Solid-State-Lidar: Der Schlüssel zu günstigen selbstfahrenden Autos

Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass selbstfahrende Autos seltsame Rollen tragen?

Die ersten selbstfahrenden Militärlastwagen sahen aus, als hätten sie oben rotierende Kaffeedosen. Carnegie Mellons ikonischer selbstfahrender Hummer wurde von einem riesigen Tischtennisball gekrönt. Waymos kleiner Smiley-Prototyp trägt eine sirenenförmige Kuppel, die ihn wie das bezauberndste Polizeiauto der Welt aussehen lässt.

In allen dreien befinden sich etwa ein Dutzend Laser, die durch eine Optik in Teleskopqualität schießen und sich hunderte Male pro Minute bewegen, um 300.000 Datenpunkte pro Sekunde zu erzeugen. Es heißt Lidar, und ohne es wären diese Autos alle blind. Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum Sie derzeit kein selbstfahrendes Auto in Ihrer Einfahrt haben. Mit rund 75.000 US-Dollar kann ein einzelner Lidar leicht mehr kosten als das Auto, auf dem er fährt. Und das ist nur eine Zutat in der selbstfahrenden Suppe.

Aber dieses Jahr taucht überall eine neue Technologie auf: Solid-State-Lidar. Ohne bewegliche Teile verspricht es selbstfahrenden Autos eine schärfere und bessere Sicht zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher elektromechanischer Systeme. Solid-State-Lidar wird den Weg für die ersten selbstfahrenden Autos ebnen, die Sie sich tatsächlich leisten können. Hier erfahren Sie, wie es funktioniert – und was gleich um die Ecke ist.

Wie Lidar funktioniert

Der Begriff „Lidar“ kommt aus der Kombination von „Licht“ und „Radar“, was auch eine praktische Möglichkeit bietet, ihn zu verstehen, denn … nun, es ist Radar, aber mit Licht.

Eine Auffrischung aus der High-School-Physik: Radar reflektiert einen Funkwellenimpuls von einem Objekt, beispielsweise einem Flugzeug, um anhand der Zeit, die es dauert, bis der Impuls zurückprallt, zu bestimmen, wie weit es entfernt ist. Lidar nutzt dazu einen Lichtimpuls eines Lasers.

Nehmen Sie genügend Laser, drehen Sie sie im Kreis und Sie erhalten eine dreidimensionale „Punktwolke“ der Welt um Sie herum. Sie haben wahrscheinlich diese regenbogenfarbenen Punkte gesehen, die Stadtansichten, Berge und sogar Thom Yorkes singenden, körperlosen Kopf darstellen Radioheads Kartenhaus Musik-Video. Diese 360-Grad-3D-Karte ist für ein selbstfahrendes Auto wie ein Rosetta-Stein, der es ihm ermöglicht, die Welt um sich herum zu entschlüsseln.

„Man braucht eine Kombination aus Kameras, Radar und Lidar, um ein selbstfahrendes System zu schaffen“, erklärt Jada Tapley, VP of Advanced Engineering bei Aptiv. Sie würde es wissen. Aptiv hat das gebaut autonome Lyft-Autos das die Teilnehmer der CES 2018 durch Las Vegas beförderte. Im schlimmsten Verkehrskollaps, den die Stadt das ganze Jahr über erlebt. Und monsunähnliche Bedingungen. Ohne Unfälle.

Diese Autos hatten neun Lidar-, zehn Radar- und vier Kameras. Eine Kombination aus allen dreien ermöglicht es ihm, selbst zu fahren, aber Lidar übernimmt die entscheidende Funktion, die Ingenieure Lokalisierung nennen. „Es ist wichtig, dass das Fahrzeug mit sehr hoher Genauigkeit erkennen kann, wo es sich auf der Karte befindet“, erklärt Tapley. „Dazu nutzen wir unser Lidar.“

Autonome Fahrzeugstufen erklärt
Internationale Ingenieursorganisationen haben sich auf sechs Automatisierungsstufen festgelegt, um über die Entwicklung zwischen dummen Autos und völliger Autonomie zu sprechen.

Stufe 0: Keine Autonomie
Dies ist wahrscheinlich das Auto, das Sie bereits besitzen. Hör auf, SMS zu schreiben! Sie müssen alles tun.
Level 1: Praktisch
Ihr Auto wird Ihnen in manchen Situationen helfen, etwa indem der adaptive Tempomat Sie auf der Autobahn langsamer macht, wenn das Auto vor Ihnen dies tut.
Stufe 2: Hände weg
Ihr Auto kann genauso fahren wie Sie – unter genau den richtigen Umständen, wie zum Beispiel mit dem Tesla-Autopiloten auf einer geteilten, markierten Autobahn.
Level 3: Augen aus
Machen Sie weiter und senden Sie diesen Text. Dieses Auto wird nicht abstürzen, wenn es nicht Ihre Aufmerksamkeit hat. Aber auch wenn es kompliziert wird, müssen Sie immer noch ans Steuer greifen, wie zum Beispiel beim Audi Traffic Jam Pilot.
Level 4: Denk weg
Geh ins Bett; Ihr Auto ist unter Kontrolle. Aber für alle Fälle müssen Sie trotzdem hinter dem Lenkrad sitzen.
Stufe 5: Völlige Autonomie
Ihr Auto hat kein Lenkrad, weil es in allen Situationen besser fahren kann als Sie. Setz dich hinten hin, schwacher Mensch.

Während GPS Ihren Standort auf einen Umkreis eingrenzen kann 16 Fuß Durchmesser, Lidar kann dies innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von zehn Zoll tun. Das ist besser, als viele Fahrer schaffen können. Tapley erinnert sich an eine Gruppe von Journalisten, die mit großen Augen zusammenzuckten, als Aptivs autonomes Auto an einem geparkten Bus in Las Vegas vorbeiraste. Das war auch nicht nötig – denn das Auto wusste, dass es genügend Platz gab. „Als Menschen lassen wir uns einschüchtern, besonders von großen Fahrzeugen wie Bussen oder Sattelschleppern. Deshalb tendieren wir dazu, uns von ihnen zu distanzieren“, erklärt sie. „Aber ein autonomes Fahrzeug muss das nicht tun.“

Während Kameras Objekte identifizieren können und Radar erkennen kann, wie weit sie entfernt sind, kann Lidar beides mit einer Präzision erreichen, die keines von ihnen erreichen kann. „Stellen Sie sich vor, dass sich mitten auf der Straße das Profil eines 18-Rad-Reifens befindet“, sagt Tapley. „Das Radar wird das nicht erkennen. Lidar wird es tun.“

Aus diesem Grund muss ein Tesla Model S, das sowohl über Kameras als auch über Radar, aber kein Lidar verfügt, über einen Fahrer verfügen, der jederzeit bereit ist, das Steuer zu übernehmen. Es gilt als autonomes Fahrzeug der Stufe 2. Fast alle Experten für Autonomie – mit dem krasse Ausnahme von Elon Musk – glauben, dass Lidar notwendig ist, um echte Autonomie der Stufe 4 beim „Schlafen am Steuer“ zu erreichen.

Und das ist ein enormes Problem, wenn Sie oder ich jemals hoffen, eines zu besitzen. Das Silber Velodyne HDL-64E Wie Sie sehen, kostet das Dach vieler Testwagen 75.000 US-Dollar. Sogar das „Budget“-Puck-Modell des Unternehmens kostet 8.000 US-Dollar. Und das ist kein Teil, an dem Sie sparen sollten. Stellen Sie sich vor, dass Ihre Autoscheiben bei 130 km/h schwarz werden, und Sie haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie der Verlust von Lidar für den Computer in einem selbstfahrenden Auto aussehen würde.

Wie alle Technologien ist Lidar im Laufe der Zeit billiger geworden, aber die erforderliche Präzision und die massiven rotierenden Teile sind zurückgegangen Elektromechanisches Lidar bedeutet, dass es nicht jedes Jahr billiger, kleiner und besser werden kann, so wie der Prozessor in Ihrem Telefon oder Computer tut es.

Aber was wäre, wenn … man Lidar nur aus Silizium herstellen könnte? Entfernen Sie alle beweglichen Teile, und die Zukunft sieht viel rosiger aus.

Willkommen im Solid State

Festkörperelektronik, die per Definition keine beweglichen Teile hat, hat die Art und Weise verändert, wie wir alles tun, von der Zeitmessung bis zum Musikhören. Erinnern Sie sich, wie tragbare CD-Player früher übersprungen haben? Das passiert, wenn man sich darauf verlässt, dass ein Laser mikroskopisch kleine Rillen in einer rotierenden Scheibe liest. Aber Sie können Ihre setzen Smartphone In einem Farbschüttler sitzen und trotzdem Kanye hören, denn die Musik ist auf Solid-State-Speicherchips gespeichert, denen es nichts ausmacht, geschüttelt zu werden. Lidar geht in die gleiche Richtung.

Wie tragbare CD-Player ist auch das rotierende elektromechanische Lidar nicht ideal. „Erstens sind sie groß“, sagt Tapley. „Zweitens sind sie teuer. Mit Solid-State-Lidar können wir kleiner werden, die Fahrzeuge besser unterbringen und die Kosten senken.“

Wie bewegt man Licht, ohne eine Linse oder einen Spiegel zu bewegen? Wie gelangt Lidar in einen festen Zustand? Ingenieure haben einige geradezu geniale Methoden entwickelt.

Der erste heißt Blitz Lidar. „Blitz ist im Grunde eine Lichtquelle, die mit einem Impuls das gesamte Sichtfeld einmal durchflutet“, erklärt Tapley. „Ein Flugzeitbildgeber empfängt dieses Licht und ist in der Lage, das Bild dessen zu zeichnen, was er sieht.“ Stellen Sie sich das wie eine Kamera vor, die Distanz statt Farbe sieht.

Aber diese Einfachheit hat einige Nachteile. Um sehr weit zu sehen, braucht man einen starken Lichtblitz, was die Sache teurer macht. Und das Licht kann nicht sein so mächtig dass es die menschliche Netzhaut schädigt, was die Reichweite einschränkt. Eine Lösung besteht darin, Licht mit einer bestimmten, unsichtbaren Wellenlänge abzustrahlen, die das menschliche Auge nicht beeinträchtigt. Perfekt! Bis Sie auf einen weiteren Haken stoßen: Preiswerte Silizium-Imager „lesen“ keine Lichtblitze im augensicheren Spektrum. Sie benötigen teure Galliumarsenid-Imager, wodurch die Kosten dieser Systeme auf bis zu 200.000 US-Dollar steigen können.

„Man braucht eine extrem leistungsstarke Lichtquelle oder einen extrem empfindlichen Empfänger, und wenn man diese Dinge nicht hat, ist die Reichweite begrenzt“, sagt Tapley. Es könnte perfekt für Regierungsflugzeuge sein, die detaillierte Luftaufnahmen durchführen, aber Flash-Lidar ist wahrscheinlich nicht für Ihren Corolla geeignet.

Stellen Sie die Phaser auf Scannen ein

Zum Glück gibt es einen anderen Weg. Louay Eldada beschäftigt sich seit seiner Promotion in Optoelektronik Anfang der 90er Jahre mit dem Problem; und heute läuft er Quanergie, einer der herausragenden Anbieter von Solid-State-Lidar. Eldada und sein Team leiteten einen anderen Ansatz ab, indem sie die Funktionsweise von Radar untersuchten. Es ist schließlich ein enger Verwandter von Lidar. Wie sich herausstellte, drehte sich Radar früher genau wie Lidar, bis Wissenschaftler eine brillante Lösung entwickelten, die als Phased Array bekannt ist.

Ein Phased Array kann Radiowellen in jede Richtung senden – ohne sich im Kreis zu drehen –, indem es eine mikroskopisch kleine Anordnung einzelner Antennen verwendet, die auf eine bestimmte Weise synchronisiert sind. Durch die Steuerung des Timings – oder der Phase – zwischen den einzelnen Antennen, die ihr Signal ausstrahlen, können Ingenieure ein zusammenhängendes Signal in eine bestimmte Richtung „lenken“.

Phased Arrays werden seit den 1950er Jahren im Radarbereich eingesetzt. Aber Eldada und sein Team haben herausgefunden, wie man dieselbe Technik auch mit Licht anwenden kann. „Wir haben eine große Anzahl, typischerweise eine Million, optischer Antennenelemente“, erklärt Eldada. „Aufgrund ihrer Phasenbeziehung zueinander bilden sie ein Strahlungsmuster oder einen Fleck, der eine bestimmte Größe hat und in eine bestimmte Richtung zeigt.“

Durch intelligentes Timing des präzisen Blitzes einer Million einzelner Emitter kann Quanergy Licht nur mithilfe von Silizium „steuern“. „Der Interferenzeffekt bestimmt, in welche Richtung das Licht geht, nicht ein bewegter Spiegel oder eine bewegliche Linse“, erklärt Eldada.

Das bedeutet, dass das Nest aus Optik und Motoren in einem 75.000-Dollar-Lidar-Eimer verschwindet und Sie nur noch Chips haben. Derzeit verwendet Quanergy mehrere Chips und verkauft das Paket für 900 US-Dollar, aber zukünftige Versionen werden ein einzelner Chip sein. „An diesem Punkt wird unser Verkaufspreis unter 100 US-Dollar liegen“, prognostiziert Eldada.

Solid State ist nicht nur billiger, es ist auch besser. „Die Möglichkeit, die Form des Objektivs effektiv in jede gewünschte Form zu ändern, ermöglicht das Vergrößern und Verkleinern“, erklärt Eldada. „Stellen Sie sich also vor, Sie betrachten ein Objekt auf Ihrer Fahrspur und möchten in hoher Auflösung definieren, um was es sich handelt. Sie reduzieren die Größe des Flecks und stellen fest, dass es sich um ein Reh, einen Reifen oder eine Matratze handelt, die von einem Lastwagen gefallen ist. Gleichzeitig kann man zwischen diesem Tun und dem Betrachten der großen Szene hin- und herwechseln.“ Dieses „Hüpfen“ kann mehrfach vorkommen Mal pro Sekunde, ohne dass der Fahrer es überhaupt weiß, da ein Algorithmus den Ton angibt und bestimmt, was eine nähere Betrachtung verdient sehen.

Außerdem halten Solid-State-Geräte länger. Elektromechanisches Lidar kann zwischen 1.000 und 2.000 Stunden laufen, bevor es ausfällt. Mit den durchschnittlichen amerikanischen Ausgaben 293 Stunden im Auto pro Jahr, würden die meisten von uns am Ende ihren Lidar vor ihren Reifen austauschen. Quanergy behauptet, dass sein Solid-State-Lidar 100.000 Stunden lang laufen wird – mehr, als die meisten Autos jemals fahren werden.

Spieglein Spieglein an der Wand

Flash und optische Phased-Arrays sind wirklich die einzigen WAHR Festkörper-Lidar. Aber es gibt noch einen dritten neuen Weg, Lidar zu machen, das rothaarige Stiefkind, das als mikroelektromechanische Spiegel – oder MEMS-Spiegel – bekannt ist.

Wie das Wort „mechanisch“ in „mikroelektromechanisch“ andeutet, gibt es bewegliche Teile, sodass MEMS-Spiegel keine wirklichen Festkörperspiegel sind. Aber sie sind auch so winzig, dass die Technologie immer noch eine Verbesserung gegenüber großformatigen elektromechanischen Lidar darstellt.

„Die Architektur ist sehr einfach“, erklärt Tapley. „Sie haben einen Laser, einen Spiegel.“ Der Laser schießt in den sehr kleinen Spiegel, der sich wie ein Kreisel dreht und so für die Rotation sorgt, die herkömmliches Lidar durch das Drehen eines ganzen Eimers erhält.

Es ist ganz einfach, bis Sie den Laser nicht nur im Kreis drehen, sondern auch auf und ab bewegen möchten. Dann müssen Sie es von einem anderen Spiegel „kaskadieren“, der sich um eine andere Achse dreht. Oder Sie können mehrere Laser auf einen Spiegel schießen. So oder so beginnen die Kosten und die Komplexität zu steigen.

„Sicherzustellen, dass alles perfekt aufeinander abgestimmt ist, schafft Herausforderungen“, erklärt Tapley. „Wenn Sie diesen Laser in einem Spiegel haben, der sich um beide Achsen dreht, kann er manchmal anfällig sein Stöße und Vibrationen.“ Sie wissen schon, wie der Typ, den man vielleicht in einem Auto findet, der mit 70 die Straße hinunterhüpft Meilen pro Stunde.

Eldada weist auf andere Probleme hin. „Mikro-MEM-Spiegel geraten aus der Ausrichtung. Sie halten die Kalibrierung nicht aufrecht. Bei großen Temperaturschwankungen müssen sie im Laufe der Lebensdauer neu kalibriert werden.“

„Wenn die Spiegel hängen bleiben, besteht ein Problem mit der Augensicherheit“, betont er. Und Sonnenlicht kann sein eigenes Chaos anrichten. „Man hat große Probleme, wenn man der Sonne zugewandt ist“, sagt Eldada. „Das Sonnenlicht wird darauf treffen, das Licht wird im Lidar reflektiert, die Detektoren werden gesättigt und das Signal wird übertönt.“

Angesichts der großen Unterschiede zwischen allen drei Lidar-Typen der nächsten Generation sichert Aptiv seine Chancen ab, indem es mit allen zusammenarbeitet und in sie investiert. „Jedes hat unterschiedliche Kompromisse in Bezug auf Sichtfeld, Reichweite und Auflösung“, erklärt Tapley. „Je nachdem, wo dieser Lidar am Fahrzeug positioniert ist, bestimmt er, welcher davon am wichtigsten sein muss.“

Beispielsweise benötigt ein zur Seite gerichtetes Lidar möglicherweise nicht die Reichweite wie ein nach vorne gerichtetes Lidar. Durch die Kombination verschiedener Sorten hofft Aptiv, das Beste aus allen Welten zu nutzen.

Wo ist also mein selbstfahrendes Auto?

Im Jahr 1999 führte Jaguar im XK, einem Coupé, das für etwa 100.000 US-Dollar verkauft wurde, den ersten Radar-Tempomaten ein. Damals waren die Sensoren so teuer, dass, wie Tapley erzählt, „die Leute scherzten, dass man bei jedem Radarkauf einen kostenlosen Jag bekam.“

Heute können Sie die gleiche Funktion in einem Corolla für 18.000 US-Dollar erhalten. “Bei Lidar befinden wir uns in gewisser Weise auf derselben Lernkurve“, sagt sie. „Bis der Festkörperantrieb ausgereift ist und in die Massenproduktion geht, wird der Besitz dieser Fahrzeuge für den Durchschnittsverbraucher ziemlich unerschwinglich sein.“

Der 900-Dollar-Solid-State-Lidar-Sensor von Quanergy trägt dazu bei, dass dies gelingt. Das bevorstehende Fisker EMotion wird das erste Fahrzeug sein, das mit diesen Sensoren – fünf davon – auf die Straße kommt, wenn es 2019 auf den Markt kommt. Sie sind nicht größer als der Akku einer Akku-Bohrmaschine, sind in Lüftungsschlitzen vergraben, hinter Chromgittern versteckt und völlig unsichtbar, es sei denn, Sie suchen danach. Weit entfernt von den Spinnereien von gestern.

Eldada geht davon aus, dass wir bereits 2020 autonome Autos der Stufe 4 von einem notorisch „aggressiven“ amerikanischen Hersteller sehen werden. „2021, 2022 werden Sie noch einige weitere sehen. 2023 ist das große Jahr. Die meisten Autohersteller werden selbstfahrende Autos haben.“

Auch wenn der Preis für den Fisker bei 130.000 US-Dollar liegen wird, könnte er am Ende doch stark wie der Jaguar XK von 1999 aussehen: ein teurer Vorbote der kommenden Technologie. Letztendlich bedeutet Solid-State-Lidar, dass selbstfahrende Autos nicht nur Robo-Chauffeure für die Reichen sein werden. „Das bedeutet, dass jeder ein selbstfahrendes Auto haben kann“, sagt Eldada. „Das gilt nicht nur für die Mercedes S-Klasse und den BMW 7er. Das bedeutet, dass Menschen, die Toyota Corollas fahren, auch selbstfahrende Autos haben werden.“

Und so grundlegend dieser Wandel auch klingen mag, Autos sind möglicherweise nur der Anfang für Solid-State-Lidar. „Sie werden es in Geräten sehen, Sie werden es in Wearables sehen, in den Helmen von Feuerwehrleuten und Soldaten. Die Einsatzmöglichkeiten sind nahezu grenzenlos.“

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