Công nghệ cảm biến LiDAR đang tạo nên những bước tiến đáng kể trong ngành công nghiệp xe hơi hiện đại. Nếu bạn là người đam mê công nghệ và yêu thích những cải tiến trên các loại phương tiện, chắc hẳn đã nghe đến cái tên này. Đặc biệt, trong lĩnh vực xe ô tô điện tự hành, cảm biến LiDAR đang trở thành một thành phần quan trọng, giúp xe hiểu rõ hơn về môi trường xung quanh.
Cảm biến LiDAR là gì và nguồn gốc của nó
Cảm biến LiDAR, viết tắt của Light Detection And Ranging, là một phương pháp khảo sát sử dụng ánh sáng laser để đo khoảng cách đến vật thể trên bề mặt Trái Đất. Công nghệ này hoạt động bằng cách phát ra các xung laser công suất thấp về phía môi trường xung quanh, sau đó đo thời gian ánh sáng phản chiếu trở lại cảm biến. Dựa vào thời gian phản hồi và tốc độ ánh sáng, hệ thống sẽ tính toán khoảng cách đến từng điểm mà tia laser chạm tới. Kết quả thu được là một tập hợp dữ liệu khổng lồ gọi là “đám mây điểm” (point cloud), từ đó có thể xây dựng mô hình 3D chi tiết của không gian, vật thể, và cả con người.
Công nghệ LiDAR không phải là một phát minh mới xuất hiện gần đây. Thực tế, nó đã được phát triển từ những năm 1960 và ban đầu được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực quân sự, thường được trang bị trên máy bay để khảo sát địa hình hoặc theo dõi mục tiêu. Tuy nhiên, phải đến cuối thế kỷ 20, với sự ra đời và phổ biến của hệ thống định vị toàn cầu GPS, tiềm năng của LiDAR mới thực sự được khai thác rộng rãi hơn cho các mục đích dân sự, bao gồm cả lập bản đồ địa hình và nghiên cứu khoa học.
Nguyên lý hoạt động chi tiết của cảm biến LiDAR
Để hiểu rõ hơn về cách hệ thống LiDAR hoạt động, chúng ta cần đi sâu vào quy trình thu thập và xử lý dữ liệu. Cảm biến LiDAR hiện đại thường sử dụng bộ phát laser quay liên tục (hoặc sử dụng các phương pháp quét trạng thái rắn không cần bộ phận chuyển động) để phát ra hàng triệu xung laser mỗi giây ra môi trường 360 độ xung quanh. Mỗi xung laser khi gặp vật thể sẽ bị phản xạ lại và được bộ thu của cảm biến ghi nhận. Thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận phản hồi được đo cực kỳ chính xác.
Dữ liệu về thời gian phản hồi từ vô số điểm trên bề mặt vật thể sẽ được kết hợp với thông tin về góc quét và vị trí chính xác của cảm biến (thường được cung cấp bởi hệ thống định vị GPS và bộ đo lường quán tính – IMU). Từ đó, máy tính sẽ tính toán tọa độ 3D của từng điểm. Toàn bộ tập hợp các điểm 3D này tạo thành đám mây điểm, một “bản sao số” của môi trường thực. Độ phân giải và mật độ của đám mây điểm phụ thuộc vào số lượng tia laser, tốc độ quét và phạm vi hoạt động của cảm biến.
Thiết bị cảm biến LiDAR đang phát tia laser để đo khoảng cách vật thể
- Hướng Dẫn Chi Tiết Thủ Tục Đổi Bằng Lái Xe Hưng Yên
- Cập nhật chi tiết xe máy Wave 50 giá bao nhiêu
- Xe Ô Tô 7 Chỗ Hàn Quốc: Đánh Giá Toàn Diện & Kinh Nghiệm Mua
- Khám phá Ford Puma Gen-E SUV điện mới
- Chọn Mua Phụ Kiện Xe Máy Chính Hãng
Chức năng chính của công nghệ LiDAR trong phương tiện hiện đại
Trong ngành công nghiệp ô tô và robot, công nghệ LiDAR đóng vai trò như một “giác quan” kỹ thuật số vô cùng nhạy bén. Khác với các hệ thống sử dụng camera (phụ thuộc nhiều vào điều kiện ánh sáng) hay radar (độ phân giải thấp hơn), LiDAR sử dụng tia laser (thường là tia hồng ngoại an toàn cho mắt) để phát hiện và nhận diện vật thể.
Chức năng cốt lõi của cảm biến LiDAR là tạo ra một hình ảnh ba chiều có độ chính xác cao về môi trường xung quanh phương tiện. Nó có khả năng phân biệt rõ ràng các loại vật thể khác nhau như phương tiện giao thông khác, người đi bộ, xe đạp, chướng ngại vật nhỏ, và thậm chí là hình dạng của mặt đường, lề đường, cây cối… trong nhiều điều kiện môi trường, bao gồm cả ban đêm hoặc ánh sáng yếu, điều mà camera gặp khó khăn. LiDAR cung cấp dữ liệu khoảng cách và hình dạng chính xác, làm nền tảng cho các hệ thống tự lái đưa ra quyết định điều hướng và phanh/ga một cách an toàn.
Ứng dụng của cảm biến LiDAR trong công nghiệp ô tô
Việc tích hợp cảm biến LiDAR vào ô tô bắt đầu thu hút sự chú ý mạnh mẽ từ khoảng năm 2018. Một số hãng xe tiên phong đã bắt đầu thử nghiệm gắn các hệ thống LiDAR lên xe thử nghiệm, ban đầu là trên xe tải, để thu thập dữ liệu và xây dựng các bản đồ 3D chính xác cao về các tuyến đường. Những bản đồ chi tiết này sau đó được sử dụng để hỗ trợ xe tự lái định vị và di chuyển với độ chính xác vượt trội, đặc biệt là trên các tuyến đường cao tốc đã được lập bản đồ.
Tuy nhiên, vào thời điểm đó, chi phí cho một cảm biến LiDAR hiệu suất cao còn rất đắt đỏ, lên tới hàng chục nghìn đô la Mỹ. Điều này trở thành rào cản lớn, khiến cho việc trang bị công nghệ LiDAR hàng loạt trên các mẫu xe thương mại trở nên không khả thi về mặt kinh tế. Giấc mơ về những chiếc xe tự hành phổ biến rộng rãi vẫn còn là một thách thức lớn do chi phí công nghệ cao.
Xe ô tô tự lái trang bị cảm biến LiDAR trên nóc
LiDAR và sự phát triển của xe tự lái
Sự phát triển của các cấp độ xe ô tô tự lái từ Cấp độ 1 (Hỗ trợ lái) đến Cấp độ 5 (Tự hành hoàn toàn) đòi hỏi khả năng nhận thức môi trường ngày càng tinh vi. Các cảm biến va chạm hoặc radar phổ biến trên các xe thông thường hiện nay chủ yếu chỉ đo khoảng cách đến vật thể phía trước và tốc độ tương đối. Chúng có thể cảnh báo va chạm hoặc hỗ trợ giữ khoảng cách, nhưng thường không đủ khả năng phân biệt chi tiết hình dạng hay kích thước của vật thể, và gặp khó khăn trong việc phát hiện các chướng ngại vật nhỏ hoặc phức tạp.
Đây chính là lúc công nghệ LiDAR phát huy ưu điểm vượt trội. LiDAR cung cấp thông tin 3D giàu chi tiết, cho phép hệ thống máy tính trên xe không chỉ phát hiện vật thể mà còn xác định hình dạng, kích thước và vị trí chính xác của chúng trong không gian ba chiều. Khả năng này là cực kỳ quan trọng cho các chức năng tự lái nâng cao như lập kế hoạch di chuyển phức tạp, tránh vật cản động, hoặc di chuyển chính xác trong môi trường đô thị đông đúc. Cảm biến LiDAR bổ sung và nâng cao khả năng của camera và radar, tạo ra một hệ thống nhận thức đáng tin cậy hơn cho xe tự lái.
So sánh LiDAR với các loại cảm biến khác trên ô tô
Để có cái nhìn toàn diện, cần so sánh cảm biến LiDAR với hai công nghệ cảm biến chính khác được sử dụng trên ô tô là camera và radar. Camera cung cấp hình ảnh 2D chi tiết, cho phép nhận diện màu sắc, biển báo và vạch kẻ đường, hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng ban ngày. Tuy nhiên, camera gặp khó khăn vào ban đêm, trong điều kiện ánh sáng chói hoặc mưa/sương mù, và không đo trực tiếp khoảng cách 3D.
Radar (Radio Detection And Ranging) sử dụng sóng radio để đo khoảng cách và tốc độ tương đối của vật thể. Radar hoạt động tốt trong điều kiện thời tiết xấu (mưa, sương mù) và có tầm hoạt động xa. Tuy nhiên, radar có độ phân giải thấp, khó phân biệt chi tiết hình dạng và khó xác định chính xác vị trí trong không gian 3D, dẫn đến việc có thể “nhìn thấy” một vật thể nhưng không rõ đó là người, xe hay chướng ngại vật khác.
Cảm biến LiDAR khắc phục những nhược điểm này bằng cách cung cấp dữ liệu 3D có độ phân giải cao và chính xác, hoạt động tốt trong nhiều điều kiện ánh sáng (không bị ảnh hưởng bởi bóng tối hay ánh sáng chói trực tiếp như camera, mặc dù có thể gặp thách thức trong sương mù dày đặc). Bằng cách kết hợp dữ liệu từ cả camera, radar và LiDAR, các hệ thống tự lái có thể xây dựng một bức tranh toàn cảnh và đáng tin cậy nhất về môi trường xung quanh xe, đảm bảo an toàn cho hành khách và người tham gia giao thông khác.
Tiềm năng phát triển của cảm biến LiDAR trong tương lai
Cảm biến LiDAR là một công nghệ với tiềm năng ứng dụng vượt ra ngoài lĩnh vực xe ô tô điện và xe tự lái. Nhờ khả năng tạo ra bản đồ 3D chi tiết và chính xác, LiDAR đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như khảo sát địa hình, lâm nghiệp (đo chiều cao cây), khảo cổ học (phát hiện công trình bị che khuất), quy hoạch đô thị và robot công nghiệp.
Một ví dụ minh chứng cho sự đa dạng của công nghệ LiDAR là việc tích hợp nó vào các thiết bị điện tử tiêu dùng như iPhone Pro và iPad Pro từ đời iPhone 12 trở đi. Cảm biến LiDAR trên các thiết bị này cho phép người dùng trải nghiệm các tính năng thực tế tăng cường (AR) nâng cao, đo đạc vật thể trong không gian thực một cách chính xác, cải thiện khả năng lấy nét của camera trong điều kiện thiếu sáng và mở ra nhiều ứng dụng sáng tạo khác liên quan đến không gian 3D. Điều này cho thấy LiDAR không chỉ giới hạn trong các ứng dụng công nghiệp phức tạp mà còn có thể trở nên gần gũi hơn với cuộc sống hàng ngày.
Minh họa khả năng thu thập dữ liệu 3D của cảm biến LiDAR trong môi trường đô thị
Triển vọng giảm chi phí và kích thước cảm biến LiDAR
Một trong những rào cản lớn nhất đối với việc phổ biến cảm biến LiDAR trên các phương tiện thương mại chính là chi phí và kích thước của chúng. Các hệ thống LiDAR cơ học quay truyền thống thường cồng kềnh, đắt tiền và có tuổi thọ hạn chế do có bộ phận chuyển động. Tuy nhiên, ngành công nghiệp đang chứng kiến những bước tiến vượt bậc trong việc phát triển công nghệ LiDAR trạng thái rắn (solid-state LiDAR).
LiDAR trạng thái rắn sử dụng các công nghệ bán dẫn và quang học tiên tiến, không cần bộ phận quay cơ học. Điều này không chỉ giúp giảm đáng kể kích thước và chi phí sản xuất mà còn tăng độ bền và độ tin cậy của cảm biến. Khi chi phí sản xuất giảm xuống và kích thước trở nên nhỏ gọn hơn, việc tích hợp cảm biến LiDAR vào nhiều mẫu xe hơi ở các phân khúc khác nhau sẽ trở nên khả thi hơn. Sự phổ biến này sẽ đẩy nhanh tốc độ phát triển của xe tự lái và các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến, đưa ngành công nghiệp ô tô lên một tầm cao mới.
LiDAR trên các dòng xe ô tô điện hiện đại
Nhiều nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang tích cực nghiên cứu và tích hợp cảm biến LiDAR vào các mẫu xe điện và xe tự hành của mình. Đây được xem là một phần không thể thiếu để đạt được các cấp độ tự hành cao hơn. Các hãng xe không ngừng đầu tư vào việc phát triển các hệ thống cảm biến phức tạp, bao gồm LiDAR, camera độ phân giải cao, radar và các bộ xử lý mạnh mẽ để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ thu thập được theo thời gian thực.
Ví dụ, một số mẫu xe điện tiên tiến hiện nay dự kiến hoặc đã được trang bị các gói cảm biến hiệu suất cao. Các gói này có thể bao gồm cảm biến LiDAR cùng với hàng chục camera và cảm biến siêu âm đặt quanh xe. Sự kết hợp này cho phép xe không chỉ phát hiện vật thể ở khoảng cách rất xa (ví dụ, camera phát hiện vật thể ở khoảng cách hàng trăm mét) mà còn tạo ra bản đồ 3D chi tiết của môi trường gần xe, hỗ trợ các tính năng như hỗ trợ đỗ xe tự động, di chuyển trong điều kiện giao thông phức tạp, và phản ứng nhanh với các tình huống bất ngờ ở tốc độ cao. Khả năng xử lý dữ liệu lên đến hàng trăm GB mỗi giây của các bộ xử lý trên xe là yếu tố then chốt để tận dụng tối đa thông tin từ các cảm biến LiDAR và các cảm biến khác.
Hệ thống cảm biến và camera phức tạp trên xe ô tô điện hiện đại, bao gồm cả LiDAR
Việc tích hợp cảm biến LiDAR vào các hệ thống hỗ trợ lái và tự hành không chỉ nâng cao độ an toàn mà còn mở ra khả năng cho các tính năng thông minh hoàn toàn mới. Từ khả năng tự động thiết lập bản đồ 3D của môi trường xung quanh theo thời gian thực, tự động tìm kiếm và đỗ xe, cho đến khả năng kết nối và tương tác với hạ tầng giao thông thông minh trong tương lai. Công nghệ LiDAR đang góp phần kiến tạo nên những trải nghiệm di chuyển tiện nghi, hiệu quả và an toàn hơn cho người dùng.
Các câu hỏi thường gặp về cảm biến LiDAR
Cảm biến LiDAR khác gì so với radar và camera trên ô tô?
Cảm biến LiDAR sử dụng tia laser để đo khoảng cách và tạo bản đồ 3D chi tiết, ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng (ngoài sương mù dày). Radar sử dụng sóng radio, có tầm xa và hoạt động tốt trong thời tiết xấu nhưng độ phân giải thấp. Camera sử dụng ánh sáng khả kiến, cung cấp hình ảnh chi tiết và nhận diện màu sắc nhưng hoạt động kém trong điều kiện thiếu sáng hoặc ánh sáng chói. LiDAR cung cấp dữ liệu 3D chính xác mà camera và radar khó đạt được.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến LiDAR là gì?
Nguyên lý hoạt động cơ bản là “Time of Flight” (ToF). Cảm biến phát ra xung laser và đo thời gian cần thiết để xung đó đi đến vật thể và phản xạ trở lại. Dựa vào thời gian này và tốc độ ánh sáng, cảm biến tính toán khoảng cách. Bằng cách quét hàng triệu điểm xung quanh, nó tạo ra đám mây điểm 3D.
Tại sao cảm biến LiDAR lại quan trọng cho xe tự lái?
LiDAR cung cấp bản đồ 3D có độ phân giải cao và chính xác của môi trường xung quanh xe theo thời gian thực. Dữ liệu này giúp xe nhận diện và phân loại vật thể, xác định khoảng cách chính xác, và lập kế hoạch di chuyển an toàn trong các tình huống phức tạp, điều mà chỉ dựa vào camera hoặc radar sẽ gặp nhiều hạn chế.
Cảm biến LiDAR có hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết không?
LiDAR hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc ban đêm. Tuy nhiên, hiệu suất của nó có thể bị suy giảm trong điều kiện thời tiết cực đoan như sương mù dày đặc, mưa lớn hoặc tuyết, vì các hạt nước/tuyết có thể làm tán xạ hoặc hấp thụ tia laser.
Chi phí của cảm biến LiDAR có còn đắt không?
Trước đây, hệ thống LiDAR hiệu suất cao rất đắt đỏ. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ LiDAR trạng thái rắn và sự cạnh tranh từ các nhà sản xuất, chi phí đang giảm dần. Dự kiến trong tương lai gần, LiDAR sẽ trở nên phổ biến và có giá thành hợp lý hơn để tích hợp trên nhiều mẫu xe thương mại.
Cảm biến LiDAR còn được ứng dụng ở đâu khác ngoài ô tô?
Ngoài ô tô, công nghệ LiDAR được ứng dụng rộng rãi trong khảo sát địa hình, lập bản đồ 3D, robot công nghiệp, nông nghiệp chính xác, kiểm tra cơ sở hạ tầng, nghiên cứu môi trường, và thậm chí đã được tích hợp vào các thiết bị di động như iPhone để hỗ trợ thực tế tăng cường (AR).
Hệ thống tự lái cấp độ cao có bắt buộc phải sử dụng LiDAR không?
Mặc dù có những tranh luận trong ngành, nhiều chuyên gia và nhà sản xuất coi cảm biến LiDAR là thành phần quan trọng hoặc thậm chí là bắt buộc để đạt được các cấp độ tự lái cao (Cấp 3 trở lên) một cách an toàn và đáng tin cậy, nhờ khả năng cung cấp dữ liệu 3D chính xác và hoạt động độc lập với ánh sáng.
Cảm biến LiDAR đang cách mạng hóa cách các phương tiện tương tác với thế giới xung quanh, đặc biệt là trong lĩnh vực xe ô tô điện và xe tự hành. Với những bước tiến không ngừng trong việc giảm chi phí và cải thiện hiệu suất, công nghệ LiDAR hứa hẹn sẽ trở thành một tính năng tiêu chuẩn trên nhiều phương tiện trong tương lai không xa, mang lại sự an toàn và tiện nghi vượt trội. Tìm hiểu về những công nghệ tiên tiến như cảm biến LiDAR giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tương lai của giao thông và công nghệ trên các phương tiện, một chủ đề luôn được Brixton Việt Nam quan tâm và chia sẻ.
