Lidar a stato solido: la chiave per auto a guida autonoma economiche

Hai mai notato come le auto a guida autonoma finiscano per indossare degli strani cappelli?

Sembrava che i primi camion militari a guida autonoma avessero delle lattine di caffè rotanti sul tetto. Carnegie Mellon iconico Hummer a guida autonoma era sormontato da una gigantesca pallina da ping-pong. Il piccolo prototipo sorridente di Waymo indossa una cupola a forma di sirena che lo fa sembrare l'auto della polizia più adorabile del mondo.

All'interno di tutti e tre ci sono circa una dozzina di laser, che sparano attraverso l'ottica di un telescopio, lanciandosi in giro centinaia di volte al minuto, per generare 300.000 punti dati al secondo. Si chiama lidar e senza di esso queste auto sarebbero tutte cieche. È anche uno dei motivi principali per cui non hai un’auto a guida autonoma nel tuo vialetto in questo momento. A circa 75.000 dollari, un singolo lidar può facilmente costare più dell’auto su cui viaggia. E questo è solo un ingrediente nella zuppa della guida autonoma.

Ma quest’anno sta spuntando ovunque una nuova tecnologia: il lidar a stato solido. Senza parti mobili, promette di dare alle auto a guida autonoma una visione migliore e più nitida, a una frazione del costo dei sistemi elettromeccanici della vecchia scuola. Il lidar a stato solido aprirà la strada alle prime auto a guida autonoma che potrai effettivamente permetterti. Ecco come funziona e cosa c'è dietro l'angolo.

Come funziona il lidar

Il termine “lidar” deriva dall’unione di “luce” e “radar”, il che costituisce anche un modo pratico per comprenderlo perché… beh, è ​​​​radar, ma con la luce.

Un ripasso dalla fisica delle scuole superiori: il radar fa rimbalzare un impulso di onde radio su un oggetto, come un aereo, per determinare quanto è lontano, in base al tempo impiegato dall'impulso per rimbalzare. Lidar utilizza un impulso di luce proveniente da un laser per fare la stessa cosa.

Prendi un numero sufficiente di quei laser, girali in cerchio e ti ritroverai con una "nuvola di punti" tridimensionale del mondo intorno a te. Probabilmente hai visto questi punti color arcobaleno raffiguranti paesaggi urbani, montagne e persino la testa disincarnata e cantante di Thom Yorke in Quello dei Radiohead Castello di carte video musicale. Quella mappa 3D a 360 gradi è come una Stele di Rosetta per un'auto a guida autonoma, permettendole di decifrare il mondo che la circonda.

“È necessaria una combinazione di telecamere, radar e lidar per creare un sistema di guida autonoma”, spiega Jada Tapley, vicepresidente di Advanced Engineering presso Aptiv. Lei lo saprebbe. Aptiv ha creato il auto Lyft autonome che ha trasportato i partecipanti in giro per Las Vegas per il CES 2018. Nel peggiore ingorgo che la città vede tutto l'anno. E condizioni simili ai monsoni. Con zero incidenti.

Quelle auto avevano nove lidar, dieci radar e quattro telecamere. Una combinazione di tutti e tre gli consente di guidarsi da solo, ma il lidar svolge la funzione cruciale che gli ingegneri chiamano localizzazione. “È importante che il veicolo sia in grado di identificare con un altissimo grado di precisione la sua posizione sulla mappa”, spiega Tapley. "Utilizziamo il nostro lidar per farlo."

Spiegazione dei livelli delle auto autonome
Le organizzazioni internazionali di ingegneria hanno stabilito sei livelli di automazione per parlare dell’evoluzione che vedremo tra le auto stupide e la completa autonomia.

Livello 0: Nessuna autonomia
Questa è l'auto che probabilmente già possiedi. Smettila di mandare messaggi! Devi fare tutto.
Livello 1: pratico
La tua auto ti aiuterà in alcuni scenari, come il controllo automatico della velocità adattivo che ti rallenta in autostrada quando lo fa l'auto davanti a te.
Livello 2: Giù le mani
La tua auto può guidare proprio come fai tu, nelle giuste circostanze, come il pilota automatico Tesla su un'autostrada divisa e segnalata.
Livello 3: Occhi spenti
Vai avanti e invia quel messaggio; questa macchina non si schianterà se non ha la tua attenzione. Ma dovrai comunque tenere il volante se le cose si complicano, come con Audi Traffic Jam Pilot.
Livello 4: Mente fuori
Vai a dormire; la tua auto è sotto controllo. Ma devi comunque sederti al volante, per ogni evenienza.
Livello 5: Autonomia totale
La tua auto non ha il volante, perché può guidare meglio di te in tutti gli scenari. Vai a sederti dietro, debole umano.

Mentre il GPS può restringere la tua posizione a un cerchio 16 piedi di diametro, il lidar può farlo all'interno di un cerchio di quattro pollici di diametro. È meglio di quanto molti conducenti possano gestire. Tapley ricorda un gruppo di giornalisti con gli occhi spalancati che sussultarono quando l’auto autonoma di Aptiv sorpassò un autobus parcheggiato a Las Vegas. Non ne avevano bisogno, perché l’auto sapeva che c’era molto spazio. “Come esseri umani veniamo intimiditi, soprattutto da veicoli grandi, grandi come autobus o semirimorchi. Quindi tendiamo ad allontanarci da loro”, spiega. “Ma un veicolo autonomo non ha bisogno di farlo”.

Mentre le telecamere possono identificare gli oggetti e il radar può dire quanto sono lontani, il lidar può ottenere entrambi con un grado di precisione che nessuno dei due può toccare. "Immagina che ci sia il battistrada di un pneumatico da 18 ruote in mezzo alla strada", dice Tapley. “Il radar non lo rileverà. Lidar lo farà.

Ecco perché una Tesla Model S, dotata sia di telecamere che di radar, ma senza Lidar, deve avere un guidatore pronto a mettersi al volante in qualsiasi momento. È considerato un veicolo autonomo di livello 2. Quasi tutti gli esperti di autonomia automobilistica - con il clamorosa eccezione di Elon Musk - credono che il lidar sia necessario per raggiungere una vera autonomia di livello 4 del "sonno al volante".

E questo è un problema enorme se tu o io mai spereremo di possederne uno. L'argento Velodyne HDL-64E vedi in cima a molte auto di prova costa $ 75.000. Anche il modello Puck “economico” dell’azienda costa $ 8.000. E questa non è una parte su cui puoi lesinare. Immagina che i finestrini della tua auto diventino neri a 80 miglia all'ora e hai una buona idea di come apparirebbe la perdita di lidar al computer in un'auto a guida autonoma.

Come tutta la tecnologia, il lidar è diventato più economico nel tempo, ma la precisione richiesta e le massicce parti rotanti sono necessarie il lidar elettromeccanico significa che non può diventare più economico, più piccolo e migliore ogni anno allo stesso modo del processore del tuo telefono o il computer lo fa.

Ma cosa succederebbe se... potessi produrre il lidar solo dal silicio? Togli tutti i pezzi in movimento e il futuro inizierà a sembrare molto più luminoso.

Benvenuti allo stato solido

L’elettronica a stato solido, che per definizione non ha parti in movimento, ha cambiato il modo in cui facciamo qualsiasi cosa, dal tenere traccia del tempo all’ascoltare la musica. Ricordi come saltavano i lettori CD portatili? Questo è ciò che accade quando ti affidi a un laser per leggere i solchi microscopici in un disco rotante. Ma puoi mettere il tuo smartphone in uno shaker e ascolta ancora Kanye, perché la musica è archiviata su chip di memoria a stato solido a cui non importa se vengono scossi. Lidar si sta muovendo nella stessa direzione.

Come i lettori CD portatili, il lidar elettromeccanico rotante non è l'ideale. "Numero uno: sono grandi", afferma Tapley. “Numero due, sono costosi. Il lidar a stato solido ci consente di diventare più piccoli, di imballare meglio i veicoli e di ridurre i costi”.

Come si fa a spostare la luce senza spostare una lente o uno specchio? Come fa il lidar a raggiungere lo stato solido? Gli ingegneri hanno ideato alcuni modi decisamente geniali.

Il primo si chiama veloce lidar. "Il flash è fondamentalmente dove hai una fonte di luce e quella fonte di luce inonda l'intero campo visivo una volta utilizzando un impulso", spiega Tapley. "Un imager del tempo di volo riceve quella luce ed è in grado di dipingere l'immagine di ciò che vede." Considerala come una fotocamera che vede la distanza anziché il colore.

Ma questa semplicità comporta alcuni intoppi. Per vedere molto lontano, è necessaria una potente esplosione di luce, che lo rende più costoso. E la luce non può essere così potente che danneggia la retina umana, il che limita la portata. Una soluzione alternativa è quella di far esplodere la luce a una lunghezza d’onda specifica e invisibile che non influisce sugli occhi umani. Perfetto! Fino a quando non ti imbatti in un altro problema: gli imager economici al silicio non “leggeranno” le esplosioni di luce nello spettro sicuro per gli occhi. Sono necessari costosi imager all’arseniuro di gallio, che possono aumentare il costo di questi sistemi fino a $ 200.000.

"Devi avere una sorgente luminosa estremamente potente o un ricevitore estremamente sensibile, e se non disponi di queste cose allora hai una portata limitata", afferma Tapley. Potrebbe essere perfetto per gli aerei governativi che effettuano rilievi aerei dettagliati, ma il flash lidar probabilmente non è adatto alla tua Corolla.

Imposta i Phaser per la scansione

Fortunatamente, c’è un altro modo. Louay Eldada ha affrontato il problema da quando ha conseguito il dottorato in optoelettronica all'inizio degli anni '90; e oggi corre Quanergia, uno dei principali attori nel lidar a stato solido. Eldada e il suo team hanno adottato un approccio diverso osservando il funzionamento del radar. Dopotutto, è un cugino stretto di lidar. A quanto pare, il radar ruotava proprio come il lidar, finché gli scienziati non hanno sviluppato una soluzione brillante nota come array a fasi.

Un array a fasi può trasmettere onde radio in qualsiasi direzione – senza girare in tondo – utilizzando una serie microscopica di singole antenne sincronizzate in un modo specifico. Controllando la temporizzazione – o fase – tra ciascuna antenna che trasmette il proprio segnale, gli ingegneri possono “orientare” un segnale coeso in una direzione specifica.

Gli array a fasi sono utilizzati nei radar dagli anni '50. Ma Eldada e il suo team hanno capito come utilizzare la stessa tecnica con la luce. "Abbiamo un gran numero, in genere un milione, di elementi di antenne ottiche", spiega Eldada. "In base alla loro relazione graduale tra loro, formano uno schema di radiazione, o punto, che ha una certa dimensione ed è puntato in una certa direzione."

Temporizzando in modo intelligente il lampo preciso di un milione di emettitori individuali, Quanergy può “orientare” la luce utilizzando solo il silicio. "L'effetto di interferenza determina in quale direzione va la luce, non uno specchio o una lente in movimento", spiega Eldada.

Ciò significa che il nido di ottiche e motori all’interno di un secchio lidar da $ 75.000 scompare e ti rimangono solo chip. Al momento, Quanergy utilizza diversi chip e vende il pacchetto per 900 dollari, ma le versioni future diventeranno un unico chip. “A quel punto, il nostro prezzo di vendita scenderà sotto i 100 dollari”, prevede Eldada.

Lo stato solido non è solo più economico, è migliore. "Essere in grado di modificare in modo efficace la forma dell'obiettivo in qualsiasi forma desiderata ti consente di ingrandire e rimpicciolire", spiega Eldada. “Quindi immagina di guardare un oggetto nella tua corsia e di voler definire in alta risoluzione di cosa si tratta. Riduci la dimensione dello spot e determini che è un cervo, è uno pneumatico, è un materasso caduto da un camion. Allo stesso tempo, puoi passare dal farlo al guardare la scena più grande. Questo “salto” potrebbe verificarsi in molteplici modi volte al secondo senza che il conducente se ne accorga, mentre un algoritmo prende le decisioni e determina ciò che merita un approccio più ravvicinato Aspetto.

Anche i dispositivi a stato solido durano più a lungo. Il lidar elettromeccanico può funzionare da 1.000 a 2.000 ore prima di guastarsi. Con la spesa media americana 293 ore in macchina all'anno, la maggior parte di noi finirebbe per sostituire il nostro lidar prima dei nostri pneumatici. Quanergy afferma che il suo lidar a stato solido funzionerà per 100.000 ore, più di quanto la maggior parte delle auto potrà mai guidare.

Specchio specchio, sul muro

Flash e array di fasi ottici sono davvero gli unici VERO lidar allo stato solido. Ma c’è un terzo nuovo modo di realizzare il lidar, il figliastro dai capelli rossi noto come specchi microelettromeccanici – o specchi MEMS.

Come suggerisce la parola “meccanico” in “microelettromeccanico”, ci sono parti mobili, quindi gli specchi MEMS non sono veramente a stato solido. Ma sono anche così piccoli che la tecnologia rappresenta ancora un miglioramento rispetto ai lidar elettromeccanici su larga scala.

"L'architettura è molto semplice", spiega Tapley. "Hai un laser, uno specchio." Il laser spara nel minuscolo specchio, che gira come una trottola, fornendo la rotazione che il lidar convenzionale ottiene facendo girare un intero secchio.

È abbastanza semplice, finché non vuoi spostare il laser su e giù oltre a girare in tondo. Quindi è necessario "cascata" da un altro specchio, che gira su un altro asse. Oppure puoi sparare a più laser su uno specchio. In ogni caso, i costi e la complessità iniziano ad aumentare.

"Assicurarsi che tutto sia perfettamente allineato crea sfide", spiega Tapley. "Se hai questo laser in uno specchio che ruota su entrambi gli assi, a volte può essere suscettibile a urti e vibrazioni”. Sai, come il tipo che potresti trovare in una macchina, che rimbalza lungo la strada a 70 anni mph.

Eldada sottolinea altre questioni. “Gli specchi dei Micro MEM si spostano fuori allineamento. Non mantengono la calibrazione. Quando si verificano grandi cambiamenti di temperatura, devono essere ricalibrati nel corso della loro durata”.

"Se gli specchietti si incastrano, hai un problema di sicurezza per gli occhi", sottolinea. E la luce del sole può provocare il caos. "Hai grossi problemi quando sei di fronte al sole", dice Eldada. "La luce del sole lo colpirà, la luce verrà riflessa all'interno del lidar, saturerà i rilevatori e soffocherà il segnale."

Con così tante differenze tra tutti e tre i tipi di lidar di prossima generazione, Aptiv sta proteggendo le sue scommesse lavorando con tutti loro e investendo in essi. "Ciascuno presenta compromessi diversi in termini di campo visivo, portata e risoluzione", spiega Tapley. "A seconda di dove è posizionato il lidar sul veicolo, ciò determinerà quale di questi deve essere il più importante."

Il lidar rivolto lateralmente, ad esempio, potrebbe non aver bisogno della portata del lidar rivolto frontalmente. Mescolando e abbinando le varietà, Aptiv spera di sfruttare il meglio di tutti i mondi.

Allora dov’è la mia macchina a guida autonoma?

Nel 1999, Jaguar introdusse il primo sistema di controllo automatico della velocità basato su radar nella XK, una coupé venduta per circa 100.000 dollari odierni. All'epoca, i sensori erano così costosi che, come racconta Tapley, "la gente scherzava dicendo che con ogni acquisto di radar si riceveva una Jag gratuita".

Oggi puoi ottenere la stessa funzionalità in una Corolla da $ 18.000. “Siamo più o meno sulla stessa curva di apprendimento con lidar", afferma. “Fino a quando lo stato solido non diventerà maturo ed entrerà nella produzione di massa, questi veicoli avranno costi piuttosto proibitivi per il consumatore medio”.

Il sensore lidar a stato solido di Quanergy da $ 900 sta contribuendo a realizzare ciò. L'imminente Fisker EMotion sarà il primo veicolo a circolare per le strade con questi sensori all'interno - cinque - quando arriverà nel 2019. Non più grandi della batteria di un trapano a batteria, sono sepolti nelle prese d'aria, nascosti dietro griglie cromate e totalmente invisibili a meno che tu non li cerchi. Molto lontano dai secchi rotanti di ieri.

Eldada ritiene che vedremo auto autonome di livello 4 di un produttore americano notoriamente “aggressivo” già nel 2020. “Nel 2021, nel 2022 ne vedrete molti altri. Il 2023 è il grande anno. La maggior parte delle case automobilistiche avrà auto a guida autonoma”.

Anche se la Fisker avrà un prezzo di $ 130.000, potrebbe finire per assomigliare molto alla Jaguar XK del 1999: un costoso precursore della tecnologia a venire. In definitiva, il lidar a stato solido significa che le auto a guida autonoma non saranno solo autisti robot per i ricchi. “Significa che tutti possono avere un’auto a guida autonoma”, afferma Eldada. “Non è solo per la Mercedes Classe S e la BMW Serie 7. Ciò significa che anche chi guida una Toyota Corolla avrà auto a guida autonoma”.

E per quanto fondamentale possa sembrare questo cambiamento, le automobili potrebbero essere solo l’inizio per il lidar a stato solido. “Lo vedrai nei dispositivi, lo vedrai nei dispositivi indossabili, negli elmetti dei vigili del fuoco e dei soldati. Le applicazioni sono quasi illimitate.”

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