Toshiba разрабатывает первый в мире LiDAR с точностью отслеживания 99,9%

Корпорация Toshiba (ТОКИО) объявила о первых в мире достижениях в области LiDAR: технологий, которые обеспечивают непревзойденную точность 99,9% *2 при отслеживании объектов и распознавании объектов 98,9% на основе данных, полученных только с помощью LiDAR. Эти технологии также значительно улучшают экологическую устойчивость и возможности использования LiDAR во многих различных приложениях.

LiDAR, обнаружение света и определение дальности, в котором используется лазер для измерения расстояний до объектов, уже давно стал основой современных систем вождения и автономного вождения.

Совсем недавно в сочетании с камерами его стали использовать для создания цифровых двойников — виртуальных копий реальных объектов и систем, которые можно использовать для моделирования производительности с целью выявления проблем и улучшения операций во многих отраслях.

Цифровые двойники отличаются от типичных симуляций тем, что они могут отражать реальные изменения в реальном времени. До сих пор моделирование не могло отследить износ оборудования в том виде, в котором он произошел, но теперь датчики и искусственный интеллект могут собирать и анализировать огромные объемы данных от действующих производственных линий и оборудования, обеспечивая точное воспроизведение реальных событий в виртуальной форме.

Помимо цифровых двойников оборудования, которые моделируют конкретные процессы, в настоящее время возникает растущая потребность в пространственных цифровых двойниках — способности воспроизводить целые заводы или городские территории (рис. 1). Создание этих передовых цифровых двойников будет способствовать автоматизации всех видов мобильного оборудования и общей оптимизации заводов и логистических складов. В городах они позволят смягчить проблемы, подобные тем, которые возникают в результате аварий и заторов на дорогах (рис. 2).

Создание пространственных цифровых двойников требует широкомасштабных высокоточных технологий космического зондирования, способных распознавать и отслеживать объекты даже в плохую погоду. LiDAR рассматривается как технология, отвечающая этим требованиям. Поскольку точное распознавание и отслеживание с помощью данных, полученных только благодаря LiDAR, затруднено, оно часто используется с камерой, а 3D-данные из LiDAR объединяются с 2D-данными камеры. Однако полное устранение пространственного несовпадения между данными затруднено, а точность также ухудшается из-за плохой погоды, такой как дождь или туман, или при наличии слепых зон из-за особенностей места установки.

Toshiba продвинулась в реализации высокоточных пространственных цифровых двойников с помощью трех первых в мире технологий LiDAR.

1. 2D/3D Fusion AI

Возможность точного распознавания и отслеживания объектов, используя только данные, полученные с помощью LiDAR.
Понимая, что LiDAR получает как 2D-данные по яркости, так и 3D-данные, Toshiba объединила эти данные и применила искусственный интеллект для распознавания объектов (рис. 3, внизу).

Поскольку все данные собираются с одних и тех же пикселей LiDAR одновременно, нет необходимости регулировать угол обзора или частоту кадров, что требуется при использовании камеры с LiDAR (рис. 3, вверху). Искусственный интеллект устраняет ухудшение точности, возникающее из-за ошибок коррекции смещения и вибрации. Он распознаёт объекты, в том числе транспортные средства и людей, с самой высокой в мире точностью 98,9% и отслеживает их с точностью 99,9% без камеры и освещения даже в ночное время суток (рис.4).



2. Алгоритм удаления дождя и тумана.

Минимизация влияния дождя и тумана, которые ухудшают точность измерений LiDAR.
Производители LiDAR включают в свои продукты функцию мультиэха, предназначенную для обнаружения только отраженного света от объектов. Однако во время дождя или тумана выделение слабых отраженных световых сигналов от объектов затруднено и вызывает проблемы с точностью.

Решение Toshiba представляет собой алгоритм, использующий АЦП для преобразования аналоговых данных света, отраженного объектами под дождем и туманом, в цифровые значения интенсивности отраженного света.

Алгоритм использует характерную форму волны отраженного света от дождя или тумана для определения погодных условий и удаляет всю форму волны, определенную как дождь или туман (рис.5). Тестирование показало, что алгоритм увеличил обнаруживаемое расстояние вдвое: с 20 м до 40 м при сильном дожде со скоростью 80 мм в час и с 17 м до 35 м в тумане при видимости 40 м (рис.6).




3. Технология переменного диапазона измерения.

Изменение диапазона определяется расстоянием и углом обзора LiDAR.
В новой технологии LiDAR, которую Toshiba представила в марте 2022 года, используются два проектора, размер которых уменьшен до 71 см 3 *3, что позволяет увеличить дальность действия в 1,5 раза и улучшить широкоугольное изображение, одновременно отвечая стандартам безопасности для глаз. Сейчас компания изменила количество проекторов и конфигурацию объектива (рис.7, вверху), еще больше расширив ассортимент и угол обзора в шесть раз.

В ходе испытаний была достигнута дальность действия 120 м при горизонтальном угле обзора 60° (Г) и вертикальном угле 34° (В) (рис.7).
Дальность действия 350 м (самое большое измеренное расстояние в мире) была достигнута при угле обзора 24°(Г) × 12°(В) (рис.8).

Это достижение открывает путь к пространственным цифровым двойникам для мониторинга инфраструктуры, такой как автомобильные и железные дороги, которые требуют измерения на больших расстояниях, а также работы на заводах и складах автоматизированных управляемых транспортных средств, требующих широкого угла обзора.
Три новые технологии значительно расширяют потенциал LiDAR от Toshiba и будут способствовать созданию пространственных цифровых двойников.


Toshiba продолжит исследования и разработку экологически безопасных LiDAR и намерена вывести на рынок полупроводниковые продукты *6 в 2025 финансовом году. Компания будет способствовать построению безопасного и надежного общества с устойчивой инфраструктурой, продвигая широкий спектр приложений LiDAR, включая автоматизацию мобильности, мониторинг инфраструктуры и пространственных цифровых двойников.




         Рис.1: Изображение приложения пространственного цифрового двойника








         Рис.2: Автоматизация мобильности с помощью пространственных цифровых двойников






Рис.3: Традиционный и новый 2D/3D-ИИ AI.



Рис.4: Результаты распознавания и отслеживания транспортных средств и пешеходов с использованием недавно разработанного 2D-3D Fusion AI
(вверху: 2D-данные; внизу: 3D-данные)



       Рис.5: Алгоритм удаления дождя и тумана для LiDAR