لیدار (Lidar)، مخفف Light Detection and Ranging (تشخیص و فاصله‌یابی با نور)، یک فناوری حسگر پیشرفته است که از نور لیزر برای درک دقیق محیط اطراف استفاده می‌کند. در صنعت خودرو، لیدار به طور فزاینده‌ای در سیستم‌های پیشرفته کمک‌راننده (ADAS) و به‌ویژه به عنوان یک حسگر کلیدی در سیستم‌های رانندگی خودکار در حال توسعه مورد استفاده قرار می‌گیرد. لیدار نقشی حیاتی در ایجاد نقشه‌ای سه‌بعدی دقیق از محیط اطراف خودرو ایفا می‌کند و به خودرو اجازه می‌دهد تا اشیاء، عابران پیاده، سایر وسایل نقلیه و ساختارهای محیطی را با دقت بالایی تشخیص دهد.
مفهوم، تعریف و جایگاه لیدار به عنوان یک حسگر پیشرفته در خودرو
مفهوم لیدار در خودرو در توانایی آن برای ایجاد تصویری دقیق و سه‌بعدی از محیط با استفاده از نور لیزر است. تعریف لیدار به عنوان یک روش سنجش از راه دور که با ارسال پالس‌های نور (معمولاً در طیف فروسرخ) به سمت اشیاء و اندازه‌گیری نور بازتابی، فاصله آن‌ها را تعیین می‌کند. این فناوری با اندازه‌گیری زمان رفت و برگشت پالس‌های لیزر، فاصله تا هر نقطه از سطح اشیاء را محاسبه می‌کند و این اطلاعات را برای ساخت نقشه‌ای سه‌بعدی از محیط استفاده می‌کند. جایگاه آن به عنوان یک حسگر پیشرفته در خودرو به دلیل توانایی آن در فراهم کردن اطلاعات سه‌بعدی دقیق از شکل و موقعیت اشیاء و ساختار محیط اطراف است که برای درک محیط در رانندگی خودکار در سطوح بالا بسیار ارزشمند است.
نحوه عملکرد لیدار: ارسال پالس‌های لیزر، اندازه‌گیری زمان بازگشت و ایجاد ابر نقطه سه‌بعدی محیط
نحوه عملکرد لیدار بر پایه اصل “زمان پرواز” (Time-of-Flight – ToF) پالس‌های نور استوار است:
- ارسال پالس‌های لیزر: فرستنده لیدار، پالس‌های بسیار کوتاه و متمرکز نور لیزر را با سرعت بسیار بالا به سمت محیط اطراف ارسال می‌کند.
- برخورد و بازگشت نور: هنگامی که یک پالس لیزر به سطح یک شیء (مانند خودروی دیگر، دیوار، درخت، عابر پیاده) برخورد می‌کند، بخشی از نور بازتاب شده و به سمت گیرنده لیدار بازمی‌گردد.
- اندازه‌گیری زمان بازگشت: گیرنده لیدار، زمان دقیق لازم برای بازگشت هر پالس لیزر را از لحظه ارسال اندازه‌گیری می‌کند.
- محاسبه فاصله: با توجه به سرعت ثابت نور، سیستم لیدار با استفاده از زمان اندازه‌گیری شده برای رفت و برگشت هر پالس، فاصله دقیق تا نقطه‌ای که پالس به آن برخورد کرده را محاسبه می‌کند.
- ایجاد ابر نقطه سه‌بعدی: لیدار با ارسال میلیون‌ها پالس لیزر در جهات مختلف (با استفاده از اسکنرها یا روش‌های دیگر) و اندازه‌گیری فاصله برای هر نقطه، مجموعه‌ای از نقاط (ابر نقطه – Point Cloud) با مختصات سه‌بعدی دقیق در فضا ایجاد می‌کند. این ابر نقطه سه‌بعدی محیط نمایانگر شکل، ابعاد و موقعیت اشیاء و ساختارهای موجود در محیط اطراف خودرو با جزئیات بالا است.
این فرآیند با سرعت بسیار بالا تکرار می‌شود تا نقشه‌ای لحظه‌ای و به‌روز از محیط اطراف خودرو ایجاد شود.
انواع فناوری لیدار در صنعت خودرو (مکانیکی، حالت جامد) و روند توسعه آن‌ها
در صنعت خودرو، انواع مختلفی از فناوری لیدار در حال توسعه و استفاده هستند که تفاوت اصلی آن‌ها در نحوه اسکن محیط و وجود قطعات متحرک است:
- لیدار مکانیکی (Mechanical Lidar): این نوع لیدار از یک بخش چرخان فیزیکی برای اسکن محیط اطراف استفاده می‌کند (معمولاً با چرخش ۳۶۰ درجه). این نوع لیدار قادر به ایجاد نقشه سه‌بعدی با پوشش وسیع است و در نسل‌های اولیه خودروهای خودران و نمونه‌های اولیه مورد استفاده قرار می‌گرفت. با این حال، دارای قطعات متحرک است که می‌تواند بر دوام، هزینه و ظاهر خودرو تأثیر بگذارد.
- لیدار حالت جامد (Solid-State Lidar): این فناوری جدیدتر فاقد قطعات متحرک فیزیکی بزرگ برای اسکن است و از روش‌های دیگری (مانند MEMS mirrors, OPA – Optical Phased Arrays, Flash Lidar) برای هدایت پرتوهای لیزر و اسکن میدان دید استفاده می‌کند. لیدار حالت جامد کوچکتر، بادوام‌تر، قابل ادغام راحت‌تر در بدنه خودرو و پتانسیل هزینه کمتری در تولید انبوه دارد.
انواع فناوری لیدار در صنعت خودرو در حال حاضر به سرعت در حال پیشرفت هستند و روند توسعه آن‌ها به سمت لیدارهای حالت جامد با رزولوشن بالاتر، قیمت پایین‌تر، اندازه کوچکتر و قابلیت اطمینان بیشتر برای ادغام گسترده‌تر در خودروهای تولید انبوه برای سطوح بالاتر رانندگی خودکار پیش می‌رود.
مزایا و محدودیت‌های کلیدی استفاده از لیدار (دقت سه‌بعدی، هزینه) در مقایسه با رادار و دوربین برای رانندگی خودکار
استفاده از لیدار در سیستم‌های خودروهای خودران دارای مزایا و محدودیت‌های کلیدی در مقایسه با سایر حسگرهای رایج مانند رادار و دوربین است:
- مزایا:
- دقت سه‌بعدی بسیار بالا: لیدار قادر به اندازه‌گیری دقیق فاصله تا نقاط مختلف اشیاء و ایجاد نقشه‌ای سه‌بعدی با جزئیات بالا است که برای تشخیص شکل و ابعاد اشیاء و ساخت مدل‌های دقیق از محیط حیاتی است.
- اندازه‌گیری فاصله دقیق و مستقل از نور محیط: لیدار فاصله را مستقیماً با اندازه‌گیری زمان بازگشت پالس لیزر محاسبه می‌کند و تحت تأثیر رنگ اشیاء یا میزان نور محیط (روز یا شب) قرار نمی‌گیرد.
- رزولوشن فضایی بالا: قادر به تفکیک اشیاء نزدیک به هم یا جزئیات کوچک در محیط است.
- محدودیت‌ها:
- عملکرد در آب و هوای نامساعد شدید: پالس‌های لیزر می‌توانند در مه بسیار متراکم، برف سنگین یا باران شدید تضعیف، جذب یا منحرف شوند که عملکرد لیدار را در این شرایط محدود می‌کند.
- حساسیت به آلودگی: برف، یخ، گل یا کثیفی روی لنز لیدار می‌تواند دید آن را مسدود یا مختل کند.
- هزینه: لیدار، به‌خصوص انواع مکانیکی، هنوز گران‌تر از حسگرهای دوربین یا رادار است، اگرچه قیمت لیدرهای حالت جامد در حال کاهش است.
- چالش‌های ادغام ظاهری: ادغام لیدار در طراحی بدنه خودرو بدون آسیب رساندن به آیرودینامیک یا زیبایی ظاهر می‌تواند چالش‌برانگیز باشد (هرچند لیدرهای حالت جامد این مشکل را کاهش می‌دهند).
مزایا و محدودیت‌های کلیدی استفاده از لیدار در مقایسه با رادار و دوربین برای رانندگی خودکار نشان می‌دهد که هیچ حسگر واحدی برای پوشش تمام نیازهای درک محیط کافی نیست.
نقش محوری لیدار در سیستم‌های رانندگی خودکار سطح بالا و ادغام آن در ترکیب حسگرها (Sensor Fusion)
لیدار ایفا کننده نقش محوری در سیستم‌های رانندگی خودکار سطح بالا (مانند سطوح ۳، ۴ و ۵ اتوماسیون بر اساس استاندارد SAE) است و معمولاً به عنوان یک حسگر ضروری برای این سطوح در نظر گرفته می‌شود. توانایی آن در ایجاد نقشه سه‌بعدی دقیق، تشخیص اشیاء با ابعاد مختلف و فراهم کردن اطلاعات هندسی دقیق از محیط، برای درک کامل محیط، مکان‌یابی دقیق خودرو (Localization) در نقشه سه‌بعدی و برنامه‌ریزی مسیر در سناریوهای پیچیده رانندگی خودکار حیاتی است.
به دلیل محدودیت‌های هر حسگر به تنهایی، سیستم‌های رانندگی خودکار از ترکیب حسگرها (Sensor Fusion) استفاده می‌کنند. داده‌های لیدار با داده‌های دوربین (برای تشخیص نوع اشیاء، خواندن علائم، درک معنای صحنه) و رادار (برای اندازه‌گیری دقیق سرعت نسبی در تمام شرایط آب و هوایی و دیدن از میان برخی موانع) ترکیب می‌شوند. ادغام آن در ترکیب حسگرها (Sensor Fusion) نقشی کلیدی در ایجاد یک مدل جامع، قابل اطمینان، مقاوم در برابر خطا و افزونه (Redundant) از محیط اطراف خودرو ایفا می‌کند که برای تصمیم‌گیری‌های ایمن و دقیق در رانندگی خودکار در شرایط مختلف ضروری است.
نتیجه‌گیری
لیدار (Lidar) یک فناوری حسگر پیشرفته است که با مفهوم، تعریف و جایگاه آن به عنوان یک حسگر پیشرفته در خودرو، نقشی فزاینده در سیستم‌های ایمنی و رانندگی خودکار ایفا می‌کند. نحوه عملکرد لیدار: ارسال پالس‌های لیزر، اندازه‌گیری زمان بازگشت و ایجاد ابر نقطه سه‌بعدی محیط، امکان درک دقیق و سه‌بعدی از محیط اطراف خودرو را فراهم می‌کند. انواع فناوری لیدار در صنعت خودرو (مکانیکی، حالت جامد) و روند توسعه آن‌ها به سمت راه‌حل‌های کوچکتر و ارزان‌تر پیش می‌رود. با وجود محدودیت‌های کلیدی استفاده از لیدار (دقت سه‌بعدی، هزینه) در مقایسه با رادار و دوربین، مزایای منحصر به فرد آن، نقش محوری لیدار در سیستم‌های رانندگی خودکار سطح بالا و ادغام آن در ترکیب حسگرها (Sensor Fusion) را حیاتی ساخته است. لیدار به عنصری کلیدی در فناوری‌های پیشران برای آینده حمل و نقل خودکار در سطح جهانی تبدیل شده است.
