Solid-State Lidar: Ключът към евтините самоуправляващи се автомобили

Забелязвали ли сте някога как самоуправляващите се автомобили накрая носят някакви странни шапки?

Най-ранните самоуправляващи се военни камиони изглеждаха така, сякаш имаха въртящи се кутии за кафе отгоре. Карнеги Мелън емблематичен самоуправляващ се Hummer беше увенчан с гигантска топка за пинг-понг. Усмихнатият малък прототип на Waymo носи купол във формата на сирена, който го прави да изглежда като най-очарователната полицейска кола в света.

Вътре и в трите има около дузина лазери, стрелящи през оптика от телескоп, въртящи се стотици пъти в минута, за да генерират 300 000 точки данни в секунда. Нарича се лидар и без него всички тези коли биха били слепи. Това е и една от най-големите причини да нямате самоуправляваща се кола на алеята си в момента. При около $75 000 един лидар лесно може да струва повече от колата, на която се вози. И това е само една съставка в супата със самостоятелно управление.

Но тази година навсякъде се появява нова технология: лидар в твърдо състояние. Без движещи се части, той обещава да даде на самоуправляващите се коли по-ясна и по-добра видимост, на малка част от цената на старите електромеханични системи. Твърдият лидар ще проправи пътя за първите самоуправляващи се автомобили, които всъщност можете да си позволите. Ето как работи – и какво е точно зад ъгъла.

Как работи лидарът

Терминът „лидар“ произлиза от смесването на „светлина“ и „радар“, което също прави удобен начин за разбирането му, защото... добре, това е радар, но със светлина.

Опреснителен урок по физика в гимназията: Радарът отхвърля импулс от радиовълни от обект, като самолет, за да определи колко далеч е той въз основа на това колко време е необходимо на импулса да отскочи обратно. Lidar използва импулс от светлина от лазер, за да направи същото.

Вземете достатъчно от тези лазери, завъртете ги в кръг и ще получите триизмерен „облак от точки“ на света около вас. Вероятно сте виждали тези точки с цвят на дъгата, изобразяващи градски пейзажи, планини и дори пеещата безплътна глава на Том Йорк в Радиохед Къща от карти музикален клип. Тази 360-градусова 3D карта е като камък от Розета за самоуправляваща се кола, което й позволява да дешифрира света около себе си.

„Нуждаете се от комбинация от камери, радар и лидар, за да създадете самоуправляваща се система“, обяснява Джада Тапли, вицепрезидент на Advanced Engineering в Aptiv. Тя щеше да знае. Aptiv построи автономни коли Lyft който превозваше присъстващите из Лас Вегас за CES 2018. В най-лошата задръстване, която градът вижда през цялата година. И условия, подобни на мусон. С нула инциденти.

Тези коли имаха девет лидара, десет радара и четири камери. Комбинацията от трите му позволява да се управлява сам, но lidar изпълнява ключовата функция, която инженерите наричат ​​локализация. „Важно е превозното средство да може да идентифицира с много висока степен на точност къде се намира на картата“, обяснява Тапли. „Използваме нашия лидар, за да направим това.“

Обяснени нива на автономни автомобили
Международните инженерни организации се спряха на шест нива на автоматизация, за да говорят за еволюцията, която ще видим между тъпите автомобили и пълната автономия.

Ниво 0: Без автономия
Това е колата, която вероятно вече притежавате. Спрете да изпращате съобщения! Трябва да направите всичко.
Ниво 1: Практически
Вашият автомобил ще ви помогне в някои сценарии, като например адаптивен круиз контрол, който ви забавя на магистралата, когато колата пред вас го прави.
Ниво 2: Долу ръцете
Вашият автомобил може да шофира точно като вас – при правилните обстоятелства, като автопилот на Tesla на разделена, маркирана магистрала.
Ниво 3: Изключени очи
Продължете и изпратете този текст; тази кола няма да катастрофира, ако не привлече вниманието ви. Но все пак ще трябва да хванете волана, ако нещата се усложнят, като например с Audi Traffic Jam Pilot.
Ниво 4: Разум
Отивам да спя; колата ви е под контрол. Но все пак трябва да седнете зад волана за всеки случай.
Ниво 5: Пълна автономия
Колата ви няма волан, защото може да кара по-добре от вас във всички сценарии. Седни отзад, слаб човек.

Докато GPS може да стесни местоположението ви до кръг около 16 фута в диаметър, lidar може да го направи в кръг с диаметър четири инча. Това е по-добре, отколкото много шофьори могат да се справят. Тепли си спомня как една група журналисти с широко отворени очи трепнаха, когато автономната кола на Aptiv профуча покрай паркиран автобус в Лас Вегас. Нямаше нужда - защото колата знаеше, че има достатъчно място. „Като хора се страхуваме, особено от големи, големи превозни средства като автобуси или полуфабрикати. Така че ние сме склонни да се отдалечаваме от тях“, обяснява тя. „Но едно автономно превозно средство не трябва да прави това.“

Докато камерите могат да идентифицират обекти, а радарът може да каже колко далеч са те, лидарът може да постигне и двете със степен на прецизност, нито един от тях не може да докосне. „Представете си, че по средата на пътя има протектор на гума за 18 колела“, казва Тапли. „Радарът няма да открие това. Лидар ще.

Ето защо Tesla Model S, който има и камери, и радар, но не и лидар, трябва да има шофьор, готов да поеме волана по всяко време. Счита се за автономно превозно средство от ниво 2. Почти всички експерти по автономия на автомобили — с очевидно изключение на Илон Мъск — вярвам, че лидарът е необходим за постигане на истинска автономност от ниво 4 на „сън зад волана“.

И това е огромен проблем, ако вие или аз някога се надяваме да притежаваме такъв. Среброто Velodyne HDL-64E виждате, че много тестови коли струват $75 000. Дори „бюджетният“ модел Puck на компанията струва 8000 долара. И това не е част, от която можете да пестите. Представете си, че прозорците на колата ви стават черни при 80 мили в час и имате доста добра представа как губещият лидар би изглеждал на компютъра в самоуправляваща се кола.

Както всички технологии, лидарът стана по-евтин с течение на времето, но се изисква прецизност и масивни въртящи се части електромеханичният лидар означава, че не може да става по-евтин, по-малък и по-добър всяка година по същия начин, по който процесорът във вашия телефон или компютърът прави.

Но какво ще стане, ако... можете да направите лидар само от силиций? Премахнете всички движещи се части и бъдещето започва да изглежда много по-ярко.

Добре дошли в твърдото състояние

Електрониката в твърдо състояние, която по дефиниция няма движещи се части, промени начина, по който правим всичко - от следенето на времето до слушането на музика. Спомняте ли си как преносимите CD плейъри прескачаха? Ето какво се случва, когато разчитате на лазер за четене на микроскопични канали във въртящ се диск. Но можете да поставите своя смартфон в шейкър за боя и все още слушайте Kanye, защото музиката се съхранява на твърдотелни чипове с памет, които нямат нищо против да бъдат разклатени. Лидар се насочва в същата посока.

Подобно на преносимите CD плейъри, въртящият се електромеханичен лидар не е идеален. „Първо, те са големи“, казва Тапли. „Номер две, скъпи са. Солидният лидар ни позволява да станем по-малки, да опаковаме по-добре в превозните средства и да намалим разходите.“

Как се движи светлина, без да се движи леща или огледало? Как лидарът стига до твърдо състояние? Инженерите са измислили някои направо гениални начини.

Първият се нарича светкавица лидар. „Светкавицата е основно мястото, където имате източник на светлина и този източник на светлина наводнява цялото зрително поле веднъж с помощта на импулс“, обяснява Тапли. „Апаратът за измерване на времето на полета получава тази светлина и е в състояние да нарисува изображението на това, което вижда.“ Мислете за това като за камера, която вижда разстояние вместо цвят.

Но тази простота идва с някои пречки. За да виждате много надалеч, ви е необходим мощен изблик на светлина, което го прави по-скъп. И светлината не може да бъде толкова мощен че уврежда човешката ретина, което ограничава обхвата. Едно заобиколно решение е да се излъчва светлина с определена, невидима дължина на вълната, която не засяга човешките очи. перфектно! Докато не се сблъскате с още една уловка: Евтините силиконови камери няма да „четат“ светлинни взривове в безопасния за очите спектър. Имате нужда от скъпи изображения с галиев арсенид, които могат да повишат цената на тези системи до 200 000 долара.

„Трябва да имате изключително мощен източник на светлина или изключително чувствителен приемник и ако нямате тези неща, тогава имате този ограничен обхват“, казва Тапли. Може да е идеален за правителствени самолети, извършващи подробни въздушни проучвания, но светкавичният лидар вероятно не е подходящ за вашата Corolla.

Задайте фазери за сканиране

За щастие има и друг начин. Louay Eldada се занимава с проблема, откакто получи докторска степен по оптоелектроника в началото на 90-те; и днес той бяга Quanergy, един от най-известните играчи в твърдотелния лидар. Елдада и неговият екип извлякоха различен подход, като разгледаха как работи радарът. В крайна сметка това е близък братовчед на lidar. Както се оказа, радарът се въртеше точно като лидара, докато учените не разработиха брилянтно решение, известно като фазирана решетка.

Фазовата решетка може да излъчва радиовълни във всяка посока - без да се върти в кръгове - чрез използване на микроскопичен масив от отделни антени, синхронизирани по специфичен начин. Чрез контролиране на времето — или фазата — между всяка антена, излъчваща своя сигнал, инженерите могат да „насочват“ един сплотен сигнал в определена посока.

Фазовите решетки се използват в радарите от 50-те години на миналия век. Но Елдада и неговият екип измислиха как да използват същата техника със светлина. „Имаме голям брой, обикновено милион, оптични антенни елементи“, обяснява Елдада. „Въз основа на тяхната поетапна връзка помежду си, те образуват модел на излъчване или петно, което има определен размер и е насочено в определена посока.“

Чрез интелигентно синхронизиране на прецизната светкавица на милион отделни излъчватели, Quanergy може да „управлява“ светлината, използвайки само силиций. „Ефектът на смущение определя в каква посока отива светлината, а не движещо се огледало или леща“, обяснява Елдада.

Това означава, че гнездото от оптика и двигатели в лидарна кофа за $75 000 изчезва и вие оставате само с чипове. В момента Quanergy използва няколко чипа и продава пакета за $900, но бъдещите версии ще станат с един чип. „В този момент нашата продажна цена ще стане под $100“, прогнозира Елдада.

Твърдото състояние не е просто по-евтино, то е по-добро. „Възможността ефективно да промените формата на обектива във всяка форма, която искате, ви позволява да увеличавате и намалявате мащаба“, обяснява Елдада. „Така че представете си, че гледате обект в лентата си и искате да определите с висока разделителна способност какво представлява той. Намалявате размера на петното и определяте, че това е елен, това е гума, това е матрак, който е паднал от камион. В същото време можете да прескачате между това и гледането на голямата сцена.“ Това „скачане“ може да се случи многократно пъти в секунда, без водач дори да знае, тъй като алгоритъм управлява снимките и определя какво заслужава по-близо виж.

Устройствата в твърдо състояние също издържат по-дълго. Електромеханичният лидар може да работи между 1000 и 2000 часа преди повреда. Със средните американски разходи 293 часа в кола годишно, повечето от нас в крайна сметка ще сменят лидара си преди гумите. Quanergy твърди, че неговият лидар в твърдо състояние ще работи 100 000 часа - повече, отколкото повечето автомобили някога ще карат.

Огледалце огледалце на стената

Флаш и оптичните фазирани решетки наистина са единствените вярно твърдотелен лидар. Но има и трети нов начин за правене на лидар, червенокосо доведено дете, известно като микроелектромеханични огледала - или MEMS огледала.

Както подсказва „механично“ в „микроелектромеханично“, има движещи се части, така че MEMS огледалата не са наистина твърдотелни. Но те също са толкова малки, че технологията все още представлява подобрение в сравнение с широкомащабния електромеханичен лидар.

„Архитектурата е много проста“, обяснява Тапли. „Имате един лазер, едно огледало.“ Лазерът се задейства в много малкото огледало, което се върти като връх, осигурявайки въртенето, което конвенционалният лидар получава от въртенето на цяла кофа наоколо.

Достатъчно е просто, докато не искате да движите лазера нагоре и надолу в допълнение към въртенето в кръгове. След това трябва да го „каскадите“ от друго огледало, което се върти на друга ос. Или можете да изстреляте няколко лазера в едно огледало. Така или иначе, цената и сложността започват да нарастват.

„Уверяването, че всичко е подравнено перфектно, създава предизвикателства“, обяснява Тапли. „Ако имате този лазер в огледало, което се върти по двете оси, понякога може да бъде податливо на удари и вибрации.” Знаеш ли, като типа, който може да намериш в кола, подскачаща по пътя на 70 mph

Елдада посочва и други проблеми. „Огледалата на микро MEM се отклоняват от центровката. Те не поддържат калибриране. Когато има големи промени в температурата, те трябва да бъдат повторно калибрирани през целия живот.

„Ако огледалата заседнат, имате проблем с безопасността на очите“, посочва той. И слънчевата светлина може да причини своя хаос. „Имате големи проблеми, когато сте изправени пред слънцето“, казва Елдада. „Слънчевата светлина ще го удари, светлината ще се отрази вътре в лидара, ще насити детекторите и ще заглуши сигнала.“

С толкова много разлики между трите вида lidar от следващо поколение, Aptiv хеджира своите залози, като работи с – и инвестира във – всички тях. „Всеки има различни компромиси по отношение на зрителното поле, обхвата и разделителната способност“, обяснява Тапли. „В зависимост от това къде е позициониран този лидар върху превозното средство, това ще диктува кой от тях трябва да бъде най-важен.“

Странично обърнат лидар, например, може да не се нуждае от обхвата, който има предният лидар. Чрез смесване и съпоставяне между разнообразието, Aptiv се надява да впрегне най-доброто от всички светове.

И така, къде е моята самоуправляваща се кола?

През 1999 г. Jaguar представи първия базиран на радар круиз контрол в XK, купе, което се продаваше за около $100 000 в днешни долари. По това време сензорите бяха толкова скъпи, че както разказва Тапли, „Хората се шегуваха, че получавате безплатен Jag с всяка покупка на радар.“

Днес можете да получите същата функция в Corolla за $18 000. “Ние сме на същата крива на учене с lidar“, казва тя. „Докато твърдото състояние стане зряло и не навлезе в масово производство, тези превозни средства ще бъдат доста непосилни за притежаване от средния потребител.“

Твърдотелният лидарен сензор на Quanergy за $900 помага това да се случи. Предстоящото Fisker EMotion ще бъде първото превозно средство, което ще излезе на улицата с тези сензори вътре – пет от тях – когато пристигне през 2019 г. Не по-големи от батерията за безжична бормашина, те са заровени във вентилационни отвори, скрити зад хромирани решетки и напълно невидими, освен ако не ги търсите. Далеч от вчерашните въртящи се кофи.

Eldada вярва, че ще видим автономни коли от ниво 4 от известен „агресивен“ американски производител още през 2020 г. „2021, 2022, ще видите още няколко. 2023 е голямата година. Повечето производители на автомобили ще имат самоуправляващи се автомобили.

Въпреки че Fisker ще бъде на цена от $130 000, той може да изглежда много като Jaguar XK от 1999 г.: скъп предвестник на бъдещите технологии. В крайна сметка, твърдотелният лидар означава, че самоуправляващите се автомобили няма да бъдат само робошофьори за богатите. „Това означава, че всеки може да има самоуправляваща се кола“, казва Елдада. „Не е само за Mercedes S-класа и BMW Серия 7. Това означава, че хората, които карат Toyota Corolla, ще имат и самоуправляващи се коли.“

И колкото и фундаментална да звучи тази промяна, автомобилите може да са само началото на твърдотелния лидар. „Ще го видите в устройства, ще го видите в носими устройства, в шлемовете на пожарникари и войници. Приложенията са почти неограничени.”

Препоръки на редакторите

• Volkswagen стартира собствена програма за тестване на самоуправляващи се автомобили в САЩ
• Роботакситата имат проблем с пътниците, за който никой не се сети
• Ford и VW затварят модула за автономни автомобили Argo AI
• Drive Concierge на Nvidia ще напълни колата ви с екрани
• Такситата роботи на Круз се отправят към Аризона и Тексас