Solid-State Lidar: Klíč k levným samořídícím autům

Všimli jste si někdy, jak samořídící auta nakonec nosí nějaké divné klobouky?

První samořídící vojenské náklaďáky vypadaly, jako by měly nahoře otáčející se plechovky od kávy. Carnegie Mellon's ikonický samořídící Hummer byl zakončen obřím pingpongovým míčkem. Smajlíkův malý prototyp Wayma má kopuli ve tvaru sirény, díky které vypadá jako nejrozkošnější policejní auto na světě.

Uvnitř všech tří je asi tucet laserů, které střílejí přes optiku dalekohledu, pohybují se stovkykrát za minutu a vytvářejí 300 000 datových bodů za sekundu. Říká se tomu lidar a bez něj by byla všechna tato auta slepá. Je to také jeden z největších důvodů, proč zrovna teď na příjezdové cestě nemáte samořídící auto. Při ceně kolem 75 000 dolarů může jeden lidar stát klidně víc než auto, na kterém jezdí. A to je jen jedna ingredience v samořídící polévce.

Ale nová technologie se letos objevuje všude: Solid-state lidar. Bez pohyblivých částí slibuje, že samořídící vozy budou ostřejší, lepší výhled, a to za zlomek ceny starých elektromechanických systémů. Solid-state lidar vydláždí cestu prvním samořídícím autům, která si můžete skutečně dovolit. Zde je návod, jak to funguje – a co je hned za rohem.

Jak funguje lidar

Pojem „lidar“ pochází ze spojení „světla“ a „radaru“, což je také praktický způsob, jak tomu porozumět, protože… je to radar, ale se světlem.

Aktualizace ze středoškolské fyziky: Radar odráží puls rádiových vln od objektu, jako je letadlo, aby určil, jak je daleko, na základě toho, jak dlouho trvá, než se puls odrazí zpět. K tomu samému používá Lidar pulz světla z laseru.

Vezměte si dost těch laserů, roztočte je do kruhu a skončíte s trojrozměrným „mračnem bodů“ světa kolem vás. Pravděpodobně jste viděli tyto duhové tečky znázorňující panoráma města, hory a dokonce i zpěv Thoma Yorka, bez těla Radiohead's Domeček z karet hudební video. Tato 360stupňová 3D mapa je pro samořídící auto jako Rosettská deska, která mu umožňuje dešifrovat svět kolem sebe.

„Abyste vytvořili samořídící systém, potřebujete kombinaci kamer, radaru a lidaru,“ vysvětluje Jada Tapley, viceprezidentka Advanced Engineering ve společnosti Aptiv. Věděla by to. Aptiv postavil autonomní vozy Lyft která přepravila účastníky kolem Las Vegas na CES 2018. V nejhorším stavu, který město vidí po celý rok. A podmínky podobné monzunu. S nulovou nehodovostí.

Ta auta měla devět lidarů, deset radarů a čtyři kamery. Kombinace všech tří umožňuje, aby se řídil sám, ale lidar provádí klíčovou funkci, kterou inženýři nazývají lokalizace. „Je důležité, aby vozidlo bylo schopno identifikovat s velmi vysokou mírou přesnosti, kde se na mapě nachází,“ vysvětluje Tapley. "K tomu používáme náš lidar."

Vysvětlení úrovní autonomních vozů
Mezinárodní inženýrské organizace se dohodly na šesti úrovních automatizace, aby hovořily o vývoji, který uvidíme mezi hloupými auty a úplnou autonomií.

Úroveň 0: Žádná autonomie
Toto je auto, které již pravděpodobně vlastníte. Přestaňte psát zprávy! Musíte udělat všechno.
Úroveň 1: Ruce
Vaše auto vám pomůže v některých situacích, jako je adaptivní tempomat, který vás zpomalí na dálnici, když to udělá auto před vámi.
Úroveň 2: Ruce pryč
Vaše auto může jezdit stejně jako vy – za správných okolností, jako Tesla Autopilot na rozdělené, značené dálnici.
Úroveň 3: Zhasnuté oči
Pokračujte a odešlete tento text; toto auto nespadne, pokud nebude mít vaši pozornost. Pokud se ale věci zkomplikují, stejně jako u Audi Traffic Jam Pilot, budete muset chytit volant.
Úroveň 4: Nemysli si
Běž spát; vaše auto je pod kontrolou. Ale stejně musíte pro případ sedět za volantem.
Úroveň 5: Úplná autonomie
Vaše auto nemá volant, protože ve všech situacích může řídit lépe než vy. Sedni si dozadu, slabý člověče.

Zatímco GPS může zúžit vaši polohu na kruh 16 stop v průměru, lidar to dokáže v kruhu o průměru čtyři palce. To je lepší, než kolik řidičů dokáže zvládnout. Tapley si pamatuje, jak jedna skupina novinářů s vytřeštěnýma očima sebou škubla, když autonomní auto Aptiv projelo kolem zaparkovaného autobusu v Las Vegas. Nepotřebovali – protože auto vědělo, že je tam spousta místa. „Jako lidé jsme zastrašováni, zejména velkými, velkými vozidly, jako jsou autobusy nebo návěsy. Takže máme tendenci se jim vyhýbat,“ vysvětluje. "Ale autonomní vozidlo to dělat nemusí."

Zatímco kamery dokážou identifikovat objekty a radar dokáže zjistit, jak daleko jsou, lidar dokáže dosáhnout obojího se stupněm přesnosti, ani se jich nedotkne. „Představte si, že uprostřed silnice je běhoun pneumatiky pro 18 kol,“ říká Tapley. "Radar to nezaznamená." Lidar bude."

To je důvod, proč Tesla Model S, která má kamery i radar, ale nemá lidar, musí mít řidiče připraveného kdykoli usednout za volant. Je považován za autonomní vozidlo úrovně 2. Téměř všichni odborníci na autonomii — s do očí bijící výjimkou Elona Muska — věřte, že lidar je nezbytný k dosažení skutečné autonomie „spánku za volantem“ úrovně 4.

A to je obrovský problém, pokud vy nebo já někdy doufáme, že ho budete vlastnit. Stříbro Velodyne HDL-64E vidíte na vrcholu mnoha testovacích vozů stojí 75 000 $. Dokonce i „rozpočtový“ model Puck společnosti stojí 8 000 $. A to není část, na které byste mohli chtít šetřit. Představte si, že okna vašeho auta zčernají při rychlosti 80 mil/h, a máte docela dobrou představu, jak by ztráta lidaru vypadala na počítači v samořídícím autě.

Jako všechny technologie, lidar se postupem času zlevnil, ale vyžaduje přesnost a masivní rotující části elektromechanický lidar znamená, že nemůže být každým rokem levnější, menší a lepší, stejně jako procesor ve vašem telefonu nebo počítač ano.

Ale co když… můžete vyrobit lidar pouze z křemíku? Odstraňte všechny pohyblivé části a budoucnost začne vypadat mnohem jasněji.

Vítejte v pevném stavu

Polovodičová elektronika, která ze své podstaty nemá žádné pohyblivé části, změnila způsob, jakým děláme vše od sledování času po poslech hudby. Pamatujete si, jak přenosné CD přehrávače přeskakovaly? To se stane, když se při čtení mikroskopických drážek na rotujícím disku spoléháte na laser. Ale můžete si dát svůj chytrý telefon v třepačce a přitom poslouchat Kanyeho, protože hudba je uložena na polovodičových paměťových čipech, kterým nevadí, že se otřesou. Lidar míří stejným směrem.

Stejně jako přenosné CD přehrávače není ani roztočení elektromechanického lidaru ideální. "Číslo jedna, jsou velké," říká Tapley. „Číslo dvě, jsou drahé. Solid-state lidar nám umožňuje být menší, lépe zabalit do vozidel a snížit náklady.“

Jak můžete pohybovat světlem, aniž byste pohnuli čočkou nebo zrcadlem? Jak se lidar dostane do pevného stavu? Inženýři vymysleli několik vyloženě geniálních způsobů.

První se jmenuje blikat lidar. „Blesk je v podstatě tam, kde máte zdroj světla a tento zdroj světla zaplaví celé zorné pole jednou pomocí pulzu,“ vysvětluje Tapley. "Snímač doby letu přijímá toto světlo a je schopen vykreslit obraz toho, co vidí." Představte si to jako kameru, která místo barvy vidí vzdálenost.

Tato jednoduchost má ale několik úskalí. Abyste viděli hodně daleko, potřebujete silný záblesk světla, který to prodražuje. A světlo nemůže být tak mocný že poškozuje lidské sítnice, což omezuje dosah. Jedním z řešení je vystřelit světlo na specifickou, neviditelnou vlnovou délku, která neovlivňuje lidské oči. Perfektní! Dokud nenarazíte na další háček: Levné křemíkové zobrazovače nebudou „číst“ záblesky světla ve spektru bezpečném pro oči. Potřebujete drahé gallium-arsenidové zobrazovače, které mohou zvýšit náklady na tyto systémy až na 200 000 USD.

„Musíte mít extrémně výkonný zdroj světla nebo extrémně citlivý přijímač, a pokud tyto věci nemáte, máte omezený dosah,“ říká Tapley. Mohlo by to být perfektní pro vládní letadla provádějící podrobné letecké průzkumy, ale flash lidar pravděpodobně není vhodný pro vaši Corollu.

Nastavte phasery na skenování

Naštěstí existuje i jiný způsob. Louay Eldada tento problém řeší od doby, kdy na počátku 90. let získal doktorát z optoelektroniky; a dnes běží Quanergy, jeden z předních hráčů v solid-state lidar. Eldada a jeho tým odvodili jiný přístup tím, že se podívali na to, jak funguje radar. Je to koneckonců blízký bratranec lidaru. Jak se ukázalo, radar se točil stejně jako lidar, dokud vědci nevyvinuli brilantní řešení známé jako fázované pole.

Fázované pole může vysílat rádiové vlny v libovolném směru – bez otáčení v kruzích – pomocí mikroskopického pole jednotlivých antén synchronizovaných specifickým způsobem. Řízením časování – neboli fáze – mezi každou anténou vysílající svůj signál, mohou inženýři „nasměrovat“ jeden soudržný signál specifickým směrem.

Fázovaná pole se v radarech používají od 50. let 20. století. Eldada a jeho tým ale přišli na to, jak použít stejnou techniku ​​se světlem. „Máme velké množství, obvykle milion, optických anténních prvků,“ vysvětluje Eldada. "Na základě jejich fázového vztahu mezi sebou tvoří vyzařovací diagram nebo skvrnu, která má určitou velikost a je zaměřena určitým směrem."

Inteligentním načasováním přesného záblesku milionu jednotlivých zářičů může Quanergy „řídit“ světlo pouze pomocí křemíku. "Efekt interference určuje, kterým směrem světlo jde, nikoli pohybující se zrcadlo nebo čočka," vysvětluje Eldada.

To znamená, že hnízdo optiky a motorů uvnitř kbelíku lidaru za 75 000 dolarů zmizí a vám zůstanou jen čipy. Právě teď Quanergy používá několik čipů a prodává balíček za 900 dolarů, ale budoucí verze se stanou jediným čipem. "V tom okamžiku naše prodejní cena klesne pod 100 $," předpovídá Eldada.

Solid state není jen levnější, je lepší. „Schopnost efektivně měnit tvar čočky na jakýkoli požadovaný tvar vám umožňuje přibližovat a oddalovat,“ vysvětluje Eldada. „Představte si, že se díváte na objekt ve svém pruhu a chcete ve vysokém rozlišení definovat, co to je. Zmenšíte velikost místa a určíte, že je to jelen, je to pneumatika, je to matrace, která spadla z náklaďáku. Zároveň můžete přeskakovat mezi tím, že to uděláte, a pohledem na velkou scénu.“ Toto „skákání“ se může stát vícekrát časy za sekundu, aniž by o tom řidič věděl, protože algoritmus vyvolává záběry a určuje, co si zaslouží bližší Koukni se.

Polovodičová zařízení také vydrží déle. Elektromechanický lidar může běžet 1 000 až 2 000 hodin před selháním. S průměrnými americkými výdaji 293 hodin v autě za rokVětšina z nás by nakonec vyměnila lidar před pneumatikami. Quanergy tvrdí, že jeho polovodičový lidar poběží 100 000 hodin – více, než kdy bude jezdit většina aut.

Zrcadlo zrcadlo na zdi

Flash a optická fázovaná pole jsou opravdu jediná skutečný lidar v pevné fázi. Existuje však třetí nový způsob, jak udělat lidar, nevlastní rudovlasé dítě známé jako mikroelektromechanická zrcadla – neboli zrcadla MEMS.

Jak naznačuje „mechanický“ v „mikroelektromechanickém“, existují pohyblivé části, takže zrcadla MEMS nejsou skutečně polovodičová. Ale jsou také tak malé, že tato technologie stále představuje zlepšení oproti velkému elektromechanickému lidaru.

"Architektura je velmi jednoduchá," vysvětluje Tapley. "Máte jeden laser, jedno zrcadlo." Laser pálí do velmi malého zrcadla, které se otáčí jako vršek a zajišťuje rotaci, kterou konvenční lidar získá při otáčení celého kbelíku.

Je to dost jednoduché, dokud nebudete chtít kromě točení v kruzích pohybovat laserem nahoru a dolů. Pak jej musíte „kaskádovat“ z jiného zrcadla, které se točí na jiné ose. Nebo můžete střílet více laserů na jedno zrcadlo. Ať tak či onak, náklady a složitost se začínají zvyšovat.

„Ujištění, že je vše dokonale zarovnáno, vytváří výzvy,“ vysvětluje Tapley. "Pokud máte tento laser v zrcadle, které se otáčí v obou osách, může být někdy náchylné k otřesy a vibrace." Víte, jako typ, který můžete najít v autě, poskakující po silnici v 70 mph.

Eldada poukazuje na další problémy. „Mikro MEM zrcadla se vychylují ze zarovnání. Neudržují kalibraci. Když dojde k velkým změnám teploty, je třeba je během životnosti znovu kalibrovat.“

"Pokud se zrcátka zaseknou, máte problém s bezpečností očí," zdůrazňuje. A sluneční světlo může způsobit svou vlastní zkázu. "Máte velké problémy, když čelíte slunci," říká Eldada. "Sluneční světlo na něj dopadne, světlo se bude odrážet uvnitř lidaru a nasytí detektory a přehluší signál."

S tolika rozdíly mezi všemi třemi typy lidarů nové generace Aptiv zajišťuje své sázky tím, že se všemi pracuje – a investuje do nich. „Každý má jiné kompromisy ve vztahu k zornému poli, rozsahu a rozlišení,“ vysvětluje Tapley. "V závislosti na tom, kde je lidar na vozidle umístěn, bude určovat, který z nich musí být nejdůležitější."

Například lidar směřující do strany nemusí potřebovat rozsah jako lidar směřující dopředu. Aptiv doufá, že smícháním a sladěním různých druhů využije to nejlepší ze všech světů.

Tak kde je moje samořídící auto?

V roce 1999 představil Jaguar první radarový tempomat v XK, kupé, které se prodávalo za přibližně 100 000 dolarů v dnešních dolarech. V té době byly senzory tak drahé, že jak říká Tapley: „Lidé si dělali legraci, že ke každému nákupu radaru dostanete Jag zdarma.“

Dnes můžete získat stejnou funkci v Corolle za 18 000 dolarů. “Jsme na stejné křivce učení s lidarem,“ říká. "Dokud pevné skupenství nedozraje a nezahájí sériovou výrobu, budou tato vozidla pro průměrného spotřebitele značně cenově nedostupná."

K tomu pomáhá polovodičový lidarový senzor Quanergy za 900 USD. Nadcházející Fisker Emotion bude prvním vozidlem, které vyrazí do ulic s těmito senzory uvnitř – pět z nich – až dorazí v roce 2019. Nejsou větší než baterie pro akumulátorovou vrtačku, jsou zakopané ve větracích otvorech, skryté za chromovanými mřížkami a zcela neviditelné, pokud je zrovna nehledáte. Daleko od včerejších rotujících věder.

Eldada věří, že autonomní vozy úrovně 4 od notoricky „agresivního“ amerického výrobce uvidíme již v roce 2020. „2021, 2022, uvidíte několik dalších. Rok 2023 je velký rok. Většina automobilek bude mít samořídící auta."

Zatímco Fisker bude mít cenu 130 000 dolarů, může nakonec vypadat hodně jako Jaguar XK z roku 1999: Drahá předzvěst budoucí technologie. Solid-state lidar nakonec znamená, že samořídící auta nebudou jen robochauffers pro bohaté. "To znamená, že každý může mít auto s vlastním pohonem," říká Eldada. „Není to jen pro Mercedes třídy S a BMW řady 7. To znamená, že lidé, kteří řídí Toyotu Corollas, budou mít také samořídící auta.“

A jakkoli může tento posun znít zásadně, auta mohou být pro polovodičový lidar jen začátkem. „Uvidíte to v zařízeních, uvidíte to v nositelných zařízeních, v helmách hasičů a vojáků. Aplikace jsou téměř neomezené."

Doporučení redakce

• Volkswagen zahajuje svůj vlastní program testování samořídících vozů v USA.
• Robotaxis má problém s cestujícími, na který nikdo nepomyslel
• Ford a VW zavírají autonomní jednotku Argo AI
• Nvidia's Drive Concierge naplní vaše auto obrazovkami
• Cruiseovy robotické taxíky míří do Arizony a Texasu