Nebelsichere Fortbewegung voranbringen: Sandia Labs testet Sensoren für autonome Fahrzeuge

Selbstfliegende Drohnen und autonome Taxis, die sicher im Nebel operieren können, klingen futuristisch, aber neue Forschung in der Nebelanlage der Sandia National Laboratories bringt die Zukunft näher.

Nebel kann Reisen zu Wasser, in der Luft und auf dem Land gefährlich machen, wenn es sowohl für Menschen als auch für Sensoren schwierig wird, Objekte zu erkennen. Forscher in Sandias Nebelanlage gehen dieser Herausforderung durch neue optische Forschung im computergestützten Imaging und durch Partnerschaften mit NASA-Forschern an Advanced Air Mobility, Teledyne FLIR und anderen nach, indem sie Sensoren in maßgeschneidertem Nebel testen, der auf Anfrage messbar und wiederholbar erzeugt werden kann.

Die Nebelkammer

Die 2014 erbaute Nebelkammer von Sandia ist 55 Meter lang, 3 Meter hoch und 3 Meter breit. Sie ist mit Kunststofffolie ausgekleidet, um den Nebel einzuschließen. Wenn das Team einen Test beginnt, zischen 64 Düsen, während sie eine maßgeschneiderte Mischung aus Wasser und Salz versprühen. Während sich der Sprühnebel ausbreitet, steigt die Luftfeuchtigkeit und dichter Nebel bildet sich. Bald kann ein Beobachter im Inneren die Wände, die Decke oder den Eingang nicht mehr durch das Aerosol sehen, und Menschen und Objekte wenige Meter entfernt sind verdeckt oder完全 versteckt.

Sandias Forscher messen sorgfältig die Eigenschaften des Nebels über die Zeit, um zu verstehen, wie er sich bildet und verändert. Durch Anpassung von Umgebungsparametern können die Forscher die Nebeleigenschaften ändern, um natürlich vorkommenden Nebel besser nachzubilden.

„Unser Team kann den Nebel, den wir in der Anlage erzeugen, vollständig messen und charakterisieren, und wir können ähnlichen Nebel an verschiedenen Tagen wiederholbar erzeugen“, sagte Andres Sanchez, Chemieingenieur. „Konsistente und messbare Bedingungen sind wichtig, wenn wir testen, wie Sensoren im Nebel funktionieren.“

NASA- und Industrie-Tests

Forscher vom NASA Ames Research Center besuchten kürzlich Sandia, um eine Reihe von Experimenten durchzuführen, um zu testen, wie kommerziell verfügbare Sensoren Hindernisse im Nebel wahrnehmen. Die Revolutionary Aviation Mobility-Gruppe ist Teil des NASA-Projekts Transformational Tools and Technologies.

„Wir testeten Wahrnehmungstechnologien, die in autonome Luftfahrzeuge eingebaut werden könnten“, sagte Nick Cramer, leitender NASA-Ingenieur für dieses Projekt. „Wir wollen sicherstellen, dass diese Fahrzeuge sicher in unserem Luftraum operieren können. Diese Technologie wird die Augen eines Piloten ersetzen, und wir müssen das bei allen Wetterarten können.“

Das Team baute eine stationäre Drohne in der Kammer als Ziel auf und testete dann verschiedene Sensoren, um zu sehen, wie gut sie die Drohne im Nebel wahrnehmen konnten.

„Die Nebelkammer der Sandia National Laboratories ist für diesen Test unglaublich wichtig“, sagte Cramer. „Sie ermöglicht es uns, die Parameter wirklich fein abzustimmen und Variationen über große Distanzen zu betrachten. Wir können große Distanzen und verschiedene Nebelarten replizieren, die für die Luftfahrt relevant sind.“ Cramer sagte, eine der Herausforderungen der selbstfliegenden Technologie sei, dass viele kleine Fahrzeuge in unmittelbarer Nähe fliegen würden.

Teledyne FLIR testete seine eigenen Infrarotkameras in Sandias Nebelanlage, um zu bestimmen, wie gut sie Fußgänger und andere Objekte erkennen und klassifizieren. Chris Posch, Engineering Director Automotive bei Teledyne FLIR, sagte, die Kameras könnten sowohl die Sicherheit heutiger Fahrzeuge mit fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen wie automatischer Notbremsung als auch zukünftiger autonomer Fahrzeuge verbessern.

„Nebel-Tests in der Natur sind sehr schwierig, weil er so flüchtig ist und es viele inhärente Unterschiede in Wassertropfengrößen, Konsistenz und Wiederholbarkeit von Nebel oder Dunst gibt“, sagte Posch. „Da die Sandia-Nebelanlage wiederholt Nebel mit verschiedenen Wassergehalten und -größen erzeugen kann, war die Anlage entscheidend, um die Testdaten auf gründliche wissenschaftliche Weise zu sammeln.“

Sandia und Teledyne FLIR führten mehrere Leistungstests mit Fahrzeugsicherheitssensoren durch, darunter sichtbare Kameras, Langwellen-Infrarotkameras, Mittelwellen-Infrarotkameras, Kurzwellen-Infrarotkameras und Lidar. Posch sagte, die Ergebnisse zeigten, dass Teledyne FLIRs Langwellen-Infrarotkameras Fußgänger und andere Objekte in den meisten Nebelsituationen präzise erkennen und klassifizieren können, wo sichtbare Kameras an ihre Grenzen stoßen.

Computergestütztes Imaging

Ein Team von Sandia-Forschern veröffentlichte kürzlich einen Artikel in Optics Express, der aktuelle Ergebnisse eines dreijährigen Projekts beschreibt, das computergestütztes Imaging und die Wissenschaft hinter der Lichtausbreitung und -streuung im Nebel nutzt, um Algorithmen zu erstellen, die Sensoren befähigen, Objekte im Nebel zu detektieren, zu lokalisieren und abzubilden.

„Aktuelle Methoden, um durch Nebel und mit gestreutem Licht zu sehen, sind kostspielig und können begrenzt sein“, sagte Brian Bentz, Elektroingenieur und Projektleiter. „Wir nutzen unser Wissen darüber, wie sich Licht im Nebel ausbreitet und streut, um Sensorik und Situationsbewusstsein zu verbessern.“

Brian Bentz sagte, das Team habe modelliert, wie sich Licht durch Nebel zu einem Objekt und zu einem Detektor – meist ein Pixel in einer Kamera – ausbreitet, und dieses Modell dann invertiert, um zu schätzen, woher das Licht kam und welche Eigenschaften das Objekt hat. Durch Änderung des Modells kann dieser Ansatz sowohl mit sichtbarem als auch mit thermischem Licht verwendet werden. Bentz sagt, das Team habe das Modell genutzt, um Objekte im Nebel zu detektieren, zu lokalisieren und zu charakterisieren, und werde im letzten Projektjahr an der Abbildung von Objekten arbeiten.