Lidar de estado sólido: la clave para los coches autónomos baratos

¿Alguna vez has notado cómo los autos sin conductor terminan usando sombreros extraños?

Los primeros camiones militares autónomos parecían tener latas de café girando en la parte superior. Carnegie Mellon Hummer icónico y autónomo estaba coronado por una pelota de ping-pong gigante. El pequeño y sonriente prototipo de Waymo lleva una cúpula en forma de sirena que lo hace parecer el coche de policía más adorable del mundo.

Dentro de los tres hay alrededor de una docena de láseres, que se disparan a través de ópticas de telescopio, lanzándose cientos de veces por minuto, para generar 300.000 puntos de datos por segundo. Se llama lidar y, sin él, todos estos coches serían ciegos. También es una de las principales razones por las que no tienes un coche autónomo en tu entrada en este momento. Por alrededor de 75.000 dólares, un solo lidar puede costar fácilmente más que el automóvil en el que viaja. Y ese es sólo un ingrediente de la sopa de vehículos autónomos.

Pero este año está apareciendo una nueva tecnología en todas partes: el lidar de estado sólido. Sin partes móviles, promete brindar a los autos autónomos una visión mejor y más nítida, a una fracción del costo de los sistemas electromecánicos de la vieja escuela. El lidar de estado sólido allanará el camino para los primeros vehículos autónomos que realmente puedas permitirte. Así es como funciona y lo que está a la vuelta de la esquina.

¿Cómo funciona LIDAR?

El término "lidar" proviene de combinar "luz" y "radar", lo que también constituye una forma práctica de entenderlo porque... bueno, es un radar, pero con luz.

Un repaso de la física de la escuela secundaria: el radar hace rebotar un pulso de ondas de radio en un objeto, como un avión, para determinar qué tan lejos está, en función del tiempo que tarda el pulso en rebotar. Lidar utiliza un pulso de luz de un láser para hacer lo mismo.

Tome suficientes láseres, gírelos en círculo y obtendrá una “nube de puntos” tridimensional del mundo que lo rodea. Probablemente hayas visto estos puntos de colores del arco iris que representan paisajes urbanos, montañas e incluso la cabeza incorpórea que canta Thom Yorke. Radiohead Castillo de naipes video musical. Ese mapa 3D de 360 ​​grados es como una Piedra Rosetta para un automóvil autónomo, permitiéndole descifrar el mundo que lo rodea.

"Se necesita una combinación de cámaras, radar y lidar para crear un sistema de conducción autónoma", explica Jada Tapley, vicepresidente de ingeniería avanzada de Aptiv. Ella lo sabría. Aptiv construyó el coches Lyft autónomos que transportó a los asistentes por Las Vegas para CES 2018. En el peor embotellamiento que la ciudad ve en todo el año. Y condiciones similares a las de un monzón. Con cero accidentes.

Esos coches tenían nueve lidar, diez radar y cuatro cámaras. Una combinación de los tres le permite conducirse por sí solo, pero lidar realiza la función crucial que los ingenieros llaman localización. "Es importante que el vehículo pueda identificar con un alto grado de precisión dónde se encuentra en el mapa", explica Tapley. "Usamos nuestro lidar para hacer eso".

Explicación de los niveles de los coches autónomos
Las organizaciones internacionales de ingeniería se han decidido por seis niveles de automatización para hablar de la evolución que veremos entre los coches tontos y la autonomía total.

Nivel 0: Sin autonomía
Este es el auto que probablemente ya tengas. ¡Dejar de enviar mensajes de texto! Necesitas hacer todo.
Nivel 1: práctico
Su automóvil lo ayudará en algunos escenarios, como el control de crucero adaptativo que lo reduce la velocidad en la carretera cuando el automóvil que está delante lo hace.
Nivel 2: no intervenir
Su automóvil puede conducir igual que usted, en las circunstancias adecuadas, como el piloto automático de Tesla en una carretera dividida y señalizada.
Nivel 3: ojos apagados
Continúe y envíe ese mensaje de texto; Este auto no chocará si no tiene tu atención. Pero aún tendrás que agarrar el volante si las cosas se complican, como con Audi Traffic Jam Pilot.
Nivel 4: Distraerse
Ve a dormir; Tu coche está bajo control. Pero aún así tendrás que sentarte detrás del volante por si acaso.
Nivel 5: Autonomía total
Su automóvil no tiene volante porque puede conducir mejor que usted en todos los escenarios. Siéntate atrás, humano débil.

Si bien el GPS puede limitar su ubicación a un círculo de aproximadamente 16 pies de diámetro, lidar puede hacerlo dentro de un círculo de cuatro pulgadas de diámetro. Eso es mejor de lo que muchos conductores pueden manejar. Tapley recuerda a un grupo de periodistas con los ojos muy abiertos haciendo una mueca cuando el automóvil autónomo de Aptiv pasó rápidamente junto a un autobús estacionado en Las Vegas. No era necesario, porque el coche sabía que había mucho espacio. “Como humanos nos sentimos intimidados, especialmente por vehículos muy grandes, como autobuses o semirremolques. Así que tendemos a alejarnos de ellos”, explica. "Pero un vehículo autónomo no necesita hacer eso".

Si bien las cámaras pueden identificar objetos y el radar puede indicar a qué distancia están, el lidar puede lograr ambas cosas con un grado de precisión que ninguno de los dos puede tocar. "Imagínese que hay la banda de rodadura de un neumático de 18 ruedas en medio de la carretera", dice Tapley. “El radar no detectará eso. Lidar lo hará”.

Por eso un Tesla Model S, que tiene cámaras y radar, pero no lidar, debe tener un conductor preparado para tomar el volante en cualquier momento. Se considera un vehículo autónomo de nivel 2. Casi todos los expertos en autonomía del coche (con el flagrante excepción de Elon Musk — creen que lidar es necesario para lograr una verdadera autonomía de nivel 4 de “dormir al volante”.

Y ese es un problema tremendo si usted o yo alguna vez esperamos tener uno. La Plata Velodyne HDL-64E que ves encima de muchos autos de prueba cuesta $75,000. Incluso el modelo Puck “económico” de la empresa cuesta 8.000 dólares. Y esta no es una parte en la que quieras escatimar. Imagine que las ventanillas de su automóvil se vuelven negras a 80 mph y tendrá una idea bastante clara de cómo se vería la pérdida del lidar para la computadora en un automóvil autónomo.

Como toda tecnología, lidar se ha vuelto más barato con el tiempo, pero la precisión requerida y las enormes piezas giratorias en lidar electromecánico significa que no puede volverse más barato, más pequeño y mejor cada año de la misma manera que el procesador de su teléfono o la computadora lo hace.

Pero, ¿y si... pudieras fabricar lidar solo con silicio? Quite todas las piezas móviles y el futuro comenzará a parecer mucho más brillante.

Bienvenido al estado sólido

La electrónica de estado sólido, que por definición no tiene piezas móviles, ha cambiado la forma en que hacemos todo, desde llevar la cuenta del tiempo hasta escuchar música. ¿Recuerdas cómo solían saltarse los reproductores de CD portátiles? Eso es lo que sucede cuando se confía en un láser para leer ranuras microscópicas en un disco giratorio. Pero puedes poner tu teléfono inteligente en un agitador de pintura y seguir escuchando a Kanye, porque la música está almacenada en chips de memoria de estado sólido a los que no les importa que los sacudan. Lidar va en la misma dirección.

Al igual que los reproductores de CD portátiles, el lidar electromecánico giratorio no es ideal. "Primero, son grandes", dice Tapley. “En segundo lugar, son caros. El lidar de estado sólido nos permite ser más pequeños, empaquetar mejor los vehículos y reducir costos”.

¿Cómo se mueve la luz sin mover una lente o un espejo? ¿Cómo llega lidar al estado sólido? Los ingenieros han ideado algunas formas francamente geniales.

El primero se llama destello lidar. "Básicamente, el flash es cuando tienes una fuente de luz y esa fuente de luz inunda todo el campo de visión una vez mediante un pulso", explica Tapley. "Un generador de imágenes en tiempo de vuelo recibe esa luz y es capaz de pintar la imagen de lo que ve". Piense en ello como una cámara que ve la distancia en lugar del color.

Pero esa simplicidad tiene algunos inconvenientes. Para ver muy lejos, se necesita un potente estallido de luz, lo que lo encarece. Y la luz no puede ser muy poderoso que daña las retinas humanas, lo que limita el alcance. Una solución alternativa es emitir luz a una longitud de onda invisible específica que no afecte a los ojos humanos. ¡Perfecto! Hasta que te topas con otro problema: los lectores de imágenes de silicio económicos no “leen” ráfagas de luz en el espectro seguro para los ojos. Se necesitan costosos generadores de imágenes de arseniuro de galio, que pueden aumentar el coste de estos sistemas hasta 200.000 dólares.

"Debes tener una fuente de luz extremadamente potente o un receptor extremadamente sensible, y si no tienes esas cosas, entonces tienes este alcance limitado", dice Tapley. Puede que sea perfecto para aviones gubernamentales que realicen estudios aéreos detallados, pero el flash lidar probablemente no sea adecuado para su Corolla.

Configurar fáseres para escanear

Afortunadamente, hay otra manera. Louay Eldada ha estado resolviendo el problema desde que obtuvo su doctorado en optoelectrónica a principios de los años 90; y hoy corre Quanergia, uno de los actores más destacados del lidar de estado sólido. Eldada y su equipo obtuvieron un enfoque diferente al observar cómo funciona el radar. Después de todo, es un primo cercano del lidar. Resulta que el radar solía girar como el lidar, hasta que los científicos desarrollaron una brillante solución alternativa conocida como matriz en fase.

Un conjunto en fase puede transmitir ondas de radio en cualquier dirección (sin girar en círculos) mediante el uso de un conjunto microscópico de antenas individuales sincronizadas de una manera específica. Al controlar el tiempo (o fase) entre cada antena que transmite su señal, los ingenieros pueden "dirigir" una señal cohesiva en una dirección específica.

Los sistemas en fase se han utilizado en radares desde la década de 1950. Pero Eldada y su equipo descubrieron cómo utilizar la misma técnica con la luz. "Tenemos un gran número, normalmente un millón, de elementos de antena óptica", explica Eldada. "En función de su relación de fases entre sí, forman un patrón de radiación, o mancha, que tiene un tamaño determinado y apunta en una dirección determinada".

Al cronometrar inteligentemente el destello preciso de un millón de emisores individuales, Quanergy puede "dirigir" la luz utilizando únicamente silicio. "El efecto de interferencia determina en qué dirección se dirige la luz, no un espejo o una lente en movimiento", explica Eldada.

Eso significa que el conjunto de ópticas y motores dentro de un cubo lidar de 75.000 dólares desaparece y solo te quedan chips. En este momento, Quanergy utiliza varios chips y vende el paquete por 900 dólares, pero las versiones futuras se convertirán en un solo chip. “En ese momento, nuestro precio de venta será inferior a 100 dólares”, predice Eldada.

El estado sólido no sólo es más barato, sino también mejor. “Poder cambiar efectivamente la forma de la lente a cualquier forma que desee le permite acercar y alejar”, ​​explica Eldada. “Imagínate que estás mirando un objeto en tu carril y quieres definir en alta resolución qué es. Reduces el tamaño del lugar y determinas que es un ciervo, es una llanta, es un colchón que se cayó de un camión. Al mismo tiempo, puedes alternar entre hacer eso y mirar la escena general”. Este "salto" podría ocurrir varias veces veces por segundo sin que el conductor lo sepa, mientras un algoritmo toma las decisiones y determina qué merece una atención más cercana. mirar.

Los dispositivos de estado sólido también duran más. El lidar electromecánico puede funcionar entre 1000 y 2000 horas antes de fallar. Con el gasto estadounidense promedio 293 horas en coche al año, la mayoría de nosotros terminaríamos reemplazando nuestro lidar antes que nuestros neumáticos. Quanergy afirma que su lidar de estado sólido funcionará durante 100.000 horas, más de lo que la mayoría de los automóviles jamás conducirán.

Espejo Espejo en la pared

Los arreglos en fase ópticos y flash son realmente los únicos verdadero lidar de estado sólido. Pero hay una tercera forma nueva de hacer lidar, el hijastro pelirrojo conocido como espejos microelectromecánicos, o espejos MEMS.

Como sugiere “mecánico” en “microelectromecánico”, hay partes móviles, por lo que los espejos MEMS no son verdaderamente de estado sólido. Pero también son tan pequeños que la tecnología aún representa una mejora con respecto al lidar electromecánico a gran escala.

"La arquitectura es muy simple", explica Tapley. "Tienes un láser, un espejo". El láser dispara hacia el diminuto espejo, que gira como una peonza, proporcionando la rotación que obtiene el lidar convencional al hacer girar un cubo entero.

Es bastante simple, hasta que quieras mover el láser hacia arriba y hacia abajo además de girar en círculos. Luego hay que "colocarlo en cascada" en otro espejo, que gira sobre otro eje. O puedes disparar varios láseres en un espejo. De cualquier manera, el costo y la complejidad comienzan a aumentar.

"Asegurarse de que todo esté perfectamente alineado genera desafíos", explica Tapley. "Si tienes este láser en un espejo que gira en ambos ejes, a veces puede ser susceptible a golpes y vibraciones”. Ya sabes, como el tipo que puedes encontrar en un auto, rebotando por la carretera a 70 mph.

Eldada señala otras cuestiones. “Los espejos de los Micro MEM se desalinean. No mantienen la calibración. Cuando hay grandes cambios de temperatura, es necesario recalibrarlos a lo largo de su vida útil”.

“Si los espejos se atascan, tienes un problema de seguridad ocular”, señala. Y la luz del sol puede causar sus propios estragos. "Hay grandes problemas cuando estás de cara al sol", dice Eldada. "La luz del sol va a incidir en él, la luz se reflejará dentro del lidar, saturará los detectores y ahogará la señal".

Con tantas diferencias entre los tres tipos de lidar de próxima generación, Aptiv está cubriendo sus apuestas trabajando con todos ellos e invirtiendo en ellos. "Cada uno tiene diferentes compensaciones en relación con el campo de visión, el alcance y la resolución", explica Tapley. "Dependiendo de dónde esté colocado ese lidar en el vehículo, eso determinará cuál de ellos debe ser el más importante".

El lidar lateral, por ejemplo, podría no necesitar el alcance que necesita el lidar frontal. Al mezclar y combinar diferentes variedades, Aptiv espera aprovechar lo mejor de todos los mundos.

Entonces, ¿dónde está mi coche autónomo?

En 1999, Jaguar introdujo el primer control de crucero basado en radar en el XK, un cupé que se vendía por unos 100.000 dólares actuales. En ese momento, los sensores eran tan caros que, como cuenta Tapley, "la gente bromeaba diciendo que con cada compra de radar obtenías un Jaguar gratis".

Hoy en día, puedes obtener la misma característica en un Corolla de $18,000. “Estamos en la misma curva de aprendizaje con lidar”, afirma. "Hasta que el estado sólido madure y entre en producción en masa, estos vehículos tendrán un costo bastante prohibitivo para el consumidor promedio".

El sensor lidar de estado sólido de Quanergy, de 900 dólares, está ayudando a que eso suceda. El proximo Fisker Emoción Será el primer vehículo en salir a la calle con esos sensores en su interior (cinco de ellos) cuando llegue en 2019. No son más grandes que la batería de un taladro inalámbrico, están enterradas en rejillas de ventilación, ocultas detrás de rejillas cromadas y totalmente invisibles a menos que las estés buscando. Muy lejos de los cubos giratorios de ayer.

Eldada cree que veremos coches autónomos de nivel 4 de un fabricante estadounidense notoriamente "agresivo" ya en 2020. “2021, 2022, verás varios más. 2023 es el gran año. La mayoría de los fabricantes de automóviles tendrán vehículos autónomos”.

Si bien el Fisker tendrá un precio de $130,000, podría terminar pareciéndose mucho al Jaguar XK de 1999: un costoso presagio de la tecnología por venir. En última instancia, el lidar de estado sólido significa que los coches autónomos no serán sólo robochouffeurs para los ricos. "Significa que todo el mundo puede tener un coche autónomo", afirma Eldada. “No es sólo para el Mercedes Clase S y el BMW Serie 7. Esto significa que las personas que conduzcan Toyota Corollas también tendrán vehículos autónomos”.

Y por más fundamental que pueda parecer ese cambio, los automóviles pueden ser solo el comienzo del lidar de estado sólido. “Lo verás en dispositivos, lo verás en wearables, en los cascos de bomberos y soldados. Las aplicaciones son casi ilimitadas”.

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