Solid-State Lidar: võti odavate isejuhtivate autode juurde

Kas olete kunagi märganud, kuidas isejuhtivad autod kannavad veidraid mütse?

Esimesed isejuhtivad sõjaväeveokid nägid välja nagu nende peal olid pöörlevad kohvipurgid. Carnegie Melloni oma Ikooniline isejuhtiv Hummer oli tipus hiiglaslik ping-pongi pall. Waymo naeratav väike prototüüp kannab sireenikujulist kuplit, mis muudab selle maailma kõige armsama politseiauto mulje.

Kõigis kolmes sees on kümmekond laserit, mis tulistavad läbi teleskoobikvaliteediga optika, libisevad sadu kordi minutis, et genereerida 300 000 andmepunkti sekundis. Seda nimetatakse lidariks ja ilma selleta oleksid need autod kõik pimedad. See on ka üks suuremaid põhjusi, miks teie sõiduteel pole praegu isejuhtivat autot. Umbes 75 000 dollari eest võib üks lidar kergesti maksta rohkem kui auto, millega see sõidab. Ja see on vaid üks koostisosa isesõitvas supis.

Kuid sel aastal ilmub kõikjale uus tehnoloogia: tahkis-lidar. Ilma liikuvate osadeta lubab see anda isejuhtivatele autodele teravama ja parema nägemise, mis on murdosa vanakooli elektromehaaniliste süsteemide hinnast. Tahkislidar sillutab teed esimestele isesõitvatele autodele, mida saate endale lubada. Siin on, kuidas see töötab – ja mis on kohe nurga taga.

Kuidas lidar töötab

Mõiste "lidar" tuleneb "valguse" ja "radari" ühendamisest, mis on ka mugav viis selle mõistmiseks, sest … see on radar, kuid valgusega.

Värskendus keskkooli füüsikast: radar põrkab raadiolainete impulsi objektilt, näiteks lennukilt, tagasi, et teha kindlaks, kui kaugel see asub, lähtudes sellest, kui kaua kulub impulsi tagasipõrkumiseks. Lidar kasutab sama asja tegemiseks laseri valgusimpulssi.

Võtke piisavalt neid lasereid, keerutage neid ringis ja saate ümbritseva maailma kolmemõõtmelise punktipilve. Olete ilmselt näinud neid vikerkaarevärvilisi täppe, mis kujutavad linnavaateid, mägesid ja isegi Thom Yorke'i laulvat kehatut pead Radiohead Kaardimajake muusikavideo. See 360-kraadine 3D-kaart on isejuhtivale autole nagu Rosetta kivi, mis võimaldab ümbritsevat maailma lahti mõtestada.

"Isejuhtiva süsteemi loomiseks vajate kaamerate, radari ja lidari kombinatsiooni," selgitab Aptivi täiustatud inseneriosakonna asepresident Jada Tapley. Ta teaks. Aptiv ehitas autonoomsed Lyfti autod mis vedas CES 2018 osalejaid mööda Las Vegast. Kõige hullemas ummikus, mida linn aastaringselt näeb. Ja mussoonilaadsed tingimused. Null õnnetusega.

Nendel autodel oli üheksa lidarit, kümme radarit ja neli kaamerat. Kõigi kolme kombinatsioon võimaldab tal ise juhtida, kuid lidar täidab üliolulist funktsiooni, mida insenerid nimetavad lokaliseerimiseks. "On oluline, et sõiduk suudaks kaardil väga suure täpsusega tuvastada selle asukoha," selgitab Tapley. "Kasutame selleks oma lidarit."

Autonoomsed auto tasemed selgitatud
Rahvusvahelised inseneriorganisatsioonid on võtnud kasutusele kuus automatiseerimistasandit, et rääkida arengust, mida me näeme lollide autode ja täieliku autonoomia vahel.

Tase 0: puudub autonoomia
See on auto, mis teile tõenäoliselt juba kuulub. Lõpetage sõnumite saatmine! Sa pead tegema kõike.
Tase 1: käed külge
Teie auto aitab teid mõne stsenaariumi korral, näiteks adaptiivne püsikiiruse hoidja, mis aeglustab teid maanteel, kui teie ees olev auto seda teeb.
Tase 2: käed eemale
Teie auto saab sõita täpselt nii nagu teiegi – just õigetes tingimustes, nagu Tesla Autopilot poolitatud märgistatud maanteel.
3. tase: silmad ära
Mine edasi ja saatke see tekst; see auto ei jookse kokku, kui sellele teie tähelepanu ei pööra. Kuid kui asjad lähevad keeruliseks, peate ikkagi rooli haarama, näiteks Audi Traffic Jam Piloti puhul.
4. tase: pöörake tähelepanu
Mine magama; teie auto on kontrolli all. Aga juuust on vaja ikka rooli taha istuda.
5. tase: täielik autonoomia
Teie autol puudub rool, sest see suudab kõigis stsenaariumides paremini sõita kui teie. Istu taha, nõrk inimene.

Kuigi GPS võib teie asukohta kitsendada kuni ringini 16 jalga läbimõõduga, lidar saab seda teha nelja tolli läbimõõduga ringis. See on parem, kui paljud juhid hakkama saavad. Tapley mäletab, kuidas üks suurte silmadega ajakirjanike rühm võpatas, kui Aptivi autonoomne auto sõitis Las Vegases pargitud bussist mööda. Nad ei pidanud seda tegema, sest auto teadis, et ruumi on palju. „Inimestena hirmutavad meid eriti suured ja suured sõidukid, nagu bussid või poolsõidukid. Nii et kipume neist eemalduma, ”selgitab ta. "Kuid autonoomne sõiduk ei pea seda tegema."

Kui kaamerad suudavad objekte tuvastada ja radar võib öelda, kui kaugel need asuvad, suudab lidar saavutada mõlemat teatud täpsusega, mida kumbki ei saa puudutada. "Kujutage ette, et keset teed on 18-rattaliste rehvide turvis," ütleb Tapley. "Radar seda ei tuvasta. Lidar teeb.

Seetõttu peab Tesla Model S-il, millel on nii kaamerad kui ka radar, kuid millel pole lidarit, olema juht, kes on valmis igal ajal rooli istuma. Seda peetakse 2. taseme autonoomseks sõidukiks. Peaaegu kõik autode autonoomia eksperdid - koos silmapaistev erand Elon Musk — usun, et lidar on vajalik tõelise "rooli taga magamise" 4. taseme autonoomia saavutamiseks.

Ja see on tohutu probleem, kui teie või mina loodame seda kunagi omada. Hõbe Velodyne HDL-64E näete, et paljude katseautode ülaosas maksavad 75 000 dollarit. Isegi ettevõtte "eelarveline" Pucki mudel maksab 8000 dollarit. Ja see ei ole osa, mille pealt võiks koonerdada. Kujutage ette, et teie autoaknad muutuvad kiirusel 80 miili tunnis mustaks ja teil on päris hea ettekujutus, kuidas Lidari kaotamine isejuhtivas autos arvutile välja näeks.

Nagu kogu tehnoloogia, on ka lidar aja jooksul muutunud odavamaks, kuid vajalik täpsus ja massiivsed pöörlevad osad elektromehaaniline lidar tähendab, et see ei saa iga aastaga odavamaks, väiksemaks ja paremaks muutuda samamoodi nagu teie telefoni protsessor või arvuti teeb.

Aga mis siis, kui... saaksite lidari teha ainult ränist? Võtke ära kõik liikuvad tükid ja tulevik hakkab palju helgem paistma.

Tere tulemast tahkesse olekusse

Tahkiselektroonika, millel definitsiooni järgi ei ole liikuvaid tükke, on muutnud viisi, kuidas me teeme kõike alates aja jälgimisest kuni muusika kuulamiseni. Kas mäletate, kuidas kaasaskantavad CD-mängijad vahele jätsid? See juhtub siis, kui kasutate pöörleva ketta mikroskoopiliste soonte lugemisel laserit. Kuid võite panna oma nutitelefoni värvi loksutis ja kuulake endiselt Kanye't, sest muusika on salvestatud pooljuhtmälu kiipidele, mis ei pahanda raputamist. Lidar liigub samas suunas.

Nagu kaasaskantavad CD-mängijad, pole ka pöörlev elektromehaaniline lidar ideaalne. "Number üks, nad on suured," ütleb Tapley. "Number kaks, need on kallid. Tahkislidar võimaldab meil saada väiksemaks, pakendada paremini sõidukitesse ja vähendada kulusid.

Kuidas liigutada valgust ilma objektiivi või peeglit liigutamata? Kuidas lidar tahkesse olekusse jõuab? Insenerid on välja mõelnud mõned lausa geniaalsed viisid.

Esimest nimetatakse välklamp lidar. "Välklamp on põhimõtteliselt koht, kus teil on valgusallikas ja see valgusallikas ujutab impulsi abil üle kogu vaatevälja," selgitab Tapley. "Lennuaja pildistaja võtab selle valguse vastu ja suudab maalida pildi sellest, mida näeb." Mõelge sellele kui kaamerale, mis näeb värvide asemel kaugust.

Kuid selle lihtsusega kaasnevad mõned tõrked. Väga kaugele nägemiseks on vaja võimsat valguspuhangut, mis teeb selle kallimaks. Ja valgust ei saa olla nii võimas et see kahjustab inimese võrkkesta, mis piirab leviala. Üks lahendus on suunata valgust konkreetsele nähtamatule lainepikkusele, mis ei mõjuta inimese silmi. Täiuslik! Kuni satute kokku järjekordse saagiga: odavad ränipildiseadmed ei "loe" silmale ohutus spektris valguse kiirgust. Teil on vaja kalleid galliumarseniidi pildiseadmeid, mis võivad nende süsteemide maksumust tõsta kuni 200 000 dollarini.

"Teil peab olema äärmiselt võimas valgusallikas või äärmiselt tundlik vastuvõtja ja kui teil neid asju pole, on teil see piiratud ulatus," ütleb Tapley. See võib olla ideaalne valitsuslennukite jaoks, mis viivad läbi üksikasjalikke õhuuuringuid, kuid flash lidar tõenäoliselt teie Corolla jaoks ei sobi.

Määrake skannimiseks faaserid

Õnneks on veel üks viis. Louay Eldada on probleemiga tegelenud alates sellest, kui ta 90ndate alguses optoelektroonikas doktorikraadi omandas; ja täna ta jookseb Quanergy, üks silmapaistvamaid mängijaid tahkis-lidaris. Eldada ja tema meeskond tuletasid radari tööpõhimõttest erineva lähenemisviisi. Lõppude lõpuks on see lidari lähedane sugulane. Nagu selgub, pöörles radar nagu lidar, kuni teadlased töötasid välja suurepärase lahenduse, mida tuntakse faasimassiivina.

Faseeritud massiiv võib edastada raadiolaineid mis tahes suunas - ilma ringikujuliselt pöörlemata -, kasutades mikroskoopilist massiivi üksikutest antennidest, mis on sünkroonitud kindlal viisil. Juhtides ajastust või faasi iga signaali edastava antenni vahel, saavad insenerid "juhtida" ühte sidusat signaali kindlas suunas.

Faasipõhiseid massiive on radarites kasutatud alates 1950. aastatest. Kuid Eldada ja tema meeskond mõtlesid välja, kuidas sama tehnikat valgusega kasutada. "Meil on suur hulk, tavaliselt miljon, optilist antennielementi," selgitab Eldada. "Tuginedes omavahelisele etapiviisilisele suhtele, moodustavad nad kiirgusmustri või täpi, millel on teatud suurus ja mis on suunatud teatud suunas."

Ajastades nutikalt miljoni üksiku kiirguri täpse sähvatuse, saab Quanergy valgust juhtida ainult räni abil. "Häiringute mõju määrab, millises suunas valgus läheb, mitte liikuv peegel või objektiiv," selgitab Eldada.

See tähendab, et 75 000-dollarise lidari ämbri sees olev optika ja mootorite pesa kaob ja teile jäävad ainult kiibid. Praegu kasutab Quanergy mitut kiipi ja müüb paketti 900 dollari eest, kuid tulevastest versioonidest saab üks kiip. "Sel hetkel langeb meie müügihind alla 100 dollari," ennustab Eldada.

Tahkis pole mitte ainult odavam, vaid ka parem. "Võimalus muuta objektiivi kuju tõhusalt mis tahes soovitud kuju järgi võimaldab teil sisse ja välja suumida, " selgitab Eldada. "Nii et kujutage ette, et vaatate oma sõidurajal objekti ja soovite suure eraldusvõimega määratleda, mis see on. Vähendate koha suurust ja teete kindlaks, et see on hirv, see on rehv, see on madrats, mis kukkus veoautolt maha. Samal ajal saate hüpata selle tegemise ja suure stseeni vaatamise vahel. Seda "hüppamist" võib juhtuda mitu korda korda sekundis, ilma et juht isegi teaks, kuna algoritm kutsub välja võtted ja määrab, mis väärib lähemalt vaata.

Ka pooljuhtseadmed kestavad kauem. Elektromehaaniline lidar võib enne riket töötada 1000–2000 tundi. Ameerika keskmiste kulutustega 293 tundi autos aastas, vahetaks enamik meist oma lidari enne rehve. Quanergy väidab, et selle tahkis-lidar töötab 100 000 tundi - rohkem kui enamik autosid kunagi sõidab.

Peegel peegel, seinal

Välklamp ja optilised faasmassiivid on tõesti ainsad tõsi tahkis-lidar. Kuid lidari tegemiseks on ka kolmas uus viis, punapäine kasulaps, mida tuntakse mikroelektromehaaniliste peeglitena või MEMS-peeglitena.

Nagu "mehaaniline" "mikroelektromehaanilises" viitab, on liikuvad osad, seega pole MEMS-peeglid tõeliselt tahkis. Kuid need on ka nii väikesed, et tehnoloogia on endiselt parem kui suuremahuline elektromehaaniline lidar.

"Arhitektuur on väga lihtne, " selgitab Tapley. "Teil on üks laser, üks peegel." Laser tulistab väga pisikesse peeglisse, mis pöörleb nagu ülaosa, pakkudes pöörlemist, mida tavaline lidar saab terve ämbri keerutamisel.

See on piisavalt lihtne, kuni soovite laserit lisaks ringis keerlemisele ka üles-alla liigutada. Seejärel peate selle "kaskaadima" teisest peeglist, mis pöörleb teisel teljel. Või võite tulistada mitu laserit ühte peeglisse. Mõlemal juhul hakkavad kulud ja keerukus kasvama.

"Kõik täiusliku joondamise tagamine tekitab väljakutseid," selgitab Tapley. "Kui teil on see laser mõlemal teljel pöörlevas peeglis, võib see mõnikord olla vastuvõtlik šokk ja vibratsioon." Teate, nagu tüüp, mille võite leida autost, põrkab 70-ga mööda teed mph.

Eldada osutab teistele probleemidele. "Mikro-MEM-ide peeglid kalduvad joondusest välja. Nad ei säilita kalibreerimist. Kui temperatuurimuutused on suured, tuleb need kogu eluea jooksul uuesti kalibreerida.

"Kui peeglid jäävad kinni, on teil silmade ohutuse probleem," juhib ta tähelepanu. Ja päikesevalgus võib omaenda laastamistööd teha. "Päikese poole vaatamisel on teil suuri probleeme," ütleb Eldada. "Päikesevalgus tabab seda, valgus peegeldub lidari sees ja küllastab detektorid ning summutab signaali."

Kuna kõigi kolme järgmise põlvkonna lidari tüübi vahel on nii palju erinevusi, maandab Aptiv oma panuseid, töötades nendega kõigiga ja investeerides nendesse. "Igaühel on vaatevälja, ulatuse ja eraldusvõimega võrreldes erinevad kompromissid, " selgitab Tapley. "Sõltuvalt sellest, kus see lidar sõidukil asub, määrab see, milline neist peab olema kõige olulisem."

Näiteks küljele suunatud lidar ei pruugi vajada seda ulatust, mida esiküljega lidar vajab. Sorte segades ja sobitades loodab Aptiv kasutada kõigi maailmade parimat.

Kus on siis minu isejuhtiv auto?

1999. aastal tutvustas Jaguar esimest radaripõhist püsikiirusehoidjat XK-s, kupee, mida müüdi tänapäeva dollarites umbes 100 000 dollari eest. Tol ajal olid andurid nii kallid, et nagu Tapley ütleb: "Inimesed tegid nalja, et iga radari ostmisega saite tasuta Jagi."

Täna saate sama funktsiooni saada 18 000-dollarise Corollaga. “Oleme lidariga umbes samal õppimiskõveral, ”ütleb ta. "Kuni tahkis olek muutub küpseks ja jõuab masstootmisse, lähevad need sõidukid keskmisele tarbijale üsna kalliks maksma."

Quanergy 900-dollarine tahkis-lidari andur aitab seda teha. Tulevane Fisker EMotion on esimene sõiduk, mis 2019. aastal saabudes tänavatele nende anduritega sees – neist viis. Need pole suuremad kui akutrelli aku, need on maetud tuulutusavadesse, peidetud kroomitud võre taha ja on täiesti nähtamatud, kui te neid just ei otsi. Eilsetest keerlevatest ämbritest kaugel.

Eldada usub, et juba 2020. aastal näeme kurikuulsalt "agressiivse" Ameerika tootja 4. taseme autonoomseid autosid. “2021, 2022, näete veel mitmeid. 2023 on suur aasta. Enamikul autotootjatel on isejuhtivad autod.

Kuigi Fiskeri hind on 130 000 dollarit, võib see välja näha palju nagu 1999. aasta Jaguar XK: kallis tulevase tehnoloogia kuulutaja. Lõppkokkuvõttes tähendab tahkislidar, et isejuhtivad autod ei ole ainult jõukate autojuhid. "See tähendab, et igaühel võib olla isejuhtiv auto," ütleb Eldada. „See ei kehti ainult Mercedese S-klassi ja BMW 7. seeria jaoks. See tähendab, et Toyota Corolladega sõitvatel inimestel on ka isejuhtivad autod.

Ja nii fundamentaalselt kui see nihe ka ei kõlaks, võivad autod olla tahkis-lidari jaoks alles algus. "Te näete seda seadmetes, näete seda kantavates seadmetes, tuletõrjujate ja sõdurite kiivrites. Rakendusi on peaaegu piiramatud.

Toimetajate soovitused

• Volkswagen käivitab USA-s isejuhtivate autode testimise programmi.
• Robotaxisel on reisijate probleem, millele keegi ei mõelnud
• Ford ja VW sulgevad Argo AI autonoomse autoüksuse
• Nvidia Drive Concierge täidab teie auto ekraanidega
• Kruiisi robottaksod sõidavad Arizonasse ja Texasesse