В конце января беспилотный автомобиль Waymo, принадлежащий компании Alphabet, двигался недалеко от начальной школы в Санта-Монике, штат Калифорния, когда маленький ребенок внезапно выскочил на улицу . Датчики LiDAR компании Waymo обнаружили ученика, который только что вышел из-за припаркованного внедорожника, но было уже слишком поздно. Несмотря на резкое торможение и снижение скорости с 17 до 6 миль в час, беспилотный автомобиль сбил ребенка, отбросив его на тротуар. К счастью, сообщается, что ребенок получил лишь незначительные травмы , но это вряд ли утешит родителей, чьи дети живут в растущем числе городов , где используются беспилотные автомобили.
В данном случае Waymo обнаружил ребенка, как только тот появился в поле зрения, — но что, если бы он мог «увидеть» его из-за угла? Именно эта идея лежит в основе новых исследований, проводимых в Университете Пенсильвании , где группа инженеров разработала сенсорную систему, использующую радиоволны для обнаружения роботами объектов (или людей), скрытых за стенами.
В ходе испытаний система HoloRadar была установлена на небольших мобильных роботах и успешно распознавала людей сквозь стены, перемещаясь по кампусу. Хотя исследование находится еще на ранней стадии, команда оптимистично настроена на то, что ее сенсорная система может быть интегрирована в роботов, чтобы помочь им более эффективно ориентироваться в окружающей среде. Для беспилотных автомобилей это может сыграть решающую роль в предотвращении будущих столкновений.
«Роботам и автономным транспортным средствам необходимо видеть дальше того, что находится непосредственно перед ними», — сказал старший автор исследования и профессор компьютерных и информационных наук Минмин Чжао в сообщении в блоге Университета Пенсильвании . «Это важный шаг на пути к тому, чтобы дать роботам более полное понимание окружающей среды», — добавил Чжао.
Хотя есть и заметные исключения ( главное из них — Tesla ), большинство новых беспилотных автомобилей используют комбинацию камер, радаров и датчиков LiDAR для «видения» окружающего мира. Системы LiDAR излучают миллионы лазерных импульсов во всех направлениях и измеряют скорость их отражения. Затем эти данные используются для практически мгновенного создания высокодетализированной трехмерной карты окружающей среды автомобиля.
Однако у LiDAR есть ограничения. Большие здания или другие препятствия могут блокировать его лазерные импульсы, не позволяя обнаружить то, что скрыто за углом. Чтобы попытаться решить эту проблему, Чжао и его коллеги решили изучить подход, от которого в значительной степени отказались компании, занимающиеся автономными транспортными средствами: радиоволны.
Ранее исследователи избегали радиосигналов, поскольку они имеют гораздо большую длину волны, чем видимый свет, что приводило к более низкому разрешению и меньшей четкости при обнаружении объектов. Четкость изображения в этом случае имеет решающее значение для определения того, является ли эта масса на улице плавающим пластиковым пакетом или убегающим домашним животным. Команда из Пенсильванского университета в конце концов поняла, что это кажущееся ограничение на самом деле может быть преимуществом, когда речь идет о LiDAR-сканировании за углами.
Радиоволны, излучаемые роботом и попадающие на стену или другую поверхность, намного превышают незначительные неровности этой поверхности. В результате лишь часть радиосигнала проходит через препятствие, а значительная часть отражается обратно к источнику. Исследователи объясняют, что этот эффект, по сути, заставляет поверхности вести себя как зеркала, отражая радиосигналы по предсказуемым траекториям.
HoloRadar использует радиоволны для обнаружения препятствий за углами, что позволяет ему выявлять людей на Т-образных перекрестках, подобных тому, что изображен здесь. Изображение: Сильвия Чжан, инженерный факультет Пенсильванского университета.
«Это похоже на то, как водители-люди иногда полагаются на зеркала, установленные на слепых перекрестках», — заявил в своем сообщении соавтор исследования и аспирант Пенсильванского университета Хаовэнь Лай . «Поскольку HoloRadar использует радиоволны, окружающая среда сама по себе становится наполнена зеркалами, без необходимости фактического изменения окружающей среды».
Чтобы проанализировать все эти данные, исследователи разработали двухкомпонентную модель искусственного интеллекта, которая сначала отфильтровывает ненужную информацию и делает обоснованные предположения о том, что скрывается за углом. Затем система восстанавливает 3D-модель, предоставляя себе визуальное представление того, что находится за стеной. Наконец, пришло время проверить систему на практике, установив ее на мобильного робота и отправив его перемещаться по кампусу. Он преодолел три разных угла и неизменно обнаруживал скрытые от глаз объекты и исследователей.
Может ли использование радиоволн сделать беспилотные автомобили безопаснее?
Ранее в исследованиях в области робототехники предпринимались попытки решить проблему обзора за поворотами, хотя и с ограниченным успехом. В 2019 году группа из Массачусетского технологического института использовала камеру, установленную на крыше беспилотного автомобиля, для сканирования теней на пути движения транспортного средства . Теоретически, система могла бы обнаружить тень приближающегося автомобиля в дальнем конце многоуровневой парковки и сделать вывод о его присутствии. Совсем недавно инженеры из Университета Стоуни-Брук использовали однофотонный лидар для обнаружения следов света даже после того, как он отразился за поворотами. Исследователи отметили, что этот подход был вдохновлен водителями-людьми, которые полагаются на выпуклые зеркала на слепых перекрестках, чтобы видеть за пределами своего непосредственного поля зрения.
Однако проблема обоих этих и других подходов заключается в том, что они в своей основе используют световые волны для обнаружения объектов. Это означает, что они просто не будут работать так же хорошо в условиях смешанного освещения или в темноте. HoloRadar обходит эти ограничения, используя радиоволны. Тем не менее, это не универсальное решение. Исследователи из Пенсильванского университета ясно дают понять, что HoloRadar предназначен для дополнения, а не замены набора сенсорных систем, уже используемых на роботах и беспилотных транспортных средствах.
К лучшему или к худшему, беспилотные автомобили становятся все более распространенным явлением на улицах городов по всему миру. В Соединенных Штатах уже произошли аварии, и по меньшей мере дюжина смертей , и эта цифра почти наверняка возрастет по мере ускорения их внедрения. Оснащение этих роботов на колесах способностью «видеть» сквозь стены могло бы предложить альтернативу.
