Радиоволны могут помочь беспилотным автомобилям увидеть за углом.
В конце января беспилотный автомобиль Waymo, принадлежащий Alphabet, ехал возле начальной школы в Санта-Монике, Калифорния, когда внезапно на дорогу выбежал маленький ребёнок. Датчики LiDAR от Waymo обнаружили ученика, который только что появился из-за припаркованного внедорожника, но было уже поздно. Несмотря на резкое торможение и снижение скорости с 17 до 6 миль в час, беспилотный автомобиль сбил ребёнка, повалив его на тротуар. К счастью, по сообщениям, ребёнок получил лишь незначительные травмы, но это, вероятно, мало утешит родителей, чьи дети живут в растущем числе городов, где работают беспилотные автомобили.
В этом случае Waymo обнаружила ребёнка, когда тот оказался в поле зрения — но что, если бы она могла «увидеть» его из-за угла? В этом и заключается основная идея новых исследований, проведённых в Пенсильванском университете, где группа инженеров разработала систему датчиков, использующую радиоволны для помощи роботам в обнаружении объектов (или людей), скрытых за стенами.
В ходе испытаний система HoloRadar была установлена на небольших мобильных роботов и успешно идентифицировала людей через стены во время перемещения по кампусу. Хотя исследования всё ещё находятся на ранней стадии, команда с оптимизмом смотрит на то, что её система датчиков может быть интегрирована в роботов, чтобы помочь им более эффективно ориентироваться в окружающей среде. Для беспилотных автомобилей это может стать решающим фактором в предотвращении будущих столкновений.
«Роботам и автономным транспортным средствам необходимо видеть не только то, что находится прямо перед ними, — сказал старший автор исследования и профессор информатики Минмин Чжао в сообщении в блоге Пенсильванского университета. — Это важный шаг к тому, чтобы дать роботам более полное представление об их окружении», — добавил Чжао.
Использование радиоволн для «видения» за стенами
Хотя есть несколько заметных исключений (например, Tesla), большинство новых беспилотных транспортных средств используют комбинацию камер, радаров и датчиков LiDAR для «видения» окружающего мира. Системы LiDAR излучают миллионы лазерных импульсов во всех направлениях и измеряют, как быстро эти импульсы отражаются обратно. Затем системы используют эти данные для почти мгновенного создания высокодетализированной 3D-карты окружения автомобиля.
Но у LiDAR есть ограничения. Большие здания или другие препятствия могут блокировать его лазерные импульсы, не позволяя обнаружить то, что спрятано за углом. Чтобы попытаться решить эту проблему, Чжао и его коллеги решили изучить подход, который в значительной степени был оставлен компаниями, занимающимися автономными транспортными средствами: использование радиоволн. Исследователи ранее избегали радиосигналов, потому что они создают гораздо более длинные волны, чем видимый свет, что приводит к более низкому разрешению и меньшей чёткости при обнаружении объектов. Чёткость изображения в этом случае имеет решающее значение для определения того, является ли этот объект на улице плавающим полиэтиленовым пакетом или убегающим домашним животным. Команда из Пенна в конце концов поняла, что это очевидное ограничение на самом деле может быть преимуществом, когда дело доходит до того, чтобы LiDAR видел за углами.
Радиоволны, излучаемые роботом, который сталкивается со стеной или другой поверхностью, намного больше, чем небольшие изменения поверхности на этой стене. В результате только часть радиосигнала проходит мимо препятствия, в то время как значительная часть отражается обратно к источнику. Исследователи объясняют, что этот эффект по сути заставляет поверхности вести себя как зеркала, отражая радиосигналы по предсказуемым схемам.
HoloRadar использует радиоволны для «видения» за углами, позволяя обнаруживать людей на Т-образных перекрёстках, подобных изображённому здесь. Изображение: Сильвия Чжан, Penn Engineering.
«Это похоже на то, как водители-люди иногда полагаются на зеркала, установленные на слепых перекрёстках, — сказал соавтор исследования и докторант Пенсильванского университета Хаовэнь Лай в заявлении. — Поскольку HoloRadar использует радиоволны, окружающая среда сама становится полна зеркал, без необходимости фактически изменять среду».
Чтобы обработать все эти данные, исследователи разработали модель искусственного интеллекта, состоящую из двух частей, которая сначала фильтрует ненужную информацию и делает обоснованные предположения о том, что скрыто за углом. Затем система реконструирует 3D-модель, предоставляя ей визуальное представление того, что находится за стеной. Наконец, пришло время испытать систему, установив её на мобильного робота и отправив его бродить по кампусу. Он преодолел три разных угла и последовательно обнаружил объекты и исследователей, скрытых из виду.
Могут ли радиоволны сделать беспилотные автомобили более безопасными?
Ранее исследования в области робототехники пытались решить проблему «видения» за углами, хотя и с ограниченным успехом. В 2019 году команда из Массачусетского технологического института использовала камеру, установленную на вершине беспилотного автомобиля, для сканирования теней на пути автомобиля. Теоретически система могла обнаружить тень приближающегося автомобиля в дальнем конце парковочного гаража и определить его присутствие. Совсем недавно инженеры из Университета Стони Брук использовали однофотонный LiDAR для обнаружения следов света даже после того, как он отражался от углов. Исследователи отметили, что этот подход был вдохновлён водителями, которые полагаются на выпуклые зеркала на слепых перекрёстках, чтобы видеть за пределами своего непосредственного поля зрения.
Однако проблема с обоими этими и другими подходами заключается в том, что они в основе своей полагаются на световые волны. Это означает, что они просто не будут работать так же хорошо в условиях смешанного освещения или в темноте. HoloRadar обходит эти ограничения, используя радиоволны. Однако это не универсальное решение. Исследователи из Пенна ясно дают понять, что HoloRadar предназначен для того, чтобы дополнять, а не заменять массив сенсорных систем, уже используемых на роботах и автономных транспортных средствах.
К лучшему или к худшему, беспилотные транспортные средства становятся всё более распространёнными на улицах городов по всему миру. Аварии, и по меньшей мере дюжина смертей в Соединённых Штатах, уже произошли, и эта цифра почти наверняка возрастёт по мере ускорения их внедрения.