Solid-State Lidar: Avain edullisiin itseajaviin autoihin

Oletko koskaan huomannut, kuinka itseajavat autot päätyvät käyttämään outoja hattuja?

Varhaisimmat itseajavat armeija-autot näyttivät siltä, ​​että niissä olisi pyöriviä kahvitölkkejä. Carnegie Mellonin ikoninen itseajava Hummer sen päällä oli jättimäinen pingispallo. Waymon hymyilevä pieni prototyyppi käyttää sireenin muotoista kupolia, joka saa sen näyttämään maailman suloisimmalta poliisiautolta.

Kaikkien kolmen sisällä on noin tusina laseria, jotka ampuvat teleskooppitason optiikan läpi satoja kertoja minuutissa tuottaen 300 000 datapistettä sekunnissa. Sitä kutsutaan lidariksi, ja ilman sitä nämä autot olisivat kaikki sokeita. Se on myös yksi suurimmista syistä, miksi ajotielläsi ei ole tällä hetkellä itseajavaa autoa. Noin 75 000 dollarilla yksi lidar voi helposti maksaa enemmän kuin auto, jolla se ajaa. Ja se on vain yksi ainesosa itseohjautuvassa keitossa.

Mutta uusi tekniikka ponnahtaa esiin kaikkialla tänä vuonna: Solid-state lidar. Ilman liikkuvia osia se lupaa antaa itseajaville autoille terävämmän ja paremman näön murto-osalla vanhan koulun sähkömekaanisten järjestelmien hinnasta. Solid-state lidar tasoittaa tietä ensimmäisille itseajaville autoille, joihin sinulla on todella varaa. Näin se toimii – ja mitä on aivan nurkan takana.

Kuinka lidar toimii

Termi "lidar" tulee yhdistämällä "valo" ja "tutka", mikä on myös kätevä tapa ymmärtää se, koska… no, se on tutka, mutta valolla.

Kertaus lukion fysiikasta: Tutka heijastaa radioaaltojen pulssin kohteesta, kuten lentokoneesta, määrittääkseen, kuinka kaukana se on, sen perusteella, kuinka kauan pulssin palautuminen kestää. Lidar käyttää laserin valopulssia tehdäkseen saman asian.

Ota tarpeeksi näitä lasereita, pyöritä niitä ympyrässä, ja päädyt kolmiulotteiseen "pistepilveen" ympärilläsi olevasta maailmasta. Olet luultavasti nähnyt nämä sateenkaarenväriset pisteet, jotka kuvaavat kaupunkimaisemia, vuoria ja jopa Thom Yorken laulavaa, ruumiillista päätä Radioheadin Korttitalo musiikkivideo. Tämä 360 asteen 3D-kartta on kuin Rosettan kivi itseajavaan autoon, jonka avulla se voi tulkita ympäröivää maailmaa.

"Tarvitset kameroiden, tutkan ja lidarin yhdistelmän luodaksesi itseohjautuvan järjestelmän", selittää Jada Tapley, Aptivin edistyneen suunnittelun johtaja. Hän tietäisi. Aptiv rakensi autonomiset Lyft-autot joka kuljetti osallistujia ympäri Las Vegasia CES 2018 -tapahtumaan. Pahimmassa umpikujassa, jonka kaupunki näkee ympäri vuoden. Ja monsuunimaiset olosuhteet. Nolla tapaturmaa.

Näissä autoissa oli yhdeksän lidaria, kymmenen tutkaa ja neljä kameraa. Kaikkien kolmen yhdistelmä antaa sen ajaa itseään, mutta lidar suorittaa ratkaisevan toiminnon, jota insinöörit kutsuvat lokalisoinniksi. "On tärkeää, että ajoneuvo pystyy tunnistamaan erittäin suurella tarkkuudella sen sijainnin kartalla", Tapley selittää. "Käytämme lidariamme tähän."

Autonominen auton tasot selitetty
Kansainväliset suunnitteluorganisaatiot ovat asettuneet kuudelle automaation tasolle puhuakseen kehityksestä, jota näemme tyhmien autojen ja täydellisen autonomian välillä.

Taso 0: Ei autonomiaa
Tämä on auto, jonka luultavasti jo omistat. Lopeta tekstiviestien lähettäminen! Sinun täytyy tehdä kaikki.
Taso 1: Kädet päälle
Autosi auttaa sinua joissakin tilanteissa, kuten mukautuva vakionopeussäädin, joka hidastaa sinua valtatiellä, kun edellä oleva auto hidastaa sinua.
Taso 2: Kädet pois
Autosi voi ajaa aivan kuten sinäkin – juuri oikeissa olosuhteissa, kuten Tesla Autopilot jaetulla, merkityllä tiellä.
Taso 3: Silmät pois
Mene eteenpäin ja lähetä teksti; tämä auto ei kaadu, jos se ei kiinnitä huomiota. Mutta sinun on silti tartuttava pyörään, jos asiat muuttuvat monimutkaisiksi, kuten Audi Traffic Jam Pilotin kanssa.
Taso 4: Muista
Mennä nukkumaan; autosi on hallinnassa. Mutta silti sinun on istuttava ratin takana siltä varalta.
Taso 5: Täydellinen autonomia
Autossasi ei ole ohjauspyörää, koska se voi ajaa paremmin kuin sinä kaikissa skenaarioissa. Istu taakse, heikko ihminen.

Vaikka GPS voi rajata sijaintisi ympyrään 16 jalkaa halkaisijaltaan, lidar voi tehdä sen halkaisijaltaan neljän tuuman ympyrän sisällä. Se on parempi kuin monet kuljettajat pystyvät hallitsemaan. Tapley muistaa erään ryhmän suurisilmäisiä toimittajia vääntyvän, kun Aptivin autonominen auto tuuletti pysäköidyn bussin ohi Las Vegasissa. Heidän ei tarvinnut - koska auto tiesi, että tilaa oli runsaasti. ”Ihmisinä meitä pelottavat erityisesti suuret, suuret ajoneuvot, kuten linja-autot tai puoliperävaunut. Joten meillä on tapana etääntyä heistä", hän selittää. "Mutta autonomisen ajoneuvon ei tarvitse tehdä sitä."

Vaikka kamerat voivat tunnistaa esineet ja tutka voi kertoa, kuinka kaukana ne ovat, lidar pystyy saavuttamaan molemmat tietyllä tarkkuudella, joita kumpikaan ei voi koskea. "Kuvittele, että keskellä tietä on 18-pyörän renkaan kulutuspinta", Tapley sanoo. "Tutka ei havaitse sitä. Lidar tulee."

Siksi Tesla Model S: ssä, jossa on sekä kamerat että tutka, mutta ei lidaria, on oltava kuljettaja, joka on valmis ottamaan sen rattiin milloin tahansa. Sitä pidetään tason 2 autonomisena ajoneuvona. Lähes kaikki auton autonomian asiantuntijat - kanssa räikeä poikkeus Elon Muskista — usko, että lidar on välttämätön todellisen "nukkumisen ratin takana" tason 4 autonomian saavuttamiseksi.

Ja se on valtava ongelma, jos sinä tai minä koskaan toivomme saavamme sellaisen. Hopea Velodyne HDL-64E näet, että monien testiautojen hinta on 75 000 dollaria. Jopa yrityksen "budjetti" Puck -malli juoksee 8 000 dollaria. Ja tämä ei ole osa, jota voit haluta säästää. Kuvittele, että autosi ikkunat muuttuvat mustiksi 80 km/h nopeudella, ja sinulla on melko hyvä käsitys siitä, miltä häviävä lidar näyttäisi tietokoneelle itseajavassa autossa.

Kuten kaikki tekniikka, lidar on tullut halvemmaksi ajan myötä, mutta tarkkuus vaaditaan ja massiiviset pyörivät osat sisään sähkömekaaninen lidar tarkoittaa, että se ei voi tulla halvemmaksi, pienemmäksi ja paremmaksi joka vuosi samalla tavalla kuin puhelimesi prosessori tai tietokone tekee.

Mutta entä jos… voisit tehdä lidarin vain piistä? Ota pois kaikki liikkuvat palaset, ja tulevaisuus alkaa näyttää paljon valoisammalta.

Tervetuloa kiinteään tilaan

Solid-state-elektroniikka, jossa ei määritelmän mukaan ole liikkuvia kappaleita, on muuttanut tapaamme tehdä kaiken ajan seurannasta musiikin kuunteluun. Muistatko kuinka kannettavat CD-soittimet ohittivat? Näin tapahtuu, kun luotat laseriin pyörivän kiekon mikroskooppisten urien lukemiseen. Mutta voit laittaa omasi älypuhelin maalisekoittimessa ja silti kuuntele Kanyet, koska musiikki on tallennettu puolijohdemuistisiruille, joita ei haittaa ravistella. Lidar on menossa samaan suuntaan.

Kuten kannettavat CD-soittimet, pyörivä sähkömekaaninen lidar ei ole ihanteellinen. "Yksi, ne ovat suuria", Tapley sanoo. "Kakkonen, ne ovat kalliita. Solid-state lidar antaa meille mahdollisuuden pienentää, pakata paremmin ajoneuvoihin ja vähentää kustannuksia.

Kuinka liikutat valoa ilman linssiä tai peiliä? Kuinka lidar pääsee kiinteään tilaan? Insinöörit ovat keksineet aivan nerokkaita tapoja.

Ensimmäinen on ns salama lidar. "Salama on pohjimmiltaan siellä, missä sinulla on valonlähde ja se valonlähde tulvii koko näkökentän kerran pulssin avulla", Tapley selittää. "Lennon ajan kuvaaja vastaanottaa tämän valon ja pystyy maalaamaan kuvan siitä, mitä se näkee." Ajattele sitä kamerana, joka näkee etäisyyden värien sijaan.

Mutta tähän yksinkertaisuuteen liittyy joitain puutteita. Nähdäksesi hyvin kauas tarvitset voimakkaan valopurskeen, mikä tekee siitä kalliimman. Ja valoa ei voi olla niin voimakas että se vahingoittaa ihmisen verkkokalvoa, mikä rajoittaa kantamaa. Yksi kiertotapa on puhaltaa valoa tietyllä näkymättömällä aallonpituudella, joka ei vaikuta ihmissilmiin. Täydellinen! Kunnes törmäät uuteen saalista: halvat piikuvaajat eivät "lue" valon räjähdyksiä silmälle turvallisessa spektrissä. Tarvitset kalliita gallium-arsenidikuvalaitteita, jotka voivat nostaa näiden järjestelmien kustannuksia jopa 200 000 dollariin.

"Sinulla on oltava erittäin tehokas valonlähde tai erittäin herkkä vastaanotin, ja jos sinulla ei ole niitä, sinulla on tämä rajoitettu kantama", Tapley sanoo. Se saattaa olla täydellinen valtion lentokoneille, jotka tekevät yksityiskohtaisia ​​ilmatutkimuksia, mutta flash lidar ei todennäköisesti sovi Corollallesi.

Aseta vaihelaitteet skannaamaan

Onneksi on toinenkin tapa. Louay Eldada on törmännyt ongelmaan siitä lähtien, kun hän valmistui optoelektroniikan tohtoriksi 90-luvun alussa; ja tänään hän juoksee Quanergy, yksi SSD-lidarin merkittävimmistä pelaajista. Eldada ja hänen tiiminsä saivat erilaisen lähestymistavan tarkastelemalla tutkan toimintaa. Se on loppujen lopuksi Lidarin läheinen serkku. Kuten käy ilmi, tutka pyöri aivan kuten lidar, kunnes tiedemiehet kehittivät loistavan kiertotavan, joka tunnetaan nimellä vaiheistettu ryhmä.

Vaiheistettu ryhmä voi lähettää radioaaltoja mihin tahansa suuntaan - pyörimättä ympyröissä - käyttämällä mikroskooppista yksittäisten antennien ryhmää, jotka on synkronoitu tietyllä tavalla. Säätämällä ajoitusta - tai vaihetta - kunkin signaaliaan lähettävän antennin välillä, insinöörit voivat "ohjata" yhden koheesion signaalin tiettyyn suuntaan.

Vaiheitetut ryhmät ovat olleet käytössä tutkassa 1950-luvulta lähtien. Mutta Eldada ja hänen tiiminsä keksivät, kuinka käyttää samaa tekniikkaa valon kanssa. "Meillä on suuri määrä, tyypillisesti miljoona, optista antennielementtiä", Eldada selittää. "Toistensa vaiheittaisen suhteen perusteella ne muodostavat säteilykuvion tai -pisteen, joka on tietyn kokoinen ja osoittaa tiettyyn suuntaan."

Ajoittamalla älykkäästi miljoonan yksittäisen säteilijän tarkan välähdyksen Quanergy voi "ohjata" valoa käyttämällä vain piitä. "Häiriövaikutus määrää, mihin suuntaan valo menee, ei liikkuva peili tai linssi", Eldada selittää.

Tämä tarkoittaa, että optiikka- ja moottoripesä 75 000 dollarin lidar-ämpäristä katoaa, ja sinulla on vain pelimerkkejä. Tällä hetkellä Quanergy käyttää useita pelimerkkejä ja myy paketin 900 dollarilla, mutta tulevista versioista tulee yksi siru. "Silloin myyntihintamme laskee alle 100 dollarin", Eldada ennustaa.

Kiinteä olomuoto ei ole vain halvempaa, se on parempi. "Voit muuttaa objektiivin muotoa tehokkaasti mihin tahansa haluamaasi muotoon mahdollistaa sen, että voit lähentää ja loitontaa", Eldada selittää. "Kuvittele siis, että katsot kohdetta kaistallasi ja haluat määrittää korkealla resoluutiolla, mikä se on. Pienennät paikan kokoa ja päätät, että se on peura, se on rengas, se on patja, joka putosi kuorma-autosta. Samalla voit hypätä sen tekemisen ja suuren kohtauksen katsomisen välillä." Tätä "hyppyä" voi tapahtua useita kertaa sekunnissa kuljettajan edes tietämättä, sillä algoritmi kutsuu laukauksia ja määrittää, mikä ansaitsee lähempänä Katso.

Myös puolijohdelaitteet kestävät pidempään. Sähkömekaaninen lidar voi toimia 1 000 - 2 000 tuntia ennen vikaa. Amerikan keskimääräisillä kuluilla 293 tuntia autolla vuodessa, useimmat meistä päätyisivät vaihtamaan lidarin ennen renkaitamme. Quanergy väittää, että sen solid-state lidar toimii 100 000 tuntia - enemmän kuin useimmat autot koskaan ajavat.

Kerro kerro kuvastin

Flash ja optiset vaiheistetut ryhmät ovat todella ainoat totta solid-state lidar. Mutta on olemassa kolmas uusi tapa tehdä lidaria, punatukkainen lapsepuoli, joka tunnetaan mikroelektromekaanisina peileinä – tai MEMS-peileinä.

Kuten "mikroelektromekaanisen" "mekaaninen" viittaa, liikkuvia osia on, joten MEMS-peilit eivät ole todella puolijohdepeilit. Mutta ne ovat myös niin pieniä, että tekniikka edustaa edelleen parannusta suuren mittakaavan sähkömekaaniseen lidariin verrattuna.

"Arkkitehtuuri on hyvin yksinkertainen", Tapley selittää. "Sinulla on yksi laser, yksi peili." Laser ampuu hyvin pieneen peiliin, joka pyörii kuin yläosa, tarjoten kiertoa, jonka perinteinen lidar saa pyörittämällä kokonaista ämpäriä.

Se on tarpeeksi yksinkertaista, kunnes haluat liikuttaa laseria ylös ja alas ympyrän pyörimisen lisäksi. Sitten sinun täytyy "kaskadoida" se pois toisesta peilistä, joka pyörii toisella akselilla. Tai voit ampua useita lasereita yhteen peiliin. Joka tapauksessa kustannukset ja monimutkaisuus alkavat kasvaa.

"Haasteita syntyy siitä, että kaikki on kohdistettu täydellisesti", Tapley selittää. "Jos sinulla on tämä laser peilissä, joka pyörii molemmilla akseleilla, se voi joskus olla herkkä iskuja ja tärinää." Tiedäthän, kuten tyyppi, jonka saatat löytää autosta, joka pomppii tiellä 70:ssä mph.

Eldada viittaa muihin ongelmiin. ”Mikro-MEM-peilit ajautuvat pois linjauksesta. Ne eivät ylläpidä kalibrointia. Kun lämpötilassa tapahtuu suuria muutoksia, ne on kalibroitava uudelleen koko käyttöiän ajan.

"Jos peilit juuttuvat, sinulla on silmäturvallisuusongelma", hän huomauttaa. Ja auringonvalo voi tehdä oman tuhonsa. "Sinulla on suuria ongelmia, kun katsot aurinkoa", Eldada sanoo. "Auringonvalo osuu siihen, valo heijastuu lidarin sisään ja kyllästää ilmaisimet ja peittää signaalin."

Koska kaikkien kolmen seuraavan sukupolven lidar-tyyppien välillä on niin monia eroja, Aptiv suojaa vetonsa työskentelemällä niiden kaikkien kanssa ja sijoittamalla niihin. "Jokaisella on erilaiset kompromissit suhteessa näkökenttään, kantamaan ja resoluutioon", Tapley selittää. "Riippuen siitä, missä tämä lidar on sijoitettu ajoneuvoon, se määrää, mikä niistä on tärkein."

Esimerkiksi sivulle suunnattu lidar ei välttämättä tarvitse sitä etäisyyttä kuin edessä oleva lidar. Sekoittamalla ja yhdistämällä lajikkeiden välillä Aptiv toivoo valjastavansa kaikkien maailmojen parhaat puolet.

Joten missä on itseajava autoni?

Vuonna 1999 Jaguar esitteli ensimmäisen tutkapohjaisen vakionopeudensäätimen XK: ssa, coupessa, joka myi noin 100 000 dollarilla nykypäivän dollareissa. Tuolloin anturit olivat niin kalliita, että kuten Tapley kertoo: "Ihmiset vitsailivat, että sait ilmaisen Jagin jokaisen tutkaostoksen yhteydessä."

Nykyään voit saada saman ominaisuuden 18 000 dollarin Corollassa. “Olemme tavallaan samalla oppimiskäyrällä lidarin kanssa", hän sanoo. "Kunnes solid-state on kypsä ja siirtyy massatuotantoon, nämä ajoneuvot tulevat olemaan melko kalliita keskivertokuluttajalle."

Quanergyn 900 dollarin solid-state-lidar-anturi auttaa tämän toteuttamisessa. Tuleva Fisker EMotion tulee olemaan ensimmäinen ajoneuvo, joka saapuu kaduille, joissa on kyseiset anturit - viisi niistä - saapuessaan vuonna 2019. Ne eivät ole suurempia kuin akkuporakoneen akku, ne ovat tuuletusaukkojen sisällä, piilossa kromiritilöiden takana ja ovat täysin näkymättömiä, ellet etsi niitä. Kaukana eilisen pyörivistä kauhoista.

Eldada uskoo näkevämme tason 4 autonomisia autoja tunnetusti "aggressiiviselta" amerikkalaiselta valmistajalta jo vuonna 2020. "2021, 2022, näet useita lisää. 2023 on suuri vuosi. Useimmilla autonvalmistajilla on itseajavia autoja."

Vaikka Fiskerin hinta on 130 000 dollaria, se saattaa näyttää hyvin samanlaiselta kuin vuoden 1999 Jaguar XK: kallis tulevan teknologian esikuva. Viime kädessä solid-state lidar tarkoittaa, että itseajavat autot eivät ole vain varakkaiden autokuljettajia. "Se tarkoittaa, että jokaisella voi olla itseajava auto", Eldada sanoo. "Se ei koske vain Mercedes S-sarjaa ja BMW 7-sarjaa. Tämä tarkoittaa, että Toyota Corollalla ajavilla ihmisillä on myös itseohjautuvat autot.

Ja niin perustavanlaatuiselta kuin tämä muutos kuulostaakin, autot voivat olla vasta alkua solid-state lidarille. "Näet sen laitteissa, näet sen puettavissa, palomiesten ja sotilaiden kypärissä. Sovellukset ovat lähes rajattomat."

Toimittajien suositukset

• Volkswagen käynnistää oman itseajavien autojen testausohjelman Yhdysvalloissa.
• Robotaxisilla on matkustajaongelma, jota kukaan ei ajatellut
• Ford ja VW sulkevat autonomisen Argo AI -autoyksikön
• Nvidian Drive Concierge täyttää autosi näytöillä
• Cruisen robottitaksit suuntaavat Arizonaan ja Texasiin