Solid-State Lidar: ključ za jeftine samovozeće automobile

Jeste li ikada primijetili kako samovozeći automobili na kraju nose neke čudne šešire?

Najraniji samovozeći vojni kamioni izgledali su kao da imaju limenke kave koje se okreću na vrhu. Carnegieja Mellona kultni samovozeći Hummer na vrhu je bila golema loptica za stolni tenis. Waymov nasmijani mali prototip nosi kupolu u obliku sirene zbog koje izgleda kao najslađi policijski automobil na svijetu.

Unutar sva tri nalazi se desetak lasera, koji pucaju kroz optiku teleskopa, okrećući se stotinama puta u minuti, kako bi generirali 300.000 podatkovnih točaka u sekundi. Zove se lidar i bez njega bi svi ovi automobili bili slijepi. To je također jedan od najvećih razloga zašto trenutno nemate samovozeći automobil na svom prilazu. S oko 75.000 dolara, jedan lidar može lako koštati više od automobila na kojem se vozi. A to je samo jedan sastojak samovozeće juhe.

Ali ove godine posvuda se pojavljuje nova tehnologija: lidar u čvrstom stanju. Bez pokretnih dijelova, obećava da će samovozećim automobilima dati oštriji, bolji vid, uz djelić cijene starih, elektromehaničkih sustava. Solid-state lidar utrt će put prvim samovozećim automobilima koje si zapravo možete priuštiti. Evo kako to funkcionira - i što je odmah iza ugla.

Kako radi lidar

Izraz "lidar" dolazi od spajanja "svjetlosti" i "radara", što također predstavlja zgodan način za razumijevanje jer... pa, to je radar, ali sa svjetlom.

Podsjetnik iz fizike u srednjoj školi: Radar odbija puls radiovalova od objekta, poput aviona, kako bi odredio koliko je daleko, na temelju vremena potrebnog da se puls vrati. Lidar koristi puls svjetlosti iz lasera da učini istu stvar.

Uzmite dovoljno tih lasera, zavrtite ih u krug i dobit ćete trodimenzionalni "oblak točaka" svijeta oko sebe. Vjerojatno ste vidjeli ove točkice duginih boja koje prikazuju gradske pejzaže, planine, pa čak i raspjevanu glavu Thoma Yorkea bez tijela Radioheada Kula od karata glazbeni video. Ta 3D karta od 360 stupnjeva je poput kamena iz Rosette za samovozeći automobil, dopuštajući mu da dešifrira svijet oko sebe.

"Potrebna vam je kombinacija kamera, radara i lidara kako biste stvorili samovozeći sustav", objašnjava Jada Tapley, potpredsjednica naprednog inženjerstva u Aptivu. Ona bi znala. Aptiv je izgradio autonomni Lyft automobili koji je vozio sudionike po Las Vegasu za CES 2018. U najgorem zastoju koji grad vidi cijele godine. I uvjeti poput monsuna. Bez nezgoda.

Ti su automobili imali devet lidara, deset radara i četiri kamere. Kombinacija sva tri omogućuje mu da sam vozi, ali lidar obavlja ključnu funkciju koju inženjeri nazivaju lokalizacija. "Važno je da vozilo može identificirati s vrlo visokim stupnjem točnosti gdje se nalazi na karti", objašnjava Tapley. "Za to koristimo naš lidar."

Objašnjene razine autonomnog automobila
Međunarodne inženjerske organizacije odlučile su se za šest razina automatizacije kako bi govorile o evoluciji koju ćemo vidjeti između glupih automobila i potpune autonomije.

Razina 0: Nema autonomije
Ovo je automobil koji vjerojatno već posjedujete. Prestani slati poruke! Trebate učiniti sve.
Razina 1: Praktično
Vaš će vam automobil pomoći u nekim scenarijima, poput adaptivnog tempomata koji vas usporava na autocesti kad to učini automobil ispred vas.
Razina 2: Ruke dalje
Vaš automobil može voziti baš kao i vi - pod pravim okolnostima, poput Teslinog autopilota na podijeljenoj, označenoj autocesti.
Razina 3: Isključene oči
Samo naprijed i pošaljite taj tekst; ovaj auto se neće sudariti ako nema vašu pažnju. No svejedno ćete trebati uhvatiti volan ako se stvari zakompliciraju, kao s Audi Traffic Jam Pilotom.
Razina 4: Odvrati pažnju
Ići na spavanje; vaš auto je pod kontrolom. Ali za svaki slučaj ipak morate sjesti za volan.
Razina 5: Potpuna autonomija
Vaš auto nema volan, jer može voziti bolje od vas u svim scenarijima. Idi sjedni straga, slabašni čovječe.

Dok GPS može suziti vašu lokaciju na krug oko 16 stopa u promjeru, lidar to može učiniti unutar kruga promjera četiri inča. To je bolje nego što mnogi vozači mogu podnijeti. Tapley se sjeća kako se jedna skupina novinara razrogačenih očiju trzala dok je Aptivin autonomni automobil prolazio pokraj parkiranog autobusa u Las Vegasu. Nisu trebali - jer je auto znao da ima dovoljno mjesta. “Kao ljudi, plašimo se, posebno velikih, velikih vozila poput autobusa ili poluprikolica. Tako da smo skloni odmicati od njih,” objašnjava ona. "Ali autonomno vozilo to ne mora činiti."

Dok kamere mogu identificirati objekte, a radar može reći koliko su udaljeni, lidar može postići i jedno i drugo sa stupnjem preciznosti koji niti jedan ne može dodirnuti. “Zamislite da se na sredini ceste nalazi gazni sloj gume za 18 kotača”, kaže Tapley. “Radar to neće otkriti. Lidar će.”

Zato Tesla Model S, koji ima i kamere i radar, ali ne i lidar, mora imati vozača spremnog da u svakom trenutku preuzme volan. Smatra se autonomnim vozilom razine 2. Gotovo svi stručnjaci za autonomiju automobila — s očita iznimka Elona Muska — vjerujem da je lidar neophodan za postizanje istinske autonomije razine 4 "spavanja za volanom".

A to je ogroman problem ako se vi ili ja ikada nadamo da ćemo ga posjedovati. srebro Velodyne HDL-64E vidite da većina testnih automobila košta 75.000 dolara. Čak i "budget" Puck model tvrtke stoji 8000 dolara. A ovo nije dio na kojem možete štedjeti. Zamislite da se prozori vašeg automobila zatamne pri brzini od 80 km/h i imate prilično dobru ideju kako bi gubitak lidara izgledao računalu u samovozećem automobilu.

Kao i sva druga tehnologija, lidar je s vremenom postao jeftiniji, ali potrebna je preciznost i masivni rotirajući dijelovi elektromehanički lidar znači da ne može postajati jeftiniji, manji i bolji svake godine na isti način na koji procesor u vašem telefonu ili računalo radi.

Ali što ako... možete napraviti lidar samo od silicija? Uklonite sve pokretne dijelove i budućnost će izgledati puno svjetlije.

Dobrodošli u čvrsto stanje

Solid-state elektronika, koja po definiciji nema pokretnih dijelova, promijenila je način na koji radimo sve, od praćenja vremena do slušanja glazbe. Sjećate li se kako su prijenosni CD playeri prije skakali? To se događa kada se oslanjate na laser za očitavanje mikroskopskih utora na disku koji se okreće. Ali možete staviti svoje pametni telefon u mućkalici za boje i još uvijek slušajte Kanyea, jer je glazba pohranjena na čvrstim memorijskim čipovima koji ne smetaju da ih se protrese. Lidar ide u istom smjeru.

Poput prijenosnih CD playera, rotirajući elektromehanički lidar nije idealan. "Prvo, veliki su", kaže Tapley. “Pod dva, skupe su. Solid-state lidar omogućuje nam da postanemo manji, bolje pakiramo u vozila i smanjimo troškove.”

Kako pomicati svjetlost bez pomicanja leće ili zrcala? Kako lidar dolazi u čvrsto stanje? Inženjeri su osmislili nekoliko genijalnih načina.

Prvi se zove bljesak lidar. "Bljeskalica je u osnovi mjesto gdje imate izvor svjetlosti i taj izvor svjetlosti preplavljuje cijelo vidno polje jednom pomoću pulsa", objašnjava Tapley. "Snimač vremena leta prima to svjetlo i može naslikati sliku onoga što vidi." Zamislite to kao kameru koja vidi udaljenost umjesto boje.

Ali ta jednostavnost dolazi s nekim nedostacima. Da biste vidjeli jako daleko, potreban vam je snažan bljesak svjetlosti, što ga čini skupljim. A svjetlost ne može biti tako moćan da oštećuje ljudsku mrežnicu, što ograničava domet. Jedno zaobilazno rješenje je ispuštanje svjetla na određenoj, nevidljivoj valnoj duljini koja ne utječe na ljudske oči. Savršen! Sve dok ne naletite na još jednu začkoljicu: jeftini silikonski slikovni uređaji neće "očitati" udare svjetlosti u spektru sigurnom za oko. Potrebni su vam skupi slikovni uređaji s galij-arsenidom, koji mogu povećati cijenu ovih sustava čak do 200.000 dolara.

"Morate imati iznimno snažan izvor svjetlosti ili iznimno osjetljiv prijemnik, a ako nemate te stvari onda imate ovaj ograničeni domet", kaže Tapley. Mogao bi biti savršen za vladine zrakoplove koji provode detaljna istraživanja iz zraka, ali flash lidar vjerojatno nije prikladan za vašu Corollu.

Postavite fazere za skeniranje

Srećom, postoji još jedan način. Louay Eldada se bavi problemom otkako je doktorirao optoelektroniku ranih 90-ih; a danas trči Quanergy, jedan od najistaknutijih igrača u lidarima u čvrstom stanju. Eldada i njegov tim izveli su drugačiji pristup promatrajući kako radar radi. Ipak je to blizak rođak lidara. Kako se ispostavilo, radar se vrtio baš kao i lidar, sve dok znanstvenici nisu razvili briljantno rješenje poznato kao fazni niz.

Fazni niz može emitirati radio valove u bilo kojem smjeru - bez vrtnje u krug - pomoću mikroskopskog niza pojedinačnih antena sinkroniziranih na određeni način. Kontroliranjem vremena - ili faze - između svake antene koja emitira svoj signal, inženjeri mogu "usmjeriti" jedan kohezivni signal u određenom smjeru.

Fazni nizovi se u radaru koriste od 1950-ih. Ali Eldada i njegov tim smislili su kako koristiti istu tehniku ​​sa svjetlom. "Imamo velik broj, obično milijun, optičkih antenskih elemenata", objašnjava Eldada. "Na temelju njihovog faznog međusobnog odnosa, oni tvore uzorak zračenja, ili točku, koja ima određenu veličinu i usmjerena je u određenom smjeru."

Inteligentnim tempiranjem preciznog bljeska milijun pojedinačnih emitera, Quanergy može "upravljati" svjetlom koristeći samo silicij. "Učinak interferencije određuje u kojem smjeru ide svjetlost, a ne pokretno ogledalo ili leća", objašnjava Eldada.

To znači da gnijezdo optike i motora unutar lidarske kante od 75.000 dolara nestaje, a vama ostaju samo čipovi. Trenutačno Quanergy koristi nekoliko čipova i prodaje paket za 900 dolara, ali buduće verzije će postati jedan čip. "U tom će trenutku naša prodajna cijena pasti ispod 100 dolara", predviđa Eldada.

Čvrsto stanje nije samo jeftinije, nego je i bolje. "Mogućnost učinkovite promjene oblika leće u bilo koji oblik koji želite omogućuje vam povećavanje i smanjivanje", objašnjava Eldada. “Dakle, zamislite da gledate objekt u svojoj traci i želite definirati u visokoj rezoluciji što je to. Smanjite veličinu točke i utvrdite da je to jelen, to je guma, to je madrac koji je pao s kamiona. U isto vrijeme, možete skakati između toga i gledanja velike scene.” Ovo "skakanje" može se dogoditi višestruko puta u sekundi, a da vozač uopće ne zna, jer algoritam odlučuje i određuje što zaslužuje bliži izgled.

Solid-state uređaji također traju duže. Elektromehanički lidar može raditi između 1000 i 2000 sati prije kvara. S prosječnom američkom potrošnjom 293 sata u automobilu godišnje, većina nas bi na kraju zamijenila lidar prije guma. Quanergy tvrdi da će njegov solid-state lidar raditi 100.000 sati — više nego što će većina automobila ikada voziti.

Ogledalo ogledalo, na zidu

Flash i optički fazni nizovi zapravo su jedini pravi solid-state lidar. Ali postoji i treći novi način za lidar, crvenokosi pastorak poznat kao mikroelektromehanička zrcala - ili MEMS zrcala.

Kao što "mehanički" u "mikroelektromehanički" sugerira, postoje pokretni dijelovi, tako da MEMS zrcala nisu doista u čvrstom stanju. Ali oni su također tako maleni da tehnologija još uvijek predstavlja napredak u odnosu na veliki elektromehanički lidar.

"Arhitektura je vrlo jednostavna", objašnjava Tapley. "Imate jedan laser, jedno ogledalo." Laser puca u vrlo sićušno zrcalo, koje se okreće poput vrha, pružajući rotaciju koju konvencionalni lidar dobiva okretanjem cijele kante oko sebe.

Dovoljno je jednostavno, sve dok ne poželite pomicati laser gore-dolje osim vrtnje u krug. Zatim ga trebate "kaskadno spustiti" s drugog zrcala, koje se okreće oko druge osi. Ili možete ispaliti više lasera na jedno ogledalo. U svakom slučaju, troškovi i složenost počinju rasti.

"Provjera je li sve savršeno usklađeno stvara izazove", objašnjava Tapley. "Ako imate ovaj laser u zrcalu koje rotira u obje osi, ponekad može biti osjetljiv na udar i vibracije." Znate, poput tipa kojeg možete pronaći u autu, kako skakuće niz cestu sa 70 mph

Eldada ukazuje na druga pitanja. “Ogledala mikro MEM-a ne poravnaju se. Ne održavaju kalibraciju. Kada dođe do velikih promjena temperature, potrebno ih je ponovno kalibrirati tijekom životnog vijeka.”

"Ako se zrcala zaglave, imate problem sa sigurnošću očiju", ističe. A sunčeva svjetlost može izazvati vlastitu pustoš. "Imate velikih problema kada ste okrenuti prema suncu", kaže Eldada. "Sunčevo svjetlo će ga pogoditi, svjetlo će se reflektirati unutar lidara, zasititi detektore i ugušiti signal."

S toliko razlika između sve tri vrste lidara sljedeće generacije, Aptiv štiti svoje oklade radeći sa – i ulažući – u sve njih. "Svaki ima različite kompromise u odnosu na vidno polje, raspon i razlučivost", objašnjava Tapley. "Ovisno o tome gdje je taj lidar postavljen na vozilu, to će diktirati koji od njih treba biti najvažniji."

Na primjer, bočno okrenuti lidar možda neće trebati domet koji ima prednji lidar. Miješanjem i usklađivanjem različitih vrsta, Aptiv se nada iskoristiti najbolje od svih svjetova.

Dakle, gdje je moj samovozeći automobil?

Godine 1999. Jaguar je predstavio prvi tempomat temeljen na radaru u XK, coupeu koji se prodavao za oko 100.000 dolara u današnjim dolarima. U to su vrijeme senzori bili toliko skupi da su se, kako Tapley kaže, "Ljudi šalili da dobivate besplatni Jag uz svaku kupnju radara."

Danas možete dobiti istu značajku u Corolli od 18.000 USD. “Na istoj smo krivulji učenja s lidarom", kaže ona. "Sve dok čvrsto stanje ne postane zrelo i ne uđe u masovnu proizvodnju, ova će vozila biti prilično skupa za prosječnog potrošača."

Quanergyjev poluprovodnički lidar senzor od 900 dolara pomaže da se to dogodi. Nadolazeći Fisker Emotion bit će prvo vozilo koje će izaći na ulice s tim senzorima unutra — njih pet — kada stigne 2019. Nisu veće od paketa baterija za bežičnu bušilicu, zakopane su u ventilacijske otvore, skrivene iza kromiranih rešetki i potpuno nevidljive osim ako ih ne tražite. Daleko od jučerašnjih vrtećih kanti.

Eldada vjeruje da ćemo već 2020. vidjeti autonomne automobile razine 4 od notorno "agresivnog" američkog proizvođača. “2021., 2022., vidjet ćete još nekoliko. 2023. je velika godina. Većina proizvođača automobila će imati samovozeće automobile.”

Iako će cijena Fiskera biti 130.000 dolara, mogao bi izgledati dosta poput Jaguara XK iz 1999.: skupi vjesnik tehnologije koja dolazi. U konačnici, solid-state lidar znači da samovozeći automobili neće biti samo robošoferi za bogate. "To znači da svatko može imati samovozeći automobil", kaže Eldada. “To nije samo za Mercedes S-klasu i BMW serije 7. To znači da će ljudi koji voze Toyote Corolle imati i samovozeće automobile.”

I koliko god ta promjena zvučala fundamentalno, automobili bi mogli biti samo početak za lidar u čvrstom stanju. “Vidjet ćete to u uređajima, vidjet ćete to u nosivoj opremi, u kacigama vatrogasaca i vojnika. Primjene su gotovo neograničene.”

Preporuke urednika

• Volkswagen pokreće vlastiti program testiranja samovozećih automobila u SAD-u.
• Robotaxiji imaju problem s putnicima na koji se nitko nije sjetio
• Ford i VW zatvaraju jedinicu za autonomne automobile Argo AI
• Nvidijin Drive Concierge napunit će vaš automobil ekranima
• Cruiseovi robot taksiji kreću prema Arizoni i Teksasu