ليدار الحالة الصلبة: مفتاح السيارات ذاتية القيادة الرخيصة

هل لاحظت يومًا كيف ينتهي الأمر بالسيارات ذاتية القيادة بارتداء بعض القبعات الغريبة؟

بدت أقدم الشاحنات العسكرية ذاتية القيادة وكأنها تحتوي على علب قهوة تدور في الأعلى. كارنيجي ميلون هامر الشهيرة ذاتية القيادة كانت تعلوها كرة بينج بونج عملاقة. يرتدي النموذج الأولي الصغير المبتسم لـ Waymo قبة على شكل صفارة الإنذار مما يجعلها تبدو وكأنها سيارة الشرطة الأكثر روعة في العالم.

يوجد داخل هذه الأجهزة الثلاثة حوالي اثنتي عشرة أشعة ليزر، تطلق من خلال بصريات التلسكوب، وتتحرك مئات المرات في الدقيقة، لتوليد 300000 نقطة بيانات في الثانية. يُطلق عليه اسم الليدار، وبدونه ستصبح جميع هذه السيارات عمياء. إنه أيضًا أحد أكبر الأسباب لعدم وجود سيارة ذاتية القيادة في طريقك الآن. عند حوالي 75 ألف دولار، يمكن أن يكلف جهاز ليدار واحد بسهولة أكثر من السيارة التي يركب عليها. وهذا مجرد عنصر واحد في حساء القيادة الذاتية.

لكن هناك تقنية جديدة ظهرت في كل مكان هذا العام: ليدار الحالة الصلبة. ومع عدم وجود أجزاء متحركة، يعد هذا النظام بمنح السيارات ذاتية القيادة رؤية أكثر وضوحًا وأفضل، وبجزء بسيط من تكلفة الأنظمة الكهروميكانيكية القديمة. سوف يمهد ليدار الحالة الصلبة الطريق لأول سيارات ذاتية القيادة يمكنك تحمل تكلفتها بالفعل. وإليك كيف يعمل – وما هو قاب قوسين أو أدنى.

كيف يعمل الليدار

يأتي مصطلح "ليدار" من الجمع بين "الضوء" و"الرادار"، وهو ما يجعل أيضًا طريقة سهلة لفهمه لأنه... حسنًا، إنه رادار، ولكن مع الضوء.

تجديد معلومات من الفيزياء في المدرسة الثانوية: يرتد الرادار نبضة من موجات الراديو عن جسم ما، مثل الطائرة، لتحديد مدى بعده، بناءً على المدة التي تستغرقها النبضة للارتداد. يستخدم جهاز Lidar نبضة من الضوء من الليزر للقيام بنفس الشيء.

خذ ما يكفي من أشعة الليزر هذه، وقم بتدويرها في دائرة، وسينتهي بك الأمر بـ "سحابة نقطية" ثلاثية الأبعاد للعالم من حولك. ربما تكون قد شاهدت هذه النقاط الملونة بألوان قوس قزح والتي تصور مناظر المدينة والجبال وحتى رأس توم يورك وهو يغني بلا جسد. راديوهيد بيت البطاقات أغنية مصورة. تشبه هذه الخريطة ثلاثية الأبعاد بزاوية 360 درجة حجر رشيد بالنسبة لسيارة ذاتية القيادة، مما يسمح لها بفك رموز العالم من حولها.

يوضح جادا تابلي، نائب رئيس الهندسة المتقدمة في Aptiv: "أنت بحاجة إلى مجموعة من الكاميرات والرادار وجهاز الليدار لإنشاء نظام قيادة ذاتية". هي ستعرف. قامت أبتيف ببناء سيارات ليفت ذاتية القيادة التي نقلت الحضور حول لاس فيجاس لحضور معرض CES 2018. في أسوأ أزمة تشهدها المدينة طوال العام. والظروف الشبيهة بالرياح الموسمية. مع صفر حوادث.

كانت تلك السيارات تحتوي على تسعة ليدار وعشرة رادار وأربع كاميرات. مزيج من هذه العناصر الثلاثة يسمح لها بقيادة نفسها، لكن تقنية الليدار تؤدي الوظيفة الحاسمة التي يسميها المهندسون التوطين. يوضح تابلي: "من المهم أن تكون السيارة قادرة على تحديد موقعها على الخريطة بدرجة عالية جدًا من الدقة". "نحن نستخدم جهاز الليدار الخاص بنا للقيام بذلك."

وأوضح مستويات السيارة المستقلة
استقرت المنظمات الهندسية العالمية على ستة مستويات للأتمتة للحديث عن التطور الذي سنراه بين السيارات الغبية والقيادة الذاتية الكاملة.

المستوى 0: لا يوجد استقلالية
هذه هي السيارة التي ربما تمتلكها بالفعل. التوقف عن الرسائل النصية! عليك أن تفعل كل شيء.
المستوى 1: التدريب العملي
ستساعدك سيارتك في بعض السيناريوهات، مثل نظام التحكم التكيفي في السرعة الذي يبطئك على الطريق السريع عندما تفعل ذلك السيارة التي أمامك.
المستوى الثاني: ارفعوا أيديكم
يمكن لسيارتك أن تقود بنفس الطريقة التي تقود بها أنت — في ظل الظروف المناسبة تمامًا، مثل Tesla Autopilot على طريق سريع مقسم ومحدد.
المستوى 3: عيون قبالة
المضي قدما وإرسال هذا النص. لن تتحطم هذه السيارة إذا لم تلفت انتباهك. ولكنك ستظل بحاجة إلى الإمساك بعجلة القيادة إذا أصبحت الأمور معقدة، كما هو الحال مع Audi Traffic Jam Pilot.
المستوى 4: العقل قبالة
اذهب إلى النوم؛ سيارتك تحت السيطرة. لكنك لا تزال بحاجة إلى الجلوس خلف عجلة القيادة تحسبًا لذلك.
المستوى 5: الحكم الذاتي الكامل
لا تحتوي سيارتك على عجلة قيادة، لأنها تستطيع القيادة بشكل أفضل منك في جميع السيناريوهات. اذهب واجلس في الخلف أيها الإنسان الضعيف.

بينما يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تضييق نطاق موقعك إلى دائرة 16 قدم في القطريمكن لليدار القيام بذلك ضمن دائرة قطرها أربع بوصات. هذا أفضل مما يستطيع الكثير من السائقين إدارته. يتذكر تابلي أن مجموعة من الصحفيين ذوي العيون الواسعة كانوا يتذمرون عندما مرت سيارة أبتيف ذاتية القيادة أمام حافلة متوقفة في لاس فيغاس. لم يكونوا بحاجة إلى ذلك، لأن السيارة عرفت أن هناك مساحة كبيرة. "نحن كبشر نتعرض للترهيب، خاصة من قبل المركبات الكبيرة مثل الحافلات أو نصف النقل. وتوضح قائلة: "لذلك فإننا نميل إلى الابتعاد عنهم نوعًا ما". "لكن السيارة ذاتية القيادة لا تحتاج إلى القيام بذلك."

في حين أن الكاميرات يمكنها التعرف على الأشياء، ويمكن للرادار معرفة مدى بعدها، فإن الليدار يمكنه تحقيق كلا الأمرين بدرجة من الدقة لا يمكن لأي منهما لمسها. يقول تابلي: "تخيل أن هناك إطارًا ذو 18 عجلة في منتصف الطريق". "الرادار لن يكتشف ذلك. سوف ليدار ".

لهذا السبب، يجب أن يكون لدى سيارة Tesla Model S، التي تحتوي على كاميرات ورادار، ولكن لا يوجد بها جهاز استشعار، سائق مستعد لأخذ عجلة القيادة في أي وقت. تعتبر مركبة ذاتية القيادة من المستوى الثاني. تقريبًا جميع خبراء استقلالية السيارة — مع استثناء صارخ لإيلون ماسك - نعتقد أن تقنية الليدار ضرورية لتحقيق الاستقلالية الحقيقية من المستوى الرابع "للنوم خلف عجلة القيادة".

وهذه مشكلة هائلة إذا كنت أنت أو أنا نأمل في امتلاك واحدة. الفضة فيلودين HDL-64E ترى فوق العديد من السيارات الاختبارية تكلف 75000 دولار. حتى نموذج Puck "ذو الميزانية المحدودة" للشركة يبلغ سعره 8000 دولار. وهذا ليس جزءًا يمكنك أن تبخل عليه. تخيل أن نوافذ سيارتك تتحول إلى اللون الأسود بسرعة 80 ميلاً في الساعة، ولديك فكرة جيدة عن الشكل الذي سيبدو عليه فقدان الليدار للكمبيوتر في السيارة ذاتية القيادة.

مثل جميع التقنيات، أصبح الليدار أرخص بمرور الوقت، لكن الدقة كانت مطلوبة وأجزاء غزل ضخمة يعني ليدار الكهروميكانيكي أنه لا يمكن أن يصبح أرخص وأصغر وأفضل كل عام بنفس طريقة المعالج الموجود في هاتفك أو الكمبيوتر يفعل.

ولكن ماذا لو... كان بإمكانك صنع الليدار من السيليكون فقط؟ قم بإزالة جميع القطع المتحركة، وسيبدو المستقبل أكثر إشراقًا.

مرحبا بكم في الحالة الصلبة

لقد غيرت إلكترونيات الحالة الصلبة، والتي بحكم تعريفها لا تحتوي على قطع متحركة، الطريقة التي نقوم بها بكل شيء بدءًا من تتبع الوقت وحتى الاستماع إلى الموسيقى. هل تتذكر كيف كانت مشغلات الأقراص المضغوطة المحمولة تستخدم للتخطي؟ هذا ما يحدث عندما تعتمد على الليزر لقراءة الأخاديد المجهرية في قرص دوار. ولكن يمكنك وضع الخاص بك هاتف ذكي في شاكر الطلاء وما زلت تستمع إلى كاني، لأن الموسيقى مخزنة على شرائح ذاكرة صلبة لا تمانع في اهتزازها. ويتجه ليدار في نفس الاتجاه.

مثل مشغلات الأقراص المضغوطة المحمولة، فإن الليدار الكهروميكانيكي الدوار ليس مثاليًا. يقول تابلي: "أولاً، إنها كبيرة". "رقم اثنين، إنها باهظة الثمن. يتيح لنا نظام ليدار الحالة الصلبة أن نصبح أصغر حجمًا، وأن نحزم بشكل أفضل في المركبات، وأن نخفض التكاليف.

كيف يمكنك تحريك الضوء دون تحريك عدسة أو مرآة؟ كيف يصل الليدار إلى الحالة الصلبة؟ لقد ابتكر المهندسون بعض الطرق العبقرية الصريحة.

الأول يسمى فلاش ليدار. يوضح تابلي: "الفلاش هو في الأساس المكان الذي يوجد فيه مصدر للضوء، ويقوم مصدر الضوء هذا بغمر مجال الرؤية بالكامل مرة واحدة باستخدام النبض". "يستقبل مصور وقت الرحلة هذا الضوء ويكون قادرًا على رسم صورة لما يراه." فكر في الأمر ككاميرا ترى المسافة بدلاً من اللون.

لكن هذه البساطة تأتي مع بعض العقبات. لكي تتمكن من الرؤية بعيدًا جدًا، تحتاج إلى دفعة قوية من الضوء، مما يجعلها أكثر تكلفة. والنور لا يمكن أن يكون قوي جدا أنها تلحق الضرر بشبكية العين البشرية، مما يحد من نطاقها. أحد الحلول هو إطلاق الضوء على طول موجي محدد وغير مرئي لا يؤثر على عيون الإنسان. ممتاز! إلى أن تصطدم بمشكلة أخرى: لن تتمكن أجهزة التصوير المصنوعة من السيليكون الرخيصة من "قراءة" انفجارات الضوء في الطيف الآمن للعين. أنت بحاجة إلى أجهزة تصوير باهظة الثمن لزرنيخيد الغاليوم، والتي يمكن أن تزيد تكلفة هذه الأنظمة بما يصل إلى 200 ألف دولار.

يقول تابلي: "يجب أن يكون لديك مصدر ضوء قوي للغاية، أو جهاز استقبال حساس للغاية، وإذا لم يكن لديك هذه الأشياء، فلديك هذا النطاق المحدود". قد يكون مثاليًا للطائرات الحكومية التي تجري مسوحات جوية مفصلة، ​​ولكن ربما لا يكون فلاش ليدار مناسبًا لسيارتك كورولا.

اضبط أجهزة المراحل للمسح الضوئي

لحسن الحظ، هناك طريقة أخرى. كان لؤي الدادا مهتماً بهذه المشكلة منذ أن حصل على درجة الدكتوراه في الإلكترونيات الضوئية في أوائل التسعينيات؛ واليوم يركض كوانيرجي، أحد اللاعبين البارزين في مجال ليدار الحالة الصلبة. ابتكر الدادا وفريقه نهجًا مختلفًا من خلال النظر في كيفية عمل الرادار. إنه، بعد كل شيء، ابن عم قريب من الليدار. كما اتضح، كان الرادار يدور تمامًا مثل الليدار، حتى طور العلماء حلاً رائعًا يُعرف باسم المصفوفة المرحلية.

يمكن للمصفوفة المرحلية أن تبث موجات الراديو في أي اتجاه - دون الدوران في دوائر - باستخدام مجموعة مجهرية من الهوائيات الفردية المتزامنة بطريقة معينة. ومن خلال التحكم في التوقيت - أو الطور - بين كل هوائي يبث إشارته، يستطيع المهندسون "توجيه" إشارة واحدة متماسكة في اتجاه محدد.

تم استخدام المصفوفات المرحلية في الرادار منذ الخمسينيات. لكن إلدادا وفريقه اكتشفوا كيفية استخدام نفس التقنية مع الضوء. يوضح الدادا: "لدينا عدد كبير، يصل عادةً إلى مليون عنصر هوائي بصري". "بناءً على علاقتها المرحلية فيما بينها، فإنها تشكل نمطًا إشعاعيًا، أو بقعة، لها حجم معين وموجهة في اتجاه معين."

من خلال التوقيت الذكي للوميض الدقيق لمليون باعث فردي، يمكن لشركة Quanergy "توجيه" الضوء باستخدام السيليكون فقط. يوضح الدادا: "إن تأثير التداخل هو الذي يحدد الاتجاه الذي يذهب إليه الضوء، وليس مرآة أو عدسة متحركة".

وهذا يعني أن مجموعة البصريات والمحركات الموجودة داخل دلو ليدار بقيمة 75000 دولار ستختفي، ولن يتبقى لك سوى الرقائق. في الوقت الحالي، تستخدم شركة Quanergy عدة شرائح وتبيع الحزمة مقابل 900 دولار، لكن الإصدارات المستقبلية ستصبح شريحة واحدة. ويتوقع الدادا: "عند هذه النقطة، سيصبح سعر مبيعاتنا أقل من 100 دولار".

الحالة الصلبة ليست أرخص فحسب، بل إنها أفضل. يوضح الدادا: "إن القدرة على تغيير شكل العدسة بشكل فعال إلى أي شكل تريده يسمح لك بالتكبير والتصغير". "لذا تخيل أنك تنظر إلى شيء ما في حارتك، وتريد أن تحدده بدقة عالية. يمكنك تقليل حجم البقعة وتحديد أنه غزال، إنه إطار، إنه فراش سقط من شاحنة. وفي الوقت نفسه، يمكنك القفز بين القيام بذلك والنظر إلى المشهد الكبير. يمكن أن يحدث هذا "التنقل" عدة مرات مرات في الثانية دون أن يعلم السائق حتى، حيث تقوم الخوارزمية باتخاذ القرار وتحديد ما يستحق الاقتراب ينظر.

كما أن أجهزة الحالة الصلبة تدوم لفترة أطول. يمكن أن يعمل جهاز الليدار الكهروميكانيكي لمدة تتراوح بين 1000 و2000 ساعة قبل الفشل. مع متوسط ​​الإنفاق الأمريكي 293 ساعة في السيارة سنويا، سينتهي الأمر بمعظمنا باستبدال الليدار الخاص بنا قبل إطاراتنا. تدعي شركة Quanergy أن جهاز Lidar ذو الحالة الصلبة الخاص بها سيعمل لمدة 100000 ساعة، وهو أكثر مما يمكن أن تقوده معظم السيارات على الإطلاق.

مرآة، مرآة على الحائط

المصفوفات الطورية الفلاشية والبصرية هي الوحيدة حقًا حقيقي ليدار الحالة الصلبة. ولكن هناك طريقة ثالثة جديدة لعمل الليدار، وهو جهاز الربيب ذو الرأس الأحمر المعروف باسم المرايا الكهروميكانيكية الدقيقة - أو مرايا MEMS.

كما يوحي المصطلح "الميكانيكي" في "الكهروميكانيكية الدقيقة"، هناك أجزاء متحركة، لذا فإن مرايا الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ليست في حالة صلبة حقًا. ولكنها أيضًا صغيرة جدًا بحيث لا تزال التكنولوجيا تمثل تحسنًا مقارنة بأجهزة الليدار الكهروميكانيكية واسعة النطاق.

"الهندسة المعمارية بسيطة للغاية" ، يوضح تابلي. "لديك ليزر واحد ومرآة واحدة." ينطلق الليزر نحو مرآة صغيرة للغاية، والتي تدور مثل القمة، مما يوفر الدوران الذي يحصل عليه جهاز الليدار التقليدي من تدوير دلو كامل حولها.

الأمر بسيط بما فيه الكفاية، حتى تريد تحريك الليزر لأعلى ولأسفل بالإضافة إلى الدوران في دوائر. ثم تحتاج إلى "تتاليها" من مرآة أخرى، والتي تدور على محور آخر. أو يمكنك إطلاق عدة أشعة ليزر على مرآة واحدة. وفي كلتا الحالتين، تبدأ التكلفة والتعقيد في التراكم.

يوضح تابلي قائلاً: "إن التأكد من توافق كل شيء بشكل مثالي يخلق تحديات". "إذا كان لديك هذا الليزر في مرآة تدور على كلا المحورين، فقد يكون عرضة له في بعض الأحيان الصدمة والاهتزازات." كما تعلم، مثل النوع الذي قد تجده في السيارة، يقفز على الطريق عند 70 عامًا ميلا في الساعة.

ويشير الدادا إلى قضايا أخرى. "إن مرايا MEMs الصغيرة تنحرف عن المحاذاة. لا يحافظون على المعايرة. عندما تكون هناك تغيرات كبيرة في درجة الحرارة، فإنها تحتاج إلى إعادة معايرتها على مدى العمر.

ويشير إلى أنه "إذا علقت المرايا، فهذا يعني أن لديك مشكلة تتعلق بسلامة العين". ويمكن لأشعة الشمس أن تعيث فسادا في نفسها. يقول الدادا: "تواجه مشاكل كبيرة عندما تواجه الشمس". "سوف يضربها ضوء الشمس، وسوف ينعكس الضوء داخل الليدار، ويشبع أجهزة الكشف، ويطغى على الإشارة."

مع وجود العديد من الاختلافات بين الأنواع الثلاثة من أجهزة الليدار من الجيل التالي، تقوم Aptiv بالتحوط في رهاناتها من خلال العمل معها جميعًا والاستثمار فيها. يوضح تابلي: "لكل منها مقايضات مختلفة فيما يتعلق بمجال الرؤية والمدى والدقة". "اعتمادًا على مكان وضع جهاز الليدار على السيارة، فإن ذلك سيحدد أيًا منها يجب أن يكون الأكثر أهمية."

على سبيل المثال، قد لا يحتاج جهاز الليدار الجانبي إلى النطاق الذي يحتاجه جهاز الليدار الأمامي. ومن خلال المزج والمطابقة بين المجموعة المتنوعة، تأمل Aptiv في الاستفادة من الأفضل في جميع العوالم.

إذن، أين سيارتي ذاتية القيادة؟

في عام 1999، قدمت جاكوار أول نظام مثبت السرعة المعتمد على الرادار في سيارة XK، وهي سيارة كوبيه بيعت بحوالي 100 ألف دولار بسعر اليوم. في ذلك الوقت، كانت أجهزة الاستشعار باهظة الثمن لدرجة أنه، كما يقول تابلي، "كان الناس يمزحون قائلين إنك تحصل على جهاز Jag مجانًا مع كل عملية شراء رادار".

واليوم، يمكنك الحصول على نفس الميزة في سيارة كورولا بقيمة 18000 دولار. “وتقول: "نحن نسير على نفس منحنى التعلم باستخدام تقنية الليدار". "إلى أن تنضج الحالة الصلبة وتدخل الإنتاج الضخم، ستكون تكلفة هذه المركبات باهظة جدًا بالنسبة للمستهلك العادي لامتلاكها."

يساعد مستشعر Lidar ذو الحالة الصلبة من Quanergy والذي تبلغ تكلفته 900 دولار على تحقيق ذلك. القادم فيسكر إيموشن ستكون أول مركبة تصل إلى الشوارع مع تلك المستشعرات بداخلها - خمسة منها - عند وصولها في عام 2019. إنها ليست أكبر من حزمة البطارية المستخدمة في المثقاب اللاسلكي، فهي مدفونة في فتحات التهوية، ومختبئة خلف شبكات الكروم، وغير مرئية تمامًا إلا إذا كنت تبحث عنها. طريق طويل من دلاء الغزل بالأمس.

يعتقد الدادا أننا سنرى سيارات ذاتية القيادة من المستوى الرابع من شركة تصنيع أمريكية "عدوانية" سيئة السمعة في وقت مبكر من عام 2020. “2021، 2022، سترون المزيد. 2023 هو العام الكبير. سيكون لدى معظم شركات صناعة السيارات سيارات ذاتية القيادة.

في حين أن سعر Fisker سيكون 130 ألف دولار، إلا أنها قد تبدو في نهاية المطاف مثل سيارة Jaguar XK لعام 1999: نذير باهظ الثمن للتكنولوجيا القادمة. في نهاية المطاف، تعني تقنية الليدار ذات الحالة الصلبة أن السيارات ذاتية القيادة لن تكون مجرد سائقين آليين للأثرياء. يقول الدادا: "هذا يعني أنه يمكن للجميع الحصول على سيارة ذاتية القيادة". "لا يقتصر الأمر على سيارتي مرسيدس S-Class وBMW الفئة السابعة فقط. وهذا يعني أن الأشخاص الذين يقودون سيارات تويوتا كورولا سيكون لديهم أيضًا سيارات ذاتية القيادة.

وعلى الرغم من أن هذا التحول قد يبدو أساسيًا، إلا أن السيارات قد تكون مجرد بداية لتقنية الليدار ذات الحالة الصلبة. "سوف تراه في الأجهزة، ستراه في الأجهزة القابلة للارتداء، في خوذات رجال الإطفاء والجنود. التطبيقات لا حدود لها تقريبًا."

توصيات المحررين

• تطلق شركة فولكس فاجن برنامجها الخاص لاختبار السيارات ذاتية القيادة في الولايات المتحدة.
• لدى Robotaxis مشكلة الركاب التي لم يفكر فيها أحد
• تقوم شركتا Ford وVW بإغلاق وحدة السيارة ذاتية القيادة Argo AI
• سوف يقوم Nvidia’s Drive Concierge بملء سيارتك بالشاشات
• تتوجه سيارات الأجرة الآلية الخاصة بـ Cruise إلى أريزونا وتكساس