Lidar à semi-conducteurs: la clé des voitures autonomes bon marché

Avez-vous déjà remarqué que les voitures autonomes finissent par porter des chapeaux étranges ?

Les premiers camions militaires autonomes semblaient avoir des canettes de café qui tournaient sur le dessus. Carnegie Mellon Hummer autonome emblématique était surmonté d'une balle de ping-pong géante. Le petit prototype souriant de Waymo porte un dôme en forme de sirène qui lui donne l'apparence de la voiture de police la plus adorable du monde.

À l’intérieur des trois se trouvent environ une douzaine de lasers, tirant à travers des optiques de qualité télescope, se déplaçant des centaines de fois par minute, pour générer 300 000 points de données par seconde. C’est ce qu’on appelle le lidar, et sans lui, ces voitures seraient toutes aveugles. C’est également l’une des principales raisons pour lesquelles vous n’avez pas de voiture autonome dans votre entrée à l’heure actuelle. À environ 75 000 dollars, un seul lidar peut facilement coûter plus cher que la voiture sur laquelle il roule. Et ce n’est qu’un ingrédient de la soupe de la conduite autonome.

Mais une nouvelle technologie fait son apparition partout cette année: le lidar à semi-conducteurs. Sans pièces mobiles, il promet de donner aux voitures autonomes une vision plus nette et meilleure, à une fraction du coût des systèmes électromécaniques à l’ancienne. Le lidar à semi-conducteurs ouvrira la voie aux premières voitures autonomes que vous pouvez réellement vous permettre. Voici comment cela fonctionne et ce qui nous attend.

Comment fonctionne le lidar

Le terme « lidar » vient du mélange de « lumière » et de « radar », ce qui constitue également un moyen pratique de le comprendre car… eh bien, c'est un radar, mais avec de la lumière.

Un rappel de la physique au lycée: le radar fait rebondir une impulsion d'ondes radio sur un objet, comme un avion, pour déterminer à quelle distance il se trouve, en fonction du temps qu'il faut pour que l'impulsion rebondisse. Lidar utilise une impulsion de lumière provenant d’un laser pour faire la même chose.

Prenez suffisamment de ces lasers, faites-les tourner en cercle et vous vous retrouvez avec un « nuage de points » tridimensionnel du monde qui vous entoure. Vous avez probablement vu ces points aux couleurs de l’arc-en-ciel représentant des paysages urbains, des montagnes et même la tête chantante et désincarnée de Thom Yorke dans Radiohead Château de cartes Clip musical. Cette carte 3D à 360 degrés est comme une pierre de Rosette pour une voiture autonome, lui permettant de déchiffrer le monde qui l’entoure.

"Vous avez besoin d'une combinaison de caméras, de radar et de lidar pour créer un système de conduite autonome", explique Jada Tapley, vice-présidente de l'ingénierie avancée chez Aptiv. Elle le saurait. Aptiv a construit le voitures Lyft autonomes qui a transporté les participants autour de Las Vegas pour le CES 2018. Dans la pire impasse que la ville ait connue toute l’année. Et des conditions semblables à celles de la mousson. Avec zéro accident.

Ces voitures étaient équipées de neuf lidars, dix radars et quatre caméras. Une combinaison des trois lui permet de se piloter tout seul, mais le lidar remplit la fonction cruciale que les ingénieurs appellent localisation. « Il est important que le véhicule puisse identifier avec un très haut degré de précision où il se trouve sur la carte », explique Tapley. "Nous utilisons notre lidar pour ce faire."

Niveaux de voiture autonome expliqués
Les organisations internationales d’ingénierie ont opté pour six niveaux d’automatisation pour parler de l’évolution que nous verrons entre les voitures stupides et l’autonomie complète.

Niveau 0: Pas d'autonomie
C’est la voiture que vous possédez probablement déjà. Arrêtez d'envoyer des SMS! Vous devez tout faire.
Niveau 1: pratique
Votre voiture vous aidera dans certains scénarios, comme le régulateur de vitesse adaptatif qui vous ralentira sur l'autoroute lorsque la voiture qui vous précède le fait.
Niveau 2: Ne touchez pas
Votre voiture peut conduire comme vous, dans les bonnes circonstances, comme le pilote automatique Tesla sur une autoroute divisée et balisée.
Niveau 3: Fermez les yeux
Allez-y et envoyez ce texte; cette voiture ne s’écrasera pas si elle n’attire pas votre attention. Mais vous devrez quand même prendre le volant si les choses se compliquent, comme avec l’Audi Traffic Jam Pilot.
Niveau 4: Ne vous inquiétez pas
Aller dormir; votre voiture est sous contrôle. Mais vous devez quand même vous asseoir au volant, au cas où.
Niveau 5: Autonomie totale
Votre voiture n’a pas de volant, car elle peut conduire mieux que vous dans tous les scénarios. Va t'asseoir à l'arrière, faible humain.

Alors que le GPS peut limiter votre position à un cercle d'environ 16 pieds de diamètre, le lidar peut le faire dans un cercle de quatre pouces de diamètre. C’est mieux que ce que beaucoup de conducteurs peuvent gérer. Tapley se souvient d'un groupe de journalistes aux yeux écarquillés grimaçant alors que la voiture autonome d'Aptiv passait devant un bus garé à Las Vegas. Ils n’en avaient pas besoin, car la voiture savait qu’il y avait beaucoup de place. « En tant qu’humains, nous sommes intimidés, en particulier par les gros véhicules comme les bus ou les semi-remorques. Nous avons donc tendance à nous éloigner d’eux », explique-t-elle. "Mais un véhicule autonome n'a pas besoin de faire ça."

Alors que les caméras peuvent identifier les objets et que les radars peuvent déterminer à quelle distance ils se trouvent, le lidar peut réaliser les deux avec un degré de précision qu'aucun des deux ne peut toucher. "Imaginez qu'il y ait une bande de roulement d'un pneu de 18 roues au milieu de la route", explique Tapley. « Le radar ne détectera pas cela. Lidar le fera.

C’est pourquoi une Tesla Model S, dotée à la fois de caméras et d’un radar, mais pas de lidar, doit avoir un conducteur prêt à prendre le volant à tout moment. Il est considéré comme un véhicule autonome de niveau 2. Presque tous les experts en autonomie automobile – avec le exception flagrante d’Elon Musk - je pense que le lidar est nécessaire pour atteindre une véritable autonomie de niveau 4 en matière de « sommeil au volant ».

Et c’est un énorme problème si vous ou moi espérons un jour en posséder un. L'argent Vélodyne HDL-64E que vous voyez au sommet de nombreuses voitures d’essai coûte 75 000 $. Même le modèle Puck « budgétaire » de l’entreprise coûte 8 000 $. Et ce n’est pas un élément sur lequel vous pouvez lésiner. Imaginez que les vitres de votre voiture deviennent noires à 80 mph, et vous avez une assez bonne idée de ce à quoi ressemblerait la perte du lidar pour l'ordinateur dans une voiture autonome.

Comme toute technologie, le lidar est devenu moins cher au fil du temps, mais la précision requise et les pièces tournantes massives dans le lidar électromécanique signifie qu'il ne peut pas devenir moins cher, plus petit et meilleur chaque année de la même manière que le processeur de votre téléphone ou l'ordinateur le fait.

Mais et si… vous pouviez fabriquer un lidar uniquement à partir de silicium? Supprimez toutes les pièces en mouvement et l’avenir commence à paraître beaucoup plus prometteur.

Bienvenue à l'état solide

L'électronique à semi-conducteurs, qui par définition ne comporte aucune pièce mobile, a changé notre façon de tout faire, depuis la mesure du temps jusqu'à l'écoute de la musique. Vous vous souvenez de la façon dont les lecteurs de CD portables sautaient? C’est ce qui se produit lorsque vous utilisez un laser pour lire les rainures microscopiques d’un disque en rotation. Mais tu peux mettre ton téléphone intelligent dans un shaker à peinture et j'écoute toujours Kanye, car la musique est stockée sur des puces mémoire à semi-conducteurs qui n'hésitent pas à être secouées. Lidar va dans la même direction.

Comme les lecteurs de CD portables, le lidar électromécanique en rotation n’est pas idéal. « Premièrement, ils sont gros », déclare Tapley. « Deuxièmement, ils sont chers. Le lidar à semi-conducteurs nous permet de devenir plus petits, de mieux intégrer les véhicules et de réduire les coûts.

Comment déplacer la lumière sans déplacer une lentille ou un miroir? Comment le lidar passe-t-il à l’état solide? Les ingénieurs ont mis au point des méthodes tout à fait géniales.

Le premier s'appelle éclair lidar. "Le flash est essentiellement l'endroit où vous avez une source de lumière et cette source de lumière inonde tout le champ de vision une fois à l'aide d'une impulsion", explique Tapley. "Un imageur à temps de vol reçoit cette lumière et est capable de peindre l'image de ce qu'il voit." Considérez-le comme un appareil photo qui voit la distance plutôt que la couleur.

Mais cette simplicité comporte quelques inconvénients. Pour voir très loin, il faut un puissant éclat de lumière, ce qui le rend plus coûteux. Et la lumière ne peut pas être si puissant qu'il endommage les rétines humaines, ce qui limite la portée. Une solution consiste à projeter de la lumière sur une longueur d’onde spécifique et invisible qui n’affecte pas les yeux humains. Parfait! Jusqu’à ce que vous tombiez sur un autre problème: les imageurs en silicium bon marché ne « liront » pas les éclairs de lumière dans le spectre sans danger pour les yeux. Vous avez besoin d'imageurs à l'arséniure de gallium coûteux, ce qui peut augmenter le coût de ces systèmes jusqu'à 200 000 $.

"Vous devez disposer d'une source de lumière extrêmement puissante ou d'un récepteur extrêmement sensible, et si vous ne disposez pas de ces éléments, vous disposez d'une portée limitée", explique Tapley. Il pourrait être parfait pour les avions gouvernementaux effectuant des relevés aériens détaillés, mais le flash lidar n'est probablement pas adapté à votre Corolla.

Régler les phaseurs à scanner

Heureusement, il existe un autre moyen. Louay Eldada s'attaque au problème depuis qu'il a obtenu son doctorat en optoélectronique au début des années 90; et aujourd'hui il court Quanergie, l’un des principaux acteurs du lidar à semi-conducteurs. Eldada et son équipe ont adopté une approche différente en examinant le fonctionnement du radar. C’est après tout un proche cousin du lidar. Il s’avère que le radar tournait comme le lidar, jusqu’à ce que les scientifiques développent une brillante solution de contournement connue sous le nom de réseau multiéléments.

Un réseau multiéléments peut diffuser des ondes radio dans n’importe quelle direction – sans tourner en rond – en utilisant un réseau microscopique d’antennes individuelles synchronisées de manière spécifique. En contrôlant le timing – ou la phase – entre chaque antenne diffusant son signal, les ingénieurs peuvent « orienter » un signal cohérent dans une direction spécifique.

Les réseaux multiéléments sont utilisés dans les radars depuis les années 1950. Mais Eldada et son équipe ont découvert comment utiliser la même technique avec la lumière. «Nous disposons d'un grand nombre, généralement un million, d'éléments d'antenne optique», explique Eldada. "En fonction de leur relation progressive les uns avec les autres, ils forment un diagramme de rayonnement, ou un point, qui a une certaine taille et est pointé dans une certaine direction."

En chronométrant intelligemment le flash précis d'un million d'émetteurs individuels, Quanergy peut « orienter » la lumière en utilisant uniquement du silicium. "C'est l'effet d'interférence qui détermine la direction dans laquelle va la lumière, et non un miroir ou une lentille en mouvement", explique Eldada.

Cela signifie que le nid d’optiques et de moteurs à l’intérieur d’un seau lidar de 75 000 $ disparaît et qu’il ne vous reste plus que des puces. À l'heure actuelle, Quanergy utilise plusieurs puces et vend le package pour 900 $, mais les futures versions deviendront une seule puce. « À ce stade, notre prix de vente deviendra inférieur à 100 dollars », prédit Eldada.

L’état solide n’est pas seulement moins cher, c’est mieux. "Le fait de pouvoir modifier efficacement la forme de l'objectif pour lui donner la forme souhaitée vous permet de zoomer et de dézoomer", explique Eldada. « Alors imaginez que vous regardez un objet dans votre voie et que vous souhaitez définir en haute résolution de quoi il s’agit. Vous réduisez la taille du point et déterminez qu’il s’agit d’un cerf, d’un pneu, d’un matelas tombé d’un camion. En même temps, vous pouvez passer de cela à la grande scène. Ce « saut » peut se produire plusieurs fois fois par seconde sans même que le conducteur le sache, alors qu'un algorithme prend les devants et détermine ce qui mérite une attention plus rapprochée regarder.

Les appareils à semi-conducteurs durent également plus longtemps. Le lidar électromécanique peut fonctionner entre 1 000 et 2 000 heures avant une panne. Avec les dépenses américaines moyennes 293 heures en voiture par an, la plupart d’entre nous finiraient par remplacer notre lidar avant nos pneus. Quanergy affirme que son lidar à semi-conducteurs fonctionnera pendant 100 000 heures, soit plus que la plupart des voitures ne conduiront jamais.

Miroir miroir sur le mur

Les réseaux flash et optiques sont vraiment les seuls vrai lidar à semi-conducteurs. Mais il existe une troisième nouvelle façon de faire du lidar, le beau-fils aux cheveux roux connu sous le nom de miroirs microélectromécaniques – ou miroirs MEMS.

Comme le suggère le mot « mécanique » dans « microélectromécanique », il existe des pièces mobiles, de sorte que les miroirs MEMS ne sont pas véritablement à l'état solide. Mais ils sont aussi si petits que cette technologie représente encore une amélioration par rapport au lidar électromécanique à grande échelle.

"L'architecture est très simple", explique Tapley. "Vous avez un laser, un miroir." Le laser se déclenche dans le tout petit miroir, qui tourne comme une toupie, offrant la rotation que le lidar conventionnel obtient en faisant tourner un seau entier.

C'est assez simple, jusqu'à ce que vous souhaitiez déplacer le laser de haut en bas en plus de tourner en rond. Ensuite, vous devez le « cascade » sur un autre miroir, qui tourne sur un autre axe. Ou vous pouvez tirer plusieurs lasers sur un seul miroir. Quoi qu’il en soit, le coût et la complexité commencent à augmenter.

« S'assurer que tout est parfaitement aligné crée des défis », explique Tapley. « Si vous placez ce laser dans un miroir qui tourne sur les deux axes, il peut parfois être sensible chocs et vibrations. Vous savez, comme le type qu'on pourrait trouver dans une voiture, rebondissant sur la route à 70 ans. mph.

Eldada souligne d’autres problèmes. « Les miroirs micro-MEM se désalignent. Ils ne maintiennent pas l’étalonnage. Lorsqu’il y a de grands changements de température, ils doivent être recalibrés tout au long de leur durée de vie.

« Si les rétroviseurs se coincent, il y a un problème de sécurité oculaire », souligne-t-il. Et la lumière du soleil peut faire des ravages. « Vous avez de gros problèmes lorsque vous faites face au soleil », explique Eldada. "La lumière du soleil va le frapper, la lumière va se refléter à l'intérieur du lidar, saturer les détecteurs et étouffer le signal."

Avec autant de différences entre les trois types de lidar de nouvelle génération, Aptiv couvre ses paris en travaillant avec eux – et en investissant dans eux tous. "Chacun présente des compromis différents en termes de champ de vision, de portée et de résolution", explique Tapley. "En fonction de l'endroit où ce lidar est positionné sur le véhicule, cela déterminera lequel d'entre eux doit être le plus important."

Le lidar latéral, par exemple, n’a peut-être pas besoin de la portée du lidar frontal. En mélangeant et en associant les variétés, Aptiv espère exploiter le meilleur de tous les mondes.

Alors, où est ma voiture autonome ?

En 1999, Jaguar a introduit le premier régulateur de vitesse à radar dans la XK, un coupé vendu environ 100 000 dollars en dollars actuels. À l’époque, les capteurs étaient si chers que, comme le raconte Tapley, « les gens plaisantaient en disant que vous receviez un Jag gratuit à chaque achat de radar. »

Aujourd’hui, vous pouvez obtenir la même fonctionnalité dans une Corolla à 18 000 $. “Nous sommes en quelque sorte sur la même courbe d’apprentissage avec le lidar », dit-elle. "Jusqu'à ce que les véhicules à semi-conducteurs deviennent matures et entrent en production de masse, ces véhicules coûteront assez cher à l'achat pour un consommateur moyen."

Le capteur lidar à semi-conducteurs de Quanergy, à 900 $, contribue à y parvenir. Le prochain Fisker EMotion sera le premier véhicule à circuler dans les rues avec ces capteurs à l'intérieur – cinq d'entre eux – lorsqu'il arrivera en 2019. Pas plus gros que la batterie d’une perceuse sans fil, ils sont enfouis dans des bouches d’aération, cachés derrière des grilles chromées et totalement invisibles à moins que vous ne les recherchiez. Bien loin des seaux qui tournoyaient d’hier.

Eldada pense que nous verrons dès 2020 des voitures autonomes de niveau 4 d’un constructeur américain notoirement « agressif ». « 2021, 2022, vous en verrez plusieurs autres. 2023 est la grande année. La plupart des constructeurs automobiles auront des voitures autonomes.

Bien que le prix de la Fisker soit de 130 000 $, elle pourrait ressembler beaucoup à la Jaguar XK de 1999: un précurseur coûteux de la technologie à venir. En fin de compte, le lidar à semi-conducteurs signifie que les voitures autonomes ne seront pas seulement des robots-chauffeurs pour les riches. «Cela signifie que tout le monde peut avoir une voiture autonome», explique Eldada. « Ce n’est pas seulement pour les Mercedes Classe S et la BMW Série 7. Cela signifie que les conducteurs de Toyota Corolla disposeront également de voitures autonomes.

Et aussi fondamental que ce changement puisse paraître, les voitures ne sont peut-être que le début du lidar à semi-conducteurs. « Vous le verrez dans les appareils, vous le verrez dans les wearables, dans les casques des pompiers et des soldats. Les applications sont presque illimitées.

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