô tô, thiết bị điện thoại, máy tính để truyền tải dữ liệu trực tiếp cho chủ phương tiện trong khi tham gia giao thông hoặc ngay cả khi không có mặt trên xe.
- Tích hợp với camera hành trình:
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, tân tiến, camera trước xe ô tô được tích hợp với hệ thống các loại camera hành trình khác trên ô tô như: camera lùi xe ô tô, camera gương chiếu hậu... Các hình ảnh này được tổng hợp và truyền dữ liệu về hệ thống màn hình trung tâm cùng một lúc giúp người lái bao quát được mọi diễn biến và xử lý tình huống tốt trong quá trình điều khiển xe.
3.4.3.2. Camera hành trình gương chiếu hậu
a. Giới thiệu chung camera hành trình gương chiếu hậu
Hình 3.22 Một số xe thay thế gương chiếu hậu bằng camera
Camera hành trình gương là phụ kiện xe được kẹp trên gương chiếu hậu. Thiết bị này có hai mắt với chế độ ghi hình đồng thời cả trước và sau xe. Ngoài ra, thiết bị được tích hợp tính năng định vị GPS, gương chiếu hậu, camera lùi và chống lóa, nhờ đó mang lại nhiều tiện ích cho chủ phương tiện.
b. Công dụng
Camera hành trình gương chiếu hậu có các công dụng sau: - Bảo vệ chủ xe:
Camera hành trình gương chiếu hậu hầu hết được sử dụng với mục đích an ninh. Mọi hình ảnh trong quá trình chạy xe đều được ghi lại, đó là bằng chứng bảo vệ người điều khiển trong mọi tình huống giao thông.
- Bảo vệ xe:
Thông thường các chủ xe dễ gặp phải các tình huống như mất gạt nước, mất đồ trong xe, bị bẻ gương hay va chạm trong khi đỗ,… Với chức năng quay video tự động 24/24, camera gắn gương chiếu hậu sẽ thay người dùng bảo vệ xe. Chủ phương tiện có thể yên tâm hơn mỗi khi đưa xe đi sửa chữa, cho mượn xe hay gửi hoặc đỗ xe bên ngoài.
- Mang lại lợi ích cho cộng đồng
Ngoài những lợi ích thiết thực cho cá nhân, camera hành trình gương còn mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng. Khi mỗi chiếc xe đều được gắn camera lưu động, bản thân người lái sẽ có ý thức, trách nhiệm hơn khi tham gia lưu thông trên đường, nhờ vậy mà giảm thiểu tình trạng vi phạm luật giao thông.
3.4.3.3. Camera lùi
a. Giới thiệu chung camera lùi
Hình 3.23 Camera lùi xe ô tô hỗ trợ tầm nhìn phía sau xe
Camera lùi (Camera hành trình sau xe) là một loại camera đặc biệt được gắn vào phía sau ô tô để cung cấp tầm nhìn, diễn biến giao thông phía sau xe. Cùng với
camera hành trình ô tô, thiết bị ghi hình hỗ trợ lùi xe này trở thành một trong những trang bị không thể thiếu trên mỗi chiếc xe.
b. Công dụng
Đảm nhận vai trò như “con mắt thứ ba”, camera lùi xe ô tô không chỉ hỗ trợ quan sát và bảo vệ an toàn tối đa cho người điều khiển, mà còn là thiết bị xóa bỏ hoàn toàn những hạn chế của gương chiếu hậu. Nếu không được trang bị camera