Solid State Lidar: Nøglen til billige selvkørende biler

Har du nogensinde lagt mærke til, hvordan selvkørende biler ender med at bære nogle mærkelige hatte?

De tidligste selvkørende militærlastbiler så ud, som om de havde snurrende kaffedåser oppe. Carnegie Mellon ikonisk selvkørende Hummer blev toppet af en kæmpe pingpongbold. Waymos lille smiley prototype bærer en sireneformet kuppel, der får den til at ligne verdens mest yndige politibil.

Inde i alle tre er omkring et dusin lasere, der skyder gennem teleskopoptik, slynger omkring hundredvis af gange i minuttet, for at generere 300.000 datapunkter i sekundet. Det kaldes lidar, og uden det ville disse biler alle være blinde. Det er også en af ​​de største grunde til, at du ikke har en selvkørende bil i din indkørsel lige nu. Til omkring $75.000 kan en enkelt lidar nemt koste mere end den bil, den kører på. Og det er kun én ingrediens i den selvkørende suppe.

Men en ny teknologi dukker op overalt i år: Solid-state lidar. Uden bevægelige dele lover det at give selvkørende biler skarpere og bedre udsyn til en brøkdel af prisen for gamle, elektromekaniske systemer. Solid-state lidar vil bane vejen for de første selvkørende biler, du rent faktisk har råd til. Sådan fungerer det - og hvad der er lige rundt om hjørnet.

Hvordan lidar virker

Udtrykket "lidar" kommer fra at blande "lys" og "radar", hvilket også er en praktisk måde at forstå det på, fordi … ja, det er radar, men med lys.

En genopfriskning fra gymnasiets fysik: Radar sender en puls af radiobølger fra et objekt, som et fly, for at bestemme, hvor langt væk det er, baseret på hvor lang tid det tager for pulsen at hoppe tilbage. Lidar bruger en lyspuls fra en laser til at gøre det samme.

Tag nok af disse lasere, spin dem i en cirkel, og du ender med en tredimensionel "punktsky" af verden omkring dig. Du har sikkert set disse regnbuefarvede prikker, der skildrer bybilleder, bjerge og endda Thom Yorkes syngende, kropsløse hoved i Radiohead's Korthus musikvideo. Det 360-graders 3D-kort er som en Rosetta-sten for en selvkørende bil, hvilket gør det muligt for den at tyde verden omkring den.

"Du har brug for en kombination af kameraer, radar og lidar for at skabe et selvkørende system," forklarer Jada Tapley, VP for Advanced Engineering hos Aptiv. Hun ville vide det. Aptiv byggede autonome Lyft biler at færgede deltagere rundt i Las Vegas til CES 2018. I den værste gridlock byen ser hele året. Og monsunlignende forhold. Med nul ulykker.

Disse biler havde ni lidarer, ti radarer og fire kameraer. En kombination af alle tre tillader den at køre sig selv, men lidar udfører den afgørende funktion, som ingeniører kalder lokalisering. "Det er vigtigt for køretøjet at kunne identificere sig med en meget høj grad af nøjagtighed, hvor det er på kortet," forklarer Tapley. "Vi bruger vores lidar til at gøre det."

Autonome bilniveauer forklaret
Internationale ingeniørorganisationer har sat sig på seks niveauer af automatisering for at tale om den udvikling, vi vil se mellem dumme biler og fuldstændig autonomi.

Niveau 0: Ingen autonomi
Dette er den bil, du sandsynligvis allerede ejer. Stop med at sms'e! Du skal gøre alt.
Niveau 1: Hands on
Din bil vil hjælpe dig i nogle scenarier, såsom adaptiv fartpilot, der bremser dig på motorvejen, når bilen foran dig gør det.
Niveau 2: Hands off
Din bil kan køre ligesom du gør - under de helt rigtige omstændigheder, som Tesla Autopilot på en opdelt, afmærket motorvej.
Niveau 3: Øjnene væk
Gå videre og send den tekst; denne bil styrter ikke ned, hvis den ikke har din opmærksomhed. Men du bliver stadig nødt til at tage fat i rattet, hvis tingene bliver komplicerede, som med Audi Traffic Jam Pilot.
Niveau 4: Pas på
Gå i seng; din bil er under kontrol. Men du har stadig brug for at sidde bag et ratt i tilfælde af.
Niveau 5: Total autonomi
Din bil har intet rat, fordi den kan køre bedre, end du kan i alle scenarier. Sæt dig bagerst, svagt menneske.

Mens GPS kan indsnævre din placering til en cirkel omkring 16 fod i diameter, lidar kan gøre det inden for en cirkel fire tommer i diameter. Det er bedre end mange chauffører kan klare. Tapley husker en gruppe måbende journalister, der krympede sig, da Aptivs autonome bil bragede forbi en parkeret bus i Las Vegas. Det behøvede de ikke - for bilen vidste, at der var masser af plads. "Som mennesker bliver vi skræmt, især af store, store køretøjer som busser eller semibiler. Så vi har en tendens til at gå lidt væk fra dem,” forklarer hun. "Men et autonomt køretøj behøver ikke at gøre det."

Mens kameraer kan identificere objekter, og radar kan fortælle, hvor langt væk de er, kan lidar opnå begge dele med en grad af præcision, som hverken kan røre ved. "Forestil dig, at der er et 18-hjulet dækmønster midt på vejen," siger Tapley. "Radar vil ikke opdage det. Lidar vil.”

Derfor skal en Tesla Model S, der både har kameraer og radar, men ingen lidar, have en chauffør parat til at tage rattet til enhver tid. Det betragtes som et niveau 2 autonomt køretøj. Næsten alle bilautonomieksperter — med iøjnefaldende undtagelse af Elon Musk — tror, ​​at lidar er nødvendigt for at opnå ægte "søvn bag rattet" niveau 4 autonomi.

Og det er et enormt problem, hvis du eller jeg nogensinde håber at eje en. Sølvet Velodyne HDL-64E du ser oven på mange testbiler koster $75.000. Selv virksomhedens "budget" Puck-model kører $8.000. Og det er ikke en del, du kan ønske at spare på. Forestil dig, at dine bilruder bliver sorte med 80 km/t, og du har en ret god idé om, hvordan tab af lidar ville se ud for computeren i en selvkørende bil.

Som al teknologi er lidar blevet billigere med tiden, men den krævede præcision og massive spindedele ind elektromekanisk lidar betyder, at den ikke kan blive billigere, mindre og bedre hvert år på samme måde som processoren i din telefon eller computer gør.

Men hvad nu hvis … du kunne lave lidar kun af silicium? Fjern alle de bevægelige brikker, og fremtiden begynder at se meget lysere ud.

Velkommen til solid state

Solid-state elektronik, som per definition ikke har nogen bevægelige stykker, har ændret måden, vi gør alt fra at holde styr på tiden til at lytte til musik. Kan du huske, hvordan bærbare cd-afspillere plejede at springe over? Det er, hvad der sker, når du stoler på en laser til at aflæse mikroskopiske riller i en roterende skive. Men du kan sætte din smartphone i en malerryster og stadig lytte til Kanye, for musikken er gemt på solid-state hukommelseschips, der ikke har noget imod at blive rystet. Lidar er på vej i samme retning.

Ligesom bærbare cd-afspillere er spinning af elektromekanisk lidar ikke ideelt. "Nummer et, de er store," siger Tapley. "Nummer to, de er dyre. Solid-state lidar giver os mulighed for at blive mindre, pakke bedre ind i køretøjerne og reducere omkostningerne."

Hvordan flytter du lys rundt uden at flytte en linse eller et spejl? Hvordan kommer lidar til fast tilstand? Ingeniører har udtænkt nogle geniale måder.

Den første hedder blitz lidar. "Flash er dybest set, hvor du har en lyskilde, og den lyskilde oversvømmer hele synsfeltet én gang ved hjælp af en puls," forklarer Tapley. "En time-of-flight-billedkamera modtager det lys og er i stand til at male billedet af det, den ser." Tænk på det som et kamera, der ser afstand i stedet for farve.

Men den enkelthed kommer med nogle problemer. For at se meget langt har du brug for et kraftigt lysudbrud, hvilket gør det dyrere. Og lyset kan ikke være det så kraftfuldt at det skader menneskets nethinder, hvilket begrænser rækkevidden. En løsning er at sprænge lys ved en specifik, usynlig bølgelængde, der ikke påvirker menneskelige øjne. Perfekt! Indtil du støder ind i endnu en fangst: Billige silicium-imagers vil ikke "læse" lysstød i det øjensikre spektrum. Du har brug for dyre gallium-arsenid-imagere, som kan øge omkostningerne ved disse systemer så højt som $200.000.

"Du skal have en ekstremt kraftig lyskilde eller en ekstremt følsom modtager, og hvis du ikke har de ting, så har du denne begrænsede rækkevidde," siger Tapley. Det kan være perfekt til regeringsfly, der udfører detaljerede luftundersøgelser, men flash lidar er sandsynligvis ikke egnet til din Corolla.

Indstil phasers til at scanne

Heldigvis er der en anden måde. Louay Eldada har knækket på problemet, siden han fik sin ph.d. i optoelektronik i begyndelsen af ​​90'erne; og i dag løber han Quanergi, en af ​​de fremtrædende spillere i solid-state lidar. Eldada og hans team udledte en anden tilgang ved at se på, hvordan radar fungerer. Det er trods alt en nær fætter til lidar. Som det viser sig, plejede radar at snurre ligesom lidar, indtil videnskabsmænd udviklede en genial løsning kendt som phased array.

Et phased array kan udsende radiobølger i alle retninger - uden at dreje i cirkler - ved at bruge et mikroskopisk array af individuelle antenner, der er synkroniseret på en bestemt måde. Ved at styre timingen - eller fasen - mellem hver antenne, der udsender sit signal, kan ingeniører "styre" et sammenhængende signal i en bestemt retning.

Phased arrays har været i brug i radar siden 1950'erne. Men Eldada og hans team fandt ud af at bruge den samme teknik med lys. "Vi har et stort antal, typisk en million, optiske antenneelementer," forklarer Eldada. "Baseret på deres indbyrdes trinvise forhold danner de et strålingsmønster eller plet, der har en vis størrelse og peger i en bestemt retning."

Ved intelligent timing af det præcise blink fra en million individuelle udsendere kan Quanergy "styre" lyset kun ved brug af silicium. "Interferenseffekten bestemmer, i hvilken retning lyset går, ikke et bevægeligt spejl eller linse," forklarer Eldada.

Det betyder, at reden af ​​optik og motorer inde i en $75.000 lidar-spand forsvinder, og du står tilbage med kun chips. Lige nu bruger Quanergy flere chips og sælger pakken for $900, men fremtidige versioner bliver en enkelt chip. "På det tidspunkt vil vores salgspris blive under $100," forudser Eldada.

Solid state er ikke bare billigere, det er bedre. "Ved at være i stand til effektivt at ændre objektivets form til den form, du ønsker, kan du zoome ind og ud," forklarer Eldada. "Så forestil dig, at du ser på et objekt i din bane, og du vil definere i høj opløsning, hvad det er. Du reducerer pletstørrelsen og fastslår, at det er et rådyr, det er et dæk, det er en madras, der faldt af en lastbil. Samtidig kan du hoppe mellem at gøre det og se på den store scene.” Denne "hopping" kan ske flere gange gange i sekundet, uden at en chauffør overhovedet ved det, da en algoritme kalder skud og bestemmer, hvad der fortjener en nærmere se.

Solid-state-enheder holder også længere. Elektromekanisk lidar kan køre i mellem 1.000 og 2.000 timer før fejl. Med det gennemsnitlige amerikanske forbrug 293 timer i bil om året, ville de fleste af os ende med at udskifte vores lidar før vores dæk. Quanergy hævder, at dens solid-state lidar vil køre i 100.000 timer - mere end de fleste biler nogensinde vil køre.

Spejl spejl, på væggen

Flash og optiske fasede arrays er virkelig de eneste rigtigt solid-state lidar. Men der er en tredje ny måde at lave lidar på, det rødhårede stedbarn kendt som mikroelektromekaniske spejle - eller MEMS-spejle.

Som det "mekaniske" i "mikroelektromekanisk" antyder, er der bevægelige dele, så MEMS-spejle er ikke rigtig solid-state. Men de er også så små, at teknologien stadig repræsenterer en forbedring i forhold til storskala elektromekanisk lidar.

"Arkitekturen er meget enkel," forklarer Tapley. "Du har en laser, et spejl." Laseren skyder ind i det meget lille spejl, der snurrer som en top og giver den rotation, som konventionel lidar får ved at dreje en hel spand rundt.

Det er enkelt nok, indtil du vil flytte laseren op og ned ud over at dreje i cirkler. Så skal du "kaskade" det af et andet spejl, som drejer om en anden akse. Eller du kan skyde flere lasere mod ét spejl. Uanset hvad, begynder omkostningerne og kompleksiteten at bygge sig op.

"At sørge for, at alt er tilpasset perfekt, skaber udfordringer," forklarer Tapley. "Hvis du har denne laser i et spejl, der roterer på begge akser, kan den nogle gange være modtagelig for stød og vibrationer." Du ved, ligesom den type du måske finder i en bil, der hopper ned ad vejen ved 70 mph.

Eldada peger på andre problemer. "Micro MEMs spejle glider ud af justering. De opretholder ikke kalibrering. Når der er store ændringer i temperaturen, skal de omkalibreres i løbet af deres levetid."

"Hvis spejlene sætter sig fast, har du et øjensikkerhedsproblem," påpeger han. Og sollys kan skabe sin egen kaos. "Du har store problemer, når du står over for solen," siger Eldada. "Sollyset vil ramme det, lyset vil blive reflekteret inde i lidaren og mætte detektorerne og overdøve signalet."

Med så mange forskelle mellem alle tre typer af næste generations lidar, afdækker Aptiv sine indsatser ved at arbejde med – og investere i – dem alle. "Hver har forskellige afvejninger i forhold til synsfelt, rækkevidde og opløsning," forklarer Tapley. "Afhængigt af hvor den lidar er placeret på køretøjet, vil det diktere, hvilken af ​​dem der skal være den vigtigste."

Sidevendt lidar, for eksempel, behøver måske ikke det område, som frontvendt lidar gør. Ved at blande og matche sorten håber Aptiv at udnytte det bedste fra alle verdener.

Så hvor er min selvkørende bil?

I 1999 introducerede Jaguar den første radarbaserede fartpilot i XK, en coupé, der blev solgt for omkring 100.000 dollars i nutidens dollars. På det tidspunkt var sensorerne så dyre, at som Tapley fortæller det: "Folk jokede med, at du fik en gratis Jag med hvert radarkøb."

I dag kan du få den samme funktion i en Corolla til $18.000. “Vi er lidt på den samme indlæringskurve med lidar, siger hun. "Indtil solid state bliver moden og kommer ind i masseproduktion, vil disse køretøjer være ret uoverkommelige for en gennemsnitsforbruger at eje."

Quanergys $900 solid-state lidar-sensor hjælper med at få det til at ske. Den kommende Fisker EMotion vil være det første køretøj, der kommer på gaden med disse sensorer indeni - fem af dem - når det ankommer i 2019. De er ikke større end batteripakken til en batteridrevet boremaskine, de er begravet i ventilationsåbninger, skjult bag kromgitre og helt usynlige, medmindre du leder efter dem. Langt fra gårsdagens snurrende spande.

Eldada mener, at vi vil se niveau 4 autonome biler fra en notorisk "aggressiv" amerikansk producent allerede i 2020. "2021, 2022, du vil se flere flere. 2023 er det store år. De fleste bilproducenter vil have selvkørende biler."

Mens Fisker vil blive prissat til $130.000, kan den ende med at ligne Jaguar XK fra 1999: En dyr forkynder for kommende teknologi. I sidste ende betyder solid-state lidar, at selvkørende biler ikke kun vil være robochauffører for de velhavende. "Det betyder, at alle kan have en selvkørende bil," siger Eldada. "Det er ikke kun til Mercedes S-klasse og BMW 7-serie. Det betyder, at folk, der kører Toyota Corollas, også vil have selvkørende biler."

Og hvor fundamentalt det skift end lyder, kan biler kun være begyndelsen til solid-state lidar. "Du vil se det i enheder, du vil se det i wearables, i hjelmene på brandmænd og soldater. Ansøgningerne er næsten ubegrænsede."

Redaktørens anbefalinger

• Volkswagen lancerer sit eget selvkørende biltestprogram i USA.
• Robotaxis har et passagerproblem, som ingen tænkte på
• Ford og VW lukker Argo AI autonom bilenhed
• Nvidias Drive Concierge vil fylde din bil med skærme
• Cruises robottaxier kører til Arizona og Texas