Solid-state Lidar: Az olcsó önvezető autók kulcsa

Észrevetted már, hogy az önvezető autók milyen furcsa kalapot viselnek?

A legkorábbi önvezető katonai teherautók úgy néztek ki, mintha pörgő kávésdobozok voltak a tetejükön. Carnegie Mellon ikonikus önvezető Hummer tetején egy óriási ping-pong labda állt. Waymo mosolygós kis prototípusa sziréna alakú kupolát visel, amitől úgy néz ki, mint a világ legaranyosabb rendőrautója.

Mindhárom belsejében körülbelül egy tucat lézer található, amelyek teleszkóp-minőségű optikán keresztül lövöldöznek percenként több százszor, így másodpercenként 300 000 adatpontot generálnak. Lidarnak hívják, és nélküle ezek az autók mind vakok lennének. Ez egyben az egyik legnagyobb oka annak, hogy jelenleg nincs önvezető autó az úttesten. Körülbelül 75 000 dollárért egyetlen lidar könnyen többe kerülhet, mint az az autó, amelyen utazik. És ez csak az egyik összetevője az önvezető levesnek.

De idén mindenhol felbukkan egy új technológia: a szilárdtest-lidar. Mozgó alkatrészek nélkül azt ígéri, hogy élesebb, jobb látást biztosít az önvezető autóknak, töredékéért a régi, elektromechanikus rendszerek árának. A szilárdtest lidar megnyitja az utat az első önvezető autók előtt, amelyeket ténylegesen megengedhet magának. Íme, hogyan működik – és ami a sarkon túl van.

Hogyan működik a lidar

A „lidar” kifejezés a „fény” és a „radar” összekeveréséből származik, ami szintén praktikus módja annak megértésének, mert… nos, ez radar, de fénnyel.

Felfrissítés a középiskolai fizikából: A radar rádióhullámok impulzusát verte vissza egy objektumról, például egy síkról, hogy meghatározza, milyen messze van az objektumtól, az alapján, hogy mennyi időbe telik, amíg az impulzus visszaverődik. A Lidar egy lézerből származó fényimpulzust használ ugyanerre.

Vegyünk eleget ezekből a lézerekből, forgassuk körbe, és a végén egy háromdimenziós „pontfelhő” lesz a világ körül. Valószínűleg láttad már ezeket a szivárványszínű pontokat, amelyek városképeket, hegyeket és még Thom Yorke éneklő, testetlen fejét is ábrázolják. A Radiohead Kártyavár zene videó. Ez a 360 fokos 3D-s térkép olyan, mint egy Rosetta-kő egy önvezető autó számára, és lehetővé teszi a körülötte lévő világ megfejtését.

„Az önvezető rendszer létrehozásához kamerák, radar és lidar kombinációjára van szükség” – magyarázza Jada Tapley, az Aptiv fejlett mérnöki részlegének alelnöke. Ő tudná. Aptiv építette a autonóm Lyft autók amely Las Vegas-ba szállította a résztvevőket a 2018-as CES-re. A város egész évben a legrosszabb patthelyzetben van. És monszunszerű körülmények. Nulla balesettel.

Azokban az autókban kilenc lidar, tíz radar és négy kamera volt. Mindhárom kombinációja lehetővé teszi, hogy önmagát hajtsa, de a lidar ellátja azt a kulcsfontosságú funkciót, amelyet a mérnökök lokalizációnak neveznek. „Fontos, hogy a jármű nagyon nagy pontossággal tudja azonosítani, hol van a térképen” – magyarázza Tapley. – Ehhez a lidarunkat használjuk.

Az autonóm autószintek magyarázata
A nemzetközi mérnöki szervezetek az automatizálás hat szintjén állapodtak meg, hogy a buta autók és a teljes autonómia közötti fejlődésről beszéljenek.

0. szint: nincs autonómia
Ez az az autó, amely valószínűleg már az Ön tulajdonában van. Hagyd abba az SMS-ezést! Mindent meg kell tenned.
1. szint: kézen fogva
Autója bizonyos esetekben segítséget nyújt Önnek, például az adaptív sebességtartó automatika, amely lelassítja Önt az autópályán, amikor az Ön előtt haladó autó megteszi.
2. szint: El a kezekkel
Autója ugyanúgy vezethet, mint Ön – megfelelő körülmények között, például a Tesla Autopilot megosztott, megjelölt autópályán.
3. szint: le a szemét
Menj előre, és küldd el azt a szöveget; ez az autó nem fog összetörni, ha nem figyel rá. De akkor is meg kell ragadnia a kormányt, ha a dolgok bonyolulttá válnak, például az Audi Traffic Jam Pilot esetében.
4. szint: Figyelem
Menj aludni; az autója ellenőrzés alatt van. De akkor is volán mögé kell ülnie arra az esetre.
5. szint: Teljes autonómia
Autójának nincs kormánya, mert minden helyzetben jobban tud vezetni, mint Ön. Ülj hátulra, gyenge ember.

Míg a GPS egy körre szűkítheti a tartózkodási helyét 16 láb átmérőjű, a lidar egy négy hüvelyk átmérőjű körön belül meg tudja csinálni. Ez jobb, mint amit sok sofőr képes kezelni. Tapley emlékszik, hogy a tágra nyílt szemű újságírók egy csoportja összerándult, amikor az Aptiv autonóm autója elsuhant egy parkoló busz mellett Las Vegasban. Nem volt rá szükségük – mert az autó tudta, hogy bőven van hely. „Emberként megfélemlítünk minket, különösen a nagy, nagy járművektől, mint például a buszok vagy a félig kocsik. Ezért hajlamosak vagyunk eltávolodni tőlük” – magyarázza. "De egy autonóm járműnek erre nincs szüksége."

Míg a kamerák képesek azonosítani az objektumokat, a radar pedig meg tudja mondani, milyen messze vannak, a lidar mindkettőt olyan pontossággal képes elérni, amelyet egyikük sem érinthet. „Képzelje el, hogy van egy 18 kerekű gumiabroncs futófelülete az út közepén” – mondja Tapley. „A radar ezt nem fogja érzékelni. Lidar fogja.”

Éppen ezért a kamerával és radarral, de lidarral nem rendelkező Tesla Model S-nek mindig fel kell készülnie a kormányra. 2-es szintű autonóm járműnek számít. Szinte minden autóautonómiával foglalkozó szakértő – a kirívó kivétel Elon Musk — hisz a lidar szükséges a valódi „alvó a volán mögött” 4. szintű autonómiájának eléréséhez.

És ez óriási probléma, ha te vagy én valaha is reméljük, hogy birtokolunk egyet. Az ezüst Velodyne HDL-64E sok tesztautó tetején 75 000 dollárba kerül. Még a cég „költségvetésű” Puck modellje is 8000 dollárba kerül. És ez nem az a rész, amin érdemes spórolni. Képzelje el, hogy autója ablakai 80 mérföld/órás sebességnél feketére válnak, és elég jó elképzelése van arról, hogyan nézne ki a lidar elvesztése a számítógép számára egy önvezető autóban.

Mint minden technológia, a lidar is olcsóbb lett az idők során, de a szükséges precizitás és a masszív pörgő alkatrészek bekerültek Az elektromechanikus lidar azt jelenti, hogy nem lehet minden évben olcsóbb, kisebb és jobb, mint ahogy a telefon processzora vagy számítógép teszi.

De mi van, ha… csak szilíciumból készíthetne lidart? Vegye le az összes mozgó darabot, és a jövő sokkal fényesebbnek tűnik.

Üdvözöljük a szilárd állapotban

A szilárdtest-elektronika, amely definíció szerint nem tartalmaz mozgó darabokat, megváltoztatta az időkövetéstől a zenehallgatásig mindent. Emlékszel, hogyan ugráltak a hordozható CD-lejátszók? Ez történik, ha egy lézerre hagyatkozik, hogy leolvassa a mikroszkopikus barázdákat egy forgó korongon. De felteheti a sajátját okostelefon festék shakerben, és továbbra is hallgass Kanye-t, mert a zenét szilárdtest-memóriachipek tárolják, amelyek nem bánják, ha felrázzák. Lidar ugyanabba az irányba tart.

A hordozható CD-lejátszókhoz hasonlóan a forgó elektromechanikus lidar sem ideális. „Először is, nagyok” – mondja Tapley. – Második, drágák. A szilárdtest-lidar lehetővé teszi, hogy kisebbek legyünk, jobban csomagoljunk a járművekbe, és csökkentsük a költségeket.”

Hogyan mozgathatod a fényt lencse vagy tükör mozgatása nélkül? Hogyan jut el a lidar szilárd állapotba? A mérnökök egészen zseniális módszereket dolgoztak ki.

Az elsőt úgy hívják vaku lidar. „A vaku alapvetően ott van, ahol van egy fényforrás, és ez a fényforrás egy impulzus segítségével egyszer elárasztja a teljes látómezőt” – magyarázza Tapley. "A repülési idő leképezője megkapja ezt a fényt, és képes lefesteni a látottakat." Tekintsd úgy, mint egy kamerát, amely a színek helyett a távolságot látja.

De ez az egyszerűség néhány buktatóval jár. Ahhoz, hogy nagyon messzire lássunk, erős fénykitörésre van szükség, ami drágábbá teszi. És a fény nem lehet olyan erős hogy károsítja az emberi retinát, ami korlátozza a hatótávolságot. Az egyik megoldás az, hogy egy meghatározott, láthatatlan hullámhosszon fújják ki a fényt, amely nincs hatással az emberi szemre. Tökéletes! Egészen addig, amíg egy újabb fogásba nem ütközik: az olcsó szilícium képalkotó készülékek nem „olvassák” a fényt a szemnek biztonságos spektrumban. Drága gallium-arzenid képalkotókra van szüksége, amelyek akár 200 000 dollárra is növelhetik ezeknek a rendszereknek a költségeit.

„Rendkívül erős fényforrással vagy rendkívül érzékeny vevővel kell rendelkeznie, és ha ezek nincsenek meg, akkor ez a korlátozott hatótávolság” – mondja Tapley. Tökéletes lehet olyan kormányzati repülőgépekhez, amelyek részletes légi felméréseket végeznek, de a flash lidar valószínűleg nem illik a Corolla-hoz.

Állítsa be a fázisokat a szkennelésre

Szerencsére van más mód is. Louay Eldada azóta töri a problémát, hogy a 90-es évek elején optoelektronikából doktorált; és ma fut Quanergy, a szilárdtest-lidar egyik kiemelkedő szereplője. Eldada és csapata más megközelítést vezetett le a radar működésének vizsgálatával. Végül is Lidar közeli rokona. Mint kiderült, a radar ugyanúgy forgott, mint a lidar, egészen addig, amíg a tudósok ki nem dolgoztak egy briliáns megoldást, amelyet fázisos tömb néven ismertek.

Egy fázisú tömb bármilyen irányba sugározhat rádióhullámokat – anélkül, hogy körbe forogna – az egyedi antennák meghatározott módon szinkronizált mikroszkopikus tömbjének felhasználásával. A jelét sugárzó antennák közötti időzítés vagy fázis szabályozásával a mérnökök egy összefüggő jelet „terelhetnek” egy adott irányba.

A szakaszos tömböket az 1950-es évek óta használják a radarokban. De Eldada és csapata rájöttek, hogyan használják ugyanazt a technikát a fénnyel. „Számos, jellemzően egymillió optikai antennaelemünk van” – magyarázza Eldada. „Egymás közötti szakaszos kapcsolatuk alapján sugárzási mintát vagy foltot alkotnak, amelynek van egy bizonyos mérete és egy bizonyos irányba mutat.”

Millió egyedi sugárzó precíz villanásának intelligens időzítésével a Quanergy csak szilícium felhasználásával képes „kormányozni” a fényt. „Az interferenciahatás határozza meg, hogy a fény melyik irányba halad, nem pedig egy mozgó tükör vagy lencse” – magyarázza Eldada.

Ez azt jelenti, hogy a 75 000 dolláros lidar vödörben az optika és a motorok fészke eltűnik, és csak chipek maradnak. Jelenleg a Quanergy több chipet használ, és 900 dollárért árulja a csomagot, de a jövőbeni verziók egyetlen chip lesz. „Akkor az eladási árunk 100 dollár alá fog csökkenni” – jósolja Eldada.

A szilárdtest nem csak olcsóbb, hanem jobb is. „Ha az objektív alakját hatékonyan tetszőleges alakra tudja változtatni, lehetővé teszi a nagyítást és a kicsinyítést” – magyarázza Eldada. „Így képzeld el, hogy egy tárgyat nézel a sávodban, és nagy felbontásban szeretnéd meghatározni, hogy mi az. Csökkenti a folt méretét, és megállapítja, hogy ez egy szarvas, ez egy gumiabroncs, egy matrac, amely leesett egy teherautóról. Ugyanakkor ugrálhatsz aközött, hogy megteszed, és megnézed a nagy jelenetet." Ez az „ugrás” többször is előfordulhat másodpercenként, anélkül, hogy a sofőr tudná, mivel egy algoritmus lehívja a felvételeket, és meghatározza, mit érdemel közelebbről néz.

A szilárdtest-eszközök is tovább tartanak. Az elektromechanikus lidar 1000 és 2000 óra között üzemelhet, mielőtt meghibásodik. Az átlagos amerikai kiadásokkal 293 óra autóval évente, a legtöbben a lidarunkat a gumik előtt cserélnénk le. A Quanergy azt állítja, hogy szilárdtest lidarja 100 000 órát fog működni – többet, mint amennyit a legtöbb autó valaha is vezet.

Tükör tükör a falon

A flash és az optikai fázisú tömbök valóban az egyetlenek igaz szilárdtest lidar. De van egy harmadik új módja a lidar elkészítésének, a vörös hajú mostohagyerek, amelyet mikroelektromechanikus tükrökként ismernek – vagy MEMS tükrökként.

Ahogy a „mechanikus” a „mikroelektromechanikában” is sugallja, vannak mozgó alkatrészek, így a MEMS tükrök nem igazán szilárdtestek. De olyan aprók is, hogy a technológia még mindig előrelépést jelent a nagyméretű elektromechanikus lidarokhoz képest.

„Az építészet nagyon egyszerű” – magyarázza Tapley. – Van egy lézered, egy tükröd. A lézer belelő a nagyon apró tükörbe, amely úgy forog, mint egy teteje, és biztosítja azt a forgást, amelyet a hagyományos lidar egy egész vödör megpörgetése során ér el.

Ez elég egyszerű, egészen addig, amíg a lézert fel és le nem akarja mozgatni amellett, hogy körben forog. Ezután le kell „kaszkádolni” egy másik tükörről, amely egy másik tengelyen forog. Vagy lőhet több lézert egy tükörre. Akárhogy is, a költségek és a bonyolultság kezd növekedni.

„Az, hogy minden tökéletesen igazodjon, kihívásokat jelent” – magyarázza Tapley. "Ha ez a lézer egy tükörben van, amely mindkét tengelyen forog, néha érzékeny lehet ütések és rezgések.” Tudod, mint az a típus, amelyet egy autóban találhatsz, és 70-nél ugrál az úton mph.

Eldada más problémákra mutat rá. „A mikro-MEM-ek tükrei kicsúsznak az igazodásból. Nem tartják fenn a kalibrálást. Ha nagy hőmérséklet-változások következnek be, ezeket az élettartam során újra kell kalibrálni.”

„Ha a tükrök beszorulnak, akkor szembiztonsági probléma van” – mutat rá. A napfény pedig saját pusztítást végezhet. „Nagy problémáid vannak, ha a nappal szembe nézel” – mondja Eldada. "A napfény eltalálja, a fény visszaverődik a lidar belsejében, telíti a detektorokat, és elnyomja a jelet."

Mivel rengeteg különbség van a következő generációs lidar mindhárom típusa között, az Aptiv úgy fedezi a fogadásait, hogy mindegyikkel dolgozik – és befektet – mindegyikbe. „Mindegyiknek más és más kompromisszuma van a látómező, a hatótávolság és a felbontás tekintetében” – magyarázza Tapley. „Attól függően, hogy a lidar hol van elhelyezve a járművön, ez határozza meg, hogy ezek közül melyiknek kell a legfontosabbnak lennie.”

Előfordulhat, hogy az oldalra néző lidarnak például nincs szüksége arra a tartományra, mint az elülső lidarnak. A különböző fajták keverésével és párosításával az Aptiv a világ legjobbjait kívánja kihasználni.

Szóval hol van az önvezető autóm?

1999-ben a Jaguar bemutatta az első radaralapú sebességtartó automatikát az XK-ban, egy kupéban, amelyet mai dollárban számolva körülbelül 100 000 dollárért adtak el. Abban az időben az érzékelők olyan drágák voltak, hogy ahogy Tapley meséli: „Az emberek azzal vicceltek, hogy minden radarvásárláshoz kapsz egy ingyenes Jaget.”

Ma ugyanezt a funkciót egy 18 000 dolláros Corollában is megkaphatja. “Valahogy ugyanazon a tanulási görbén járunk a lidarral” – mondja. „Amíg a szilárd halmazállapotú állapot kifejlődik és tömeggyártásba nem kerül, ezek a járművek meglehetősen drágák lesznek egy átlagos fogyasztó számára.”

A Quanergy 900 dolláros szilárdtest-lidar érzékelője segít ebben. A közelgő Fisker EMotion 2019-ben ez lesz az első olyan jármű, amely ezekkel az érzékelőkkel – köztük öttel – az utcára kerül. Nem nagyobbak, mint egy akkus fúró-csavarozó akkumulátorcsomagja, szellőzőnyílásokba vannak temetve, krómrácsok mögé rejtve, és teljesen láthatatlanok, hacsak nem keresed őket. Messze a tegnapi forgó vödröktől.

Az Eldada úgy véli, hogy egy köztudottan „agresszív” amerikai gyártó 4. szintű autonóm autóit már 2020-ban láthatjuk. „2021-ben, 2022-ben még sok mást fog látni. 2023 a nagy év. A legtöbb autógyártónak lesz önvezető autója.”

Míg a Fisker ára 130 000 dollár lesz, a végén nagyon úgy nézhet ki, mint az 1999-es Jaguar XK: a jövő technológia drága hírnöke. Végső soron a szilárdtest lidar azt jelenti, hogy az önvezető autók nem csak a gazdagok robotsofőrei lesznek. „Ez azt jelenti, hogy mindenkinek lehet önvezető autója” – mondja Eldada. „Nem csak a Mercedes S-osztályra és a BMW 7-es sorozatra vonatkozik. Ez azt jelenti, hogy a Toyota Corollat ​​vezetőknek is lesz önvezető autójuk.”

És bármilyen alapvetőnek is hangzik ez a váltás, az autók csak a kezdetek lehetnek a szilárdtest-lidar számára. „Látni fogod a készülékekben, látni fogod a hordható eszközökben, a tűzoltók és katonák sisakjában. Az alkalmazások szinte korlátlanok.”

Szerkesztői ajánlások

• A Volkswagen saját önvezető autók tesztelési programját indítja el az Egyesült Államokban.
• A Robotaxisnak olyan utasproblémája van, amelyre senki sem gondolt
• A Ford és a VW bezárja az Argo AI autonóm autóegységet
• Az Nvidia Drive Concierge-je képernyőkkel tölti meg autóját
• A Cruise robottaxii Arizonába és Texasba tartanak