Лазер и дорожные знаки помогут в создании умного города

Американские инженеры предложили использовать поверхности с катафотным отражающим покрытием, в том числе дорожные знаки, в качестве датчиков умного города. Для этого они предлагают светить на такие поверхности лазером и по изменению светимости отслеживать их колебания, по сути выполняя роль акселерометра. Это позволяет отслеживать различные события, для которых сегодня применяют множество отдельных датчиков, к примеру, трафик автомобилей на улицах или прибытие автобуса на остановку. Статья была представлена на конференции CHI 2021.

Многие аспекты «жизни» современного города, особенно касающиеся транспорта, отслеживаются с помощью огромного количества датчиков. К примеру, в некоторых российских городах используются светофоры, которые переключаются в соответствии с плотностью трафика, рассчитываемой в реальном времени по данным с системы видеоконтроля. Также контроль трафика полезен для урбанистов и специалистам по планированию движения на улицах, чтобы понимать загруженность улиц в течение времени. Подобных примеров существует довольно много и для каждого из них необходимы датчики, которые могут быть недорогими, но вместе с установкой и обслуживанием обходятся довольно дорого.

Криса Харрисон (Chris Harrison) вместе с коллегами из Университета Карнеги — Меллона предложил заменить специальные датчики для отслеживания тех или иных уличных процессов на лазерную виброметрию. При этом методе лазерный луч посылается на интересующий объект, отражается от него и отражение считывается фотодетектором. Если во время измерения на поверхности объекта возникают механические колебания, отраженный сигнал будет меняться в соответствии с ними. Совпадение механических колебаний с изменением светимости отраженного луча настолько велико, что это позволяет даже подслушивать разговоры на расстоянии.

Если использовать лазерную виброметрию с обычными повседневными объектами, то расстояние для надежного обнаружения колебаний в сигнале, как правило, составляет несколько метров. Если же использовать катафоты или другие поверхности, адаптированные для направленного отражения в обратную сторону, дальность значительно увеличивается. Ключевая идея авторов работы заключается в том, что метод можно реализовать, имея только лазерную установку и используя дорожные знаки, в которых практически всегда используется катафотное покрытие, «подсвечивающее» знак светом автомобильных фар.

Инженеры провели расчеты для пяти городов в США, Великобритании, Германии и Китае, и выяснили, что средняя плотность катафотных поверхностей (имеется в виду один объект с таким покрытием, например, дорожный знак, шлагбаум с светоотражающей полосой и тому подобное) составляет около семи тысяч на квадратный километр.

Установка, которую использовали авторы, состоит из лазерного блока и подвижной платформы. Платформа может поворачиваться и наклоняться с точностью 0,00625 градуса, что дает смещение пятна луча в один сантиметр на расстоянии 100 метров. Лазерная установка состоит из фотодетектора, лазерного дальномера и отдельного 200 милливаттного лазерного излучателя с длиной волны 650 нанометров. Сам по себе излучатель относится к опасному классу лазеров (3B), однако авторы снизили его опасность до допустимой тремя способами: расфокусировали и тем самым уменьшили опасную для глаз дистанцию до 46 сантиметров, установили длительность импульса равной 50 микросекунд и решили размещать установку в возвышенных местах, чтобы снизить вероятность зрительного контакта с излучателем.

Компоненты установки

Инженеры разработали метод калибровки установки перед началом работы. После размещения установка начинает сканировать пространство, поворачиваясь на 0,05 градуса и проходя таким образом все интересующее поле обзора ряд за рядом. В каждой точке сначала дальномер измеряет расстояние, затем фотодетектор измеряет нормальный уровень освещенности, после чего лазер производит импульс и фотодетектор замеряет отраженный свет. После сканирования по данным дальномера составляется карта глубины, которая затем позволяет нормализовать и данные об освещенности с учетом удаленности, после чего алгоритм отсеивает все пиксели ниже порогового значения и обнаруживает отражающие поверхности. Когда сканирование выполнено, установка может измерять колебания на обнаруженных отражателях, концентрируясь на одном из них или переключаясь между ними при помощи поворотной платформы.

Изображение Солнца, полученное 24 мая аппаратом SDO. Пятно AR2824 видно выше центра солнечного диска, а AR2825 — справа.

Авторы протестировали установку, разместив в багажнике минивена большую колонку для создания колебаний. На центр колонки они по очереди наклеивали 16 разных светоотражающих элементов, встречающихся в городе. Размещение в минивене позволило им отъезжать и менять расстояние от лазера. Подавая на динамик разные сигналы (синусоидальный и с качающейся частотой), увеличивая расстояние до 512 метров и меняя угол, они убедились, что установка способна восстанавливать сигнал в таких условиях и с разными отражателями.

Разработчики предложили и показали различные практические применения системы, в том числе обнаружение приезда автобуса на остановку, подсчет трафика, определения типа автомобиля по вибрациям двигателя на номерном знаке, определение занятости парковочного места и другие.

В прошлом году инженеры научились использовать виброметрию, чтобы подслушивать разговоры в комнате по свечению лампы.

Григорий Копиев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 24.05.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии