Sensoren testen in mist om toekomstig transport veiliger te maken

Zelfvliegende drones en autonome taxi’s die veilig in mist kunnen opereren, klinkt misschien futuristisch, maar nieuw onderzoek in de mistfaciliteit van Sandia National Laboratories brengt de toekomst dichterbij.

Mist kan reizen over water, door de lucht en over land gevaarlijk maken wanneer het voor zowel mensen als sensoren moeilijk wordt om objecten te detecteren. Onderzoekers van Sandia’s mistfaciliteit pakken die uitdaging aan door nieuw optisch onderzoek in computationele beeldvorming en door samen te werken met NASA-onderzoekers die werken aan Advanced Air Mobility, Teledyne FLIR en anderen om sensoren te testen in aangepaste mist die kan worden gemeten en herhaaldelijk op aanvraag kan worden geproduceerd.

“Het is belangrijk om optische sensoren te verbeteren om objecten beter waar te nemen en te identificeren door mist om mensenlevens te beschermen, materiële schade te voorkomen en nieuwe technologieën en mogelijkheden mogelijk te maken”, zegt Jeremy Wright, optisch ingenieur.

De mistkamer van Sandia, gebouwd in 2014, is 180 voet lang, 10 voet lang en 10 voet breed. De kamer is bekleed met plastic zeilen om de mist op te vangen.

Wanneer het team aan een test begint, sissen 64 sproeiers terwijl ze een speciaal mengsel van water en zout spuiten. Naarmate de spray zich verspreidt, neemt de vochtigheid toe en vormt zich een dikke mist. Binnenkort kan een waarnemer binnen de muren, het plafond of de ingang door de spuitbus niet meer zien en zullen mensen en objecten op een paar meter afstand worden verduisterd of volledig worden verborgen.

Sandia’s onderzoekers meten zorgvuldig de eigenschappen van mist in de loop van de tijd om te begrijpen hoe het zich vormt en verandert. Door omgevingsparameters aan te passen, kunnen de onderzoekers de misteigenschappen veranderen om beter overeen te komen met natuurlijk voorkomende mist.

“Ons team kan de mist die we in de faciliteit produceren meten en volledig karakteriseren, en we kunnen herhaaldelijk soortgelijke mist op verschillende dagen genereren”, zegt Andres Sanchez, chemisch ingenieur. “Het hebben van consistente en meetbare omstandigheden is belangrijk wanneer we testen hoe sensoren presteren in mist.”

Veilige operaties onder alle weersomstandigheden mogelijk maken voor zelfvliegende voertuigen, vliegtuigen en drones

Onderzoekers van NASA’s Ames Research Center bezochten onlangs Sandia om een ​​reeks experimenten uit te voeren om te testen hoe commercieel beschikbare sensoren obstakels in mist waarnemen. De Revolutionary Aviation Mobility-groep maakt deel uit van het NASA Transformational Tools and Technologies-project.

“We hebben waarnemingstechnologieën getest die in autonome luchtvoertuigen kunnen worden gebruikt”, zegt Nick Cramer, de leidende NASA-ingenieur voor dit project. “We willen ervoor zorgen dat deze voertuigen veilig kunnen opereren in ons luchtruim. Deze technologie zal de ogen van een piloot vervangen en dat moeten we in alle weersomstandigheden kunnen doen.”

Het team zette een stationaire drone in de kamer op als doelwit en testte vervolgens verschillende sensoren om te zien hoe goed ze de drone in de mist konden waarnemen.

“De mistkamer bij Sandia National Laboratories is ongelooflijk belangrijk voor deze test,” zei Cramer. “Het stelt ons in staat om de parameters echt af te stemmen en te kijken naar variaties over lange afstanden. We kunnen lange afstanden en verschillende soorten mist nabootsen die relevant zijn voor de ruimtevaartomgeving.”

Cramer zei dat een van de uitdagingen van zelfvliegende technologie is dat er veel kleine voertuigen in de buurt zouden vliegen.

“We moeten deze kleine voertuigen kunnen detecteren en vermijden”, zei Cramer. “De resultaten van deze tests zullen ons in staat stellen om te onderzoeken wat de huidige hiaten in de perceptietechnologie zijn om over te stappen op autonome voertuigen.”

Mistfaciliteit helpt technologie te bewijzen

Teledyne FLIR heeft zijn eigen infraroodcamera’s getest in de mistfaciliteit van Sandia om te bepalen hoe goed ze voetgangers en andere objecten detecteren en classificeren. Chris Posch, technisch directeur automotive bij Teledyne FLIR, zei dat de camera’s kunnen worden gebruikt om zowel de veiligheid van de voertuigen van vandaag te verbeteren met geavanceerde, door de bestuurder ondersteunde systemen, zoals automatisch remmen in noodgevallen en autonome voertuigen van de toekomst.

“Misttesten is in de natuur erg moeilijk omdat het zo vluchtig is en er veel inherente verschillen zijn die typisch worden gezien in de grootte van waterdruppels, consistentie en herhaalbaarheid van mist of nevel”, zei Posch. “Omdat de Sandia-mistfaciliteit herhaaldelijk mist kan creëren met verschillende waterinhoud en -grootte, was de faciliteit van cruciaal belang bij het verzamelen van de testgegevens op een grondige wetenschappelijke manier.”

Sandia en Teledyne FLIR hebben meerdere prestatietests uitgevoerd met voertuigveiligheidssensoren, waaronder zichtbare camera’s, langegolf-infraroodcamera’s, middengolf-infraroodcamera’s, kortegolf-infraroodcamera’s en lidar.

Posch zei dat de resultaten aantoonden dat de langegolf-infraroodcamera’s van Teledyne FLIR voetgangers en andere objecten nauwkeurig kunnen detecteren en classificeren in de meeste mist, waar zichtbare camera’s worden uitgedaagd.

Nieuw onderzoek om objecten door mist te detecteren, lokaliseren en in beeld te brengen

Een team van Sandia-onderzoekers publiceerde onlangs een paper in: Optica Express het beschrijven van de huidige resultaten van een driejarig project om computationele beeldvorming en de wetenschap achter hoe licht zich voortplant en verstrooit in mist te gebruiken om algoritmen te creëren waarmee sensoren objecten in mist kunnen detecteren, lokaliseren en afbeelden.

“De huidige methoden om door mist en verstrooid licht te kijken zijn kostbaar en kunnen beperkt zijn”, zegt Brian Bentz, elektrotechnisch ingenieur en projectleider. “We gebruiken wat we weten over hoe licht zich voortplant en verstrooit in mist om waarnemingsvermogen en situationeel bewustzijn te verbeteren.”

Bentz zei dat het team heeft gemodelleerd hoe licht zich door mist voortplant naar een object en naar een detector – meestal een pixel in een camera – en dat model vervolgens heeft omgekeerd om te schatten waar het licht vandaan kwam en de kenmerken van het object. Door het model te veranderen, kan deze benadering worden gebruikt met zichtbaar of thermisch licht.

Bentz zegt dat het team het model heeft gebruikt om objecten in mist te detecteren, lokaliseren en karakteriseren en dat het tijdens het laatste jaar van het project zal werken aan het in beeld brengen van objecten. Het team heeft Sandia’s mistfaciliteit gebruikt voor experimentele validaties.

Parallel aan dit onderzoek creëerde het Sandia-team twee mistkamers op een tafel ter ondersteuning van een project van de academische alliantiepartner West Lafayette, Purdue University in Indiana.

Sandia bestudeert en karakteriseert de mist die wordt gegenereerd door zijn nieuwe mistkamer op de tafel, terwijl Purdue zijn dubbele systeem gebruikt om experimenten uit te voeren.

Purdue-professor Kevin Webb leidt onderzoek naar de ontwikkeling van een beeldvormingstechnologie die is gebaseerd op hoe licht met zichzelf interfereert wanneer het verstrooid wordt en die effecten gebruikt om objecten te detecteren.

Het Sandia-team heeft onlangs zijn werk voorgesteld bij SPIE en CLEO.