Solid-State Lidar: Kunci Mobil Self-Driving Murah

Pernahkah Anda memperhatikan bagaimana mobil self-driving akhirnya memakai topi yang aneh?

Truk militer self-driving yang paling awal tampak seperti kaleng kopi yang berputar di bagian atasnya. milik Carnegie Mellon Hummer self-driving yang ikonik diatapi oleh bola ping-pong raksasa. Prototipe kecil Waymo yang tersenyum memakai kubah berbentuk sirene yang membuatnya tampak seperti mobil polisi paling menggemaskan di dunia.

Di dalam ketiganya terdapat sekitar selusin laser, yang ditembakkan melalui optik sekelas teleskop, meluncur ratusan kali per menit, untuk menghasilkan 300.000 titik data per detik. Namanya lidar, dan tanpanya mobil-mobil ini akan buta. Itu juga salah satu alasan terbesar Anda tidak memiliki mobil tanpa pengemudi di halaman rumah Anda saat ini. Dengan harga sekitar $75.000, satu lidar bisa dengan mudah berharga lebih mahal daripada mobil yang ditumpanginya. Dan itu hanya salah satu bahan dalam sup self-driving.

Namun teknologi baru bermunculan di mana-mana tahun ini: Solid-state lidar. Tanpa bagian yang bergerak, mobil ini menjanjikan mobil self-driving yang lebih tajam dan penglihatan yang lebih baik, dengan biaya yang jauh lebih murah dibandingkan sistem elektromekanis kuno. Lidar solid-state akan membuka jalan bagi mobil self-driving pertama yang benar-benar mampu Anda beli. Begini cara kerjanya — dan apa yang akan segera terjadi.

Cara kerja lidar

Istilah “lidar” berasal dari gabungan “cahaya” dan “radar”, yang juga merupakan cara mudah untuk memahaminya karena… ya, itu radar, tetapi dengan cahaya.

Penyegaran dari ilmu fisika sekolah menengah: Radar memantulkan gelombang radio dari suatu objek, seperti pesawat, untuk menentukan seberapa jauh jaraknya, berdasarkan berapa lama waktu yang dibutuhkan agar gelombang radio tersebut memantul kembali. Lidar menggunakan pulsa cahaya dari laser untuk melakukan hal yang sama.

Ambil laser secukupnya, putar dalam lingkaran, dan Anda akan mendapatkan “titik awan” tiga dimensi dari dunia di sekitar Anda. Anda mungkin pernah melihat titik-titik berwarna pelangi yang menggambarkan pemandangan kota, pegunungan, dan bahkan nyanyian Thom Yorke, tanpa tubuh milik Radiohead Rumah kartu video musik. Peta 3D 360 derajat itu seperti Batu Rosetta bagi mobil self-driving, yang memungkinkannya menguraikan dunia di sekitarnya.

“Anda memerlukan kombinasi kamera, radar, dan lidar untuk menciptakan sistem self-driving,” jelas Jada Tapley, VP Advanced Engineering di Aptiv. Dia akan tahu. Aptiv membangun mobil Lyft otonom yang mengantarkan peserta berkeliling Las Vegas untuk CES 2018. Kota ini mengalami kemacetan terburuk sepanjang tahun. Dan kondisi seperti musim hujan. Dengan nihil kecelakaan.

Mobil-mobil itu memiliki sembilan lidar, sepuluh radar, dan empat kamera. Kombinasi ketiganya memungkinkannya mengemudi sendiri, tetapi lidar menjalankan fungsi penting yang oleh para insinyur disebut lokalisasi. “Penting bagi kendaraan untuk dapat mengidentifikasi lokasinya di peta dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi,” jelas Tapley. “Kami menggunakan lidar kami untuk melakukan itu.”

Penjelasan tingkat mobil otonom
Organisasi teknik internasional telah menetapkan enam tingkat otomatisasi untuk membicarakan evolusi yang akan kita lihat antara mobil bodoh dan otonomi penuh.

Level 0: Tidak ada otonomi
Ini adalah mobil yang mungkin sudah Anda miliki. Berhenti mengirim pesan! Anda perlu melakukan segalanya.
Tingkat 1: Langsung
Mobil Anda akan membantu Anda dalam beberapa skenario, seperti kontrol jelajah adaptif yang memperlambat Anda di jalan raya ketika mobil di depan Anda melambat.
Tingkat 2: Lepaskan tangan
Mobil Anda dapat mengemudi seperti Anda — dalam kondisi yang tepat, seperti Tesla Autopilot di jalan raya yang terbagi dan ditandai.
Tingkat 3: Tutup mata
Silakan kirim SMS itu; mobil ini tidak akan mogok jika tidak mendapat perhatian Anda. Namun Anda tetap harus memegang kemudi jika keadaan menjadi rumit, seperti dengan Audi Traffic Jam Pilot.
Tingkat 4: Jangan pedulikan
Pergi tidur; mobil Anda terkendali. Namun Anda tetap harus duduk di belakang kemudi untuk berjaga-jaga.
Level 5: Otonomi total
Mobil Anda tidak memiliki setir, karena mobil dapat melaju lebih baik dari yang Anda bisa dalam semua skenario. Duduklah di belakang, manusia lemah.

Sedangkan GPS dapat mempersempit lokasi Anda menjadi lingkaran diameter 16 kaki, lidar dapat melakukannya dalam lingkaran dengan diameter empat inci. Itu lebih baik daripada yang bisa dilakukan banyak pengemudi. Tapley ingat sekelompok jurnalis dengan mata terbelalak meringis ketika mobil otonom Aptiv melaju melewati bus yang diparkir di Las Vegas. Mereka tidak perlu melakukannya - karena mobil tahu ada banyak ruang. “Sebagai manusia, kita sering terintimidasi, terutama oleh kendaraan besar seperti bus atau semi. Jadi kita cenderung menjauhi mereka,” jelasnya. “Tetapi kendaraan otonom tidak perlu melakukan hal itu.”

Meskipun kamera dapat mengidentifikasi objek, dan radar dapat mengetahui seberapa jauh jaraknya, lidar dapat mencapai keduanya dengan tingkat presisi yang tidak dapat disentuh oleh siapa pun. “Bayangkan ada tapak ban roda 18 di tengah jalan,” kata Tapley. “Radar tidak akan mendeteksi itu. Lidar akan melakukannya.”

Itu sebabnya Tesla Model S, yang memiliki kamera dan radar, tetapi tidak memiliki lidar, harus memiliki pengemudi yang siap mengambil alih kemudi kapan saja. Ini dianggap sebagai kendaraan otonom level 2. Hampir semua pakar otonomi mobil — dengan pengecualian besar bagi Elon Musk — percaya bahwa lidar diperlukan untuk mencapai otonomi tingkat 4 “tidur di belakang kemudi” yang sesungguhnya.

Dan itu adalah masalah besar jika Anda atau saya berharap untuk memilikinya. Perak Velodyne HDL-64E Anda lihat di atas banyak mobil uji berharga $75.000. Bahkan model Puck “anggaran” perusahaan berharga $8.000. Dan ini bukanlah bagian yang ingin Anda abaikan. Bayangkan jendela mobil Anda menjadi hitam pada kecepatan 80mph, dan Anda memiliki gambaran yang cukup bagus bagaimana tampilan kehilangan lidar pada komputer di dalam mobil yang dapat mengemudi sendiri.

Seperti semua teknologi, lidar menjadi lebih murah dari waktu ke waktu, namun diperlukan ketelitian dan pemintalan komponen yang besar lidar elektromekanis berarti tidak bisa menjadi lebih murah, lebih kecil, dan lebih baik setiap tahunnya seperti prosesor di ponsel Anda atau komputer melakukannya.

Tapi bagaimana jika… Anda bisa membuat lidar hanya dari silikon? Singkirkan semua bagian yang bergerak, dan masa depan mulai terlihat lebih cerah.

Selamat datang di keadaan padat

Perangkat elektronik solid-state, yang menurut definisinya tidak memiliki benda bergerak, telah mengubah cara kita melakukan segalanya mulai dari mencatat waktu hingga mendengarkan musik. Ingat bagaimana pemutar CD portabel sering dilewati? Itulah yang terjadi jika Anda mengandalkan laser untuk membaca alur mikroskopis pada cakram yang berputar. Tapi Anda bisa menaruhnya telepon pintar dalam pengocok cat dan tetap mendengarkan Kanye, karena musik disimpan dalam chip memori solid-state yang tidak keberatan jika diguncang. Lidar menuju ke arah yang sama.

Seperti pemutar CD portabel, lidar elektromekanis yang berputar tidaklah ideal. “Nomor satu, mereka besar,” kata Tapley. “Nomor dua, harganya mahal. Lidar solid-state memungkinkan kita menjadi lebih kecil, mengemas kendaraan dengan lebih baik, dan mengurangi biaya.”

Bagaimana cara memindahkan cahaya tanpa menggerakkan lensa atau cermin? Bagaimana lidar menjadi padat? Para insinyur telah menemukan beberapa cara yang benar-benar jenius.

Yang pertama disebut kilatan lidar. “Flash pada dasarnya adalah tempat Anda memiliki sumber cahaya dan sumber cahaya tersebut membanjiri seluruh bidang pandang satu kali menggunakan pulsa,” jelas Tapley. “Seorang pencitra waktu penerbangan menerima cahaya itu dan mampu melukiskan gambaran dari apa yang dilihatnya.” Anggap saja sebagai kamera yang melihat jarak, bukan warna.

Namun kesederhanaan itu disertai dengan beberapa hambatan. Untuk melihat jauh, Anda memerlukan semburan cahaya yang kuat, sehingga membuatnya lebih mahal. Dan cahayanya tidak mungkin sangat kuat bahwa itu merusak retina manusia, yang membatasi jangkauan. Salah satu solusinya adalah dengan memancarkan cahaya pada panjang gelombang tertentu yang tidak terlihat dan tidak memengaruhi mata manusia. Sempurna! Sampai Anda menemukan kendala lain: Pencitra silikon murah tidak akan “membaca” semburan cahaya dalam spektrum yang aman untuk mata. Anda memerlukan pencitra galium-arsenida yang mahal, yang dapat meningkatkan biaya sistem ini hingga $200.000.

“Anda harus memiliki sumber cahaya yang sangat kuat, atau penerima yang sangat sensitif, dan jika Anda tidak memiliki hal-hal tersebut maka jangkauan Anda terbatas,” kata Tapley. Ini mungkin cocok untuk pesawat pemerintah yang melakukan survei udara mendetail, tetapi flash lidar mungkin tidak cocok untuk Corolla Anda.

Atur Phaser untuk memindai

Untungnya, ada cara lain. Louay Eldada telah mengatasi masalah ini sejak ia mendapatkan gelar PhD di bidang optoelektronik di awal tahun 90an; dan hari ini dia berlari energi, salah satu pemain terkemuka di lidar solid-state. Eldada dan timnya mengambil pendekatan berbeda dengan melihat cara kerja radar. Bagaimanapun, ia adalah sepupu dekat lidar. Ternyata, radar dulunya berputar seperti lidar, hingga para ilmuwan mengembangkan solusi brilian yang dikenal sebagai array bertahap.

Array bertahap dapat menyiarkan gelombang radio ke segala arah — tanpa berputar-putar — dengan menggunakan array mikroskopis dari masing-masing antena yang disinkronkan dengan cara tertentu. Dengan mengontrol waktu — atau fase — antara setiap antena yang memancarkan sinyalnya, para insinyur dapat “mengarahkan” satu sinyal kohesif ke arah tertentu.

Array bertahap telah digunakan dalam radar sejak tahun 1950an. Namun Eldada dan timnya menemukan cara menggunakan teknik yang sama dengan cahaya. “Kami memiliki elemen antena optik dalam jumlah besar, biasanya jutaan,” jelas Eldada. Berdasarkan hubungan bertahap satu sama lain, mereka membentuk pola radiasi, atau titik, yang memiliki ukuran tertentu dan mengarah ke arah tertentu.

Dengan secara cerdas menentukan waktu kilatan cahaya yang tepat dari satu juta pemancar, Quanergy dapat “mengarahkan” cahaya hanya dengan menggunakan silikon. “Efek interferensi menentukan arah datangnya cahaya, bukan cermin atau lensa yang bergerak,” jelas Eldada.

Itu berarti sarang optik dan motor di dalam ember lidar seharga $75.000 menghilang, dan Anda hanya memiliki chip. Saat ini, Quanergy menggunakan beberapa chip dan menjual paketnya seharga $900, tetapi versi mendatang akan menjadi satu chip. “Pada saat itu, harga jual kami akan berada di bawah $100,” prediksi Eldada.

Solid state tidak hanya lebih murah, tapi juga lebih baik. “Mampu mengubah bentuk lensa secara efektif ke bentuk apa pun yang Anda inginkan memungkinkan Anda memperbesar dan memperkecil,” jelas Eldada. “Jadi bayangkan Anda sedang melihat suatu objek di jalur Anda, dan Anda ingin mendefinisikannya dalam resolusi tinggi. Anda memperkecil ukuran titiknya dan menentukan bahwa itu adalah rusa, itu adalah ban, itu adalah kasur yang jatuh dari truk. Pada saat yang sama, Anda dapat beralih antara melakukan itu dan melihat pemandangan besarnya.” “Pelompatan” ini bisa terjadi berkali-kali kali per detik tanpa pengemudi sadari, karena algoritme mengambil keputusan dan menentukan apa yang layak untuk didekati Lihat.

Perangkat solid-state juga bertahan lebih lama. Lidar elektromekanis dapat bekerja antara 1.000 dan 2.000 jam sebelum rusak. Dengan rata-rata pengeluaran orang Amerika 293 jam di dalam mobil per tahun, kebanyakan dari kita akhirnya mengganti lidar sebelum ban kita. Quanergy mengklaim lidar solid-state-nya akan bertahan selama 100.000 jam — lebih lama dari yang bisa dikendarai kebanyakan mobil.

Cermin cermin di dinding

Flash dan array bertahap optik adalah satu-satunya BENAR lidar solid-state. Namun ada cara baru ketiga untuk melakukan lidar, anak tiri berkepala merah yang dikenal sebagai cermin mikroelektromekanis — atau cermin MEMS.

Seperti yang disarankan oleh “mekanis” dalam “mikroelektromekanis”, ada bagian yang bergerak, sehingga cermin MEMS tidak benar-benar berbentuk padat. Namun ukurannya juga sangat kecil sehingga teknologinya masih mewakili peningkatan dibandingkan lidar elektromekanis skala besar.

“Arsitekturnya sangat sederhana,” jelas Tapley. “Anda memiliki satu laser, satu cermin.” Laser menembak ke dalam cermin yang sangat kecil, yang berputar seperti gasing, memberikan rotasi yang didapat lidar konvensional dari memutar seluruh ember.

Caranya cukup sederhana, sampai Anda ingin menggerakkan laser ke atas dan ke bawah selain berputar-putar. Kemudian Anda perlu “mengalirkannya” dari cermin lain, yang berputar pada sumbu lain. Atau Anda dapat menembakkan beberapa laser pada satu cermin. Apa pun yang terjadi, biaya dan kompleksitas mulai meningkat.

“Memastikan semuanya selaras dengan sempurna menciptakan tantangan,” jelas Tapley. “Jika Anda memiliki laser ini di cermin yang berputar pada kedua sumbunya, terkadang laser tersebut rentan terhadapnya guncangan dan getaran.” Anda tahu, seperti tipe yang mungkin Anda temukan di dalam mobil, terpental di jalan pada kecepatan 70 mph.

Eldada menunjuk ke masalah lain. “Cermin mikro MEM tidak sejajar. Mereka tidak menjaga kalibrasi. Jika terjadi perubahan suhu yang besar, perubahan tersebut perlu dikalibrasi ulang seumur hidup.”

“Jika kaca spion macet, Anda mengalami masalah keamanan mata,” jelasnya. Dan sinar matahari dapat mendatangkan malapetaka tersendiri. “Anda menghadapi masalah besar saat menghadapi matahari,” kata Eldada. “Sinar matahari akan menyinarinya, cahayanya akan dipantulkan di dalam lidar, memenuhi detektor, dan meredam sinyalnya.”

Dengan begitu banyak perbedaan antara ketiga jenis lidar generasi berikutnya, Aptiv melakukan lindung nilai dengan bekerja sama – dan berinvestasi pada – semuanya. “Masing-masing memiliki perbedaan yang berkaitan dengan bidang pandang, jangkauan, dan resolusi,” jelas Tapley. “Bergantung pada posisi lidar pada kendaraan, hal ini akan menentukan mana yang paling penting.”

Lidar yang menghadap ke samping, misalnya, mungkin tidak memerlukan jangkauan seperti lidar yang menghadap ke depan. Dengan memadukan dan mencocokkan berbagai variasi, Aptiv berharap dapat memanfaatkan yang terbaik dari seluruh dunia.

Jadi di mana mobil self-driving saya?

Pada tahun 1999, Jaguar memperkenalkan cruise control berbasis radar pertama di XK, sebuah coupe yang dijual dengan harga sekitar $100.000 dalam dolar saat ini. Pada saat itu, harga sensornya sangat mahal sehingga seperti yang dikatakan Tapley, “Orang-orang bercanda bahwa Anda mendapat Jag gratis untuk setiap pembelian radar.”

Hari ini, Anda bisa mendapatkan fitur yang sama di Corolla seharga $18.000. “Kami berada pada kurva pembelajaran yang sama dengan lidar,” katanya. “Sampai solid state menjadi matang dan memasuki produksi massal, harga kendaraan ini akan sangat mahal bagi rata-rata konsumen.”

Sensor lidar solid-state senilai $900 dari Quanergy membantu mewujudkan hal tersebut. Yang akan datang Emosi Fisker akan menjadi kendaraan pertama yang turun ke jalan dengan sensor tersebut di dalamnya – lima di antaranya – ketika diluncurkan pada tahun 2019. Tidak lebih besar dari baterai untuk bor tanpa kabel, baterai tersebut terkubur di dalam ventilasi, tersembunyi di balik kisi-kisi krom, dan sama sekali tidak terlihat kecuali Anda sedang mencarinya. Jauh dari perputaran ember kemarin.

Eldada yakin kita akan melihat mobil otonom level 4 dari pabrikan Amerika yang terkenal “agresif” pada awal tahun 2020. “2021, 2022, Anda akan melihat lebih banyak lagi. 2023 adalah tahun besarnya. Sebagian besar pembuat mobil akan memiliki mobil tanpa pengemudi.”

Meskipun Fisker akan dibanderol dengan harga $130.000, namun mungkin akan terlihat sangat mirip dengan Jaguar XK tahun 1999: Sebuah pertanda mahal akan teknologi yang akan datang. Pada akhirnya, lidar solid-state berarti bahwa mobil self-driving tidak hanya menjadi robochauffeur bagi orang kaya. “Artinya setiap orang bisa memiliki mobil self-driving,” kata Eldada. “Tidak hanya untuk Mercedes S-Class dan BMW 7 Series. Artinya, orang yang mengendarai Toyota Corolla juga akan memiliki mobil self-driving.”

Dan meskipun perubahan ini terdengar mendasar, mobil mungkin hanyalah permulaan dari lidar solid-state. “Anda akan melihatnya di perangkat, Anda akan melihatnya di perangkat yang dapat dikenakan, di helm petugas pemadam kebakaran dan tentara. Penerapannya hampir tidak terbatas.”

Rekomendasi Editor

• Volkswagen meluncurkan program pengujian mobil self-driving di AS.
• Robotaxis memiliki masalah penumpang yang tidak terpikirkan oleh siapa pun
• Ford dan VW menutup unit mobil otonom Argo AI
• Drive Concierge Nvidia akan memenuhi mobil Anda dengan layar
• Taksi robot Cruise menuju ke Arizona dan Texas