Lidar במצב מוצק: המפתח למכוניות זולות בנהיגה עצמית

שמתם לב פעם איך מכוניות בנהיגה עצמית עוטות בסופו של דבר כמה כובעים מוזרים?

המשאיות הצבאיות הקדומות ביותר לנהיגה עצמית נראו כאילו היו להן פחיות קפה מסתובבות למעלה. של קרנגי מלון האמר איקוני לנהיגה עצמית מעליו כדור פינג פונג ענק. אב הטיפוס הסמיילי הקטן של Waymo חובש כיפה בצורת סירנה שגורמת לו להיראות כמו מכונית המשטרה המקסימה ביותר בעולם.

בתוך כל השלושה יש כתריסר לייזרים, היורים דרך אופטיקה בדרגת טלסקופ, מתנדנדים סביב מאות פעמים בדקה, כדי ליצור 300,000 נקודות נתונים בשנייה. זה נקרא לידר, ובלעדיו, המכוניות האלה היו כולן עיוורות. זו גם אחת הסיבות הגדולות ביותר שאין לך מכונית לנהיגה עצמית בחניה שלך כרגע. בסביבות $75,000, לידר בודד יכול בקלות לעלות יותר מהמכונית עליה הוא נוסע. וזה רק מרכיב אחד במרק לנהיגה עצמית.

אבל טכנולוגיה חדשה צצה בכל מקום השנה: לידאר במצב מוצק. ללא חלקים נעים, היא מבטיחה להעניק למכוניות בנהיגה עצמית ראייה חדה וטובה יותר, במחיר שבריר מהעלות של מערכות אלקטרו-מכניות של פעם. Lidar במצב מוצק יסלול את הדרך למכוניות הראשונות לנהיגה עצמית שאתה באמת יכול להרשות לעצמך. הנה איך זה עובד - ומה שנמצא ממש מעבר לפינה.

איך לידר עובד

המונח "לידר" בא מהתערבות של "אור" ו"רדאר", מה שגם מהווה דרך שימושית להבין את זה כי... ובכן, זה מכ"ם, אבל עם אור.

רענון מפיזיקה בתיכון: מכ"ם מקפיץ דופק של גלי רדיו מאובייקט, כמו מטוס, כדי לקבוע כמה רחוק הוא נמצא, על סמך כמה זמן לוקח לדופק לחזור. Lidar משתמש בפולס של אור מלייזר כדי לעשות את אותו הדבר.

קח מספיק מהלייזרים האלה, סובב אותם במעגל, ובסופו של דבר אתה מקבל "ענן נקודות" תלת מימדי של העולם סביבך. בטח ראיתם את הנקודות בצבעי הקשת בענן המתארות נופים עירוניים, הרים, ואפילו את שרתו של תום יורק, חסר הגוף. של רדיוהד בית קלפים קליפ. המפה התלת-ממדית הזו של 360 מעלות היא כמו אבן רוזטה למכונית בנהיגה עצמית, ומאפשרת לה לפענח את העולם הסובב אותה.

"צריך שילוב של מצלמות, מכ"ם ולידאר כדי ליצור מערכת לנהיגה עצמית", מסבירה ג'דה טפלי, סמנכ"לית הנדסה מתקדמת ב- Aptiv. היא תדע. Aptiv בנה את מכוניות Lyft אוטונומיות שהעביר את המשתתפים ברחבי לאס וגאס ל-CES 2018. במצב הקשה הכי גרוע שהעיר רואה כל השנה. ותנאים כמו מונסון. עם אפס תאונות.

למכוניות האלה היו תשעה לידאר, עשרה מכ"ם וארבע מצלמות. שילוב של כל השלושה מאפשר לו להניע את עצמו, אבל Lidar מבצע את הפונקציה החשובה שהמהנדסים קוראים לוקליזציה. "חשוב שהרכב יוכל לזהות ברמת דיוק גבוהה מאוד היכן שהוא נמצא על המפה", מסביר טפלי. "אנחנו משתמשים בלידר שלנו כדי לעשות את זה."

מוסבר רמות מכוניות אוטונומיות
ארגוני הנדסה בינלאומיים התייצבו בשש רמות של אוטומציה כדי לדבר על האבולוציה שנראה בין מכוניות מטומטמות לאוטונומיה מוחלטת.

רמה 0: אין אוטונומיה
זה המכונית שכבר יש לך כנראה. תפסיק לשלוח הודעות טקסט! אתה צריך לעשות הכל.
רמה 1: ידיים
המכונית שלך תעזור לך בתרחישים מסוימים, כמו בקרת שיוט אדפטיבית שמאטה אותך בכביש המהיר כאשר המכונית שלפניך עושה זאת.
רמה 2: כריתת ידיים
המכונית שלך יכולה לנהוג בדיוק כמוך - בדיוק בנסיבות הנכונות, כמו טייס אוטומטי של טסלה על כביש מהיר מחולק ומסומן.
רמה 3: עיניים כבויות
קדימה ושלח את הטקסט הזה; המכונית הזו לא תתקלקל אם לא תהיה לה את תשומת הלב שלך. אבל עדיין תצטרך לתפוס את ההגה אם הדברים מסתבכים, כמו עם Audi Traffic Jam Pilot.
רמה 4: שים לב
לך לישון; המכונית שלך בשליטה. אבל אתה עדיין צריך לשבת מאחורי גלגל למקרה.
רמה 5: אוטונומיה מוחלטת
לרכב שלך אין הגה, כי הוא יכול לנהוג טוב יותר ממך בכל התרחישים. לך שב מאחור, בן אדם חלש.

בעוד ש-GPS יכול לצמצם את המיקום שלך למעגל בערך קוטר 16 רגל, לידר יכול לעשות את זה בתוך מעגל בקוטר של ארבעה סנטימטרים. זה יותר טוב ממה שהרבה נהגים יכולים לנהל. טפלי זוכר קבוצה אחת של עיתונאים פעורי עיניים מתכווצות כשהמכונית האוטונומית של אפטיב חלפה על פני אוטובוס חונה בלאס וגאס. הם לא היו צריכים - כי המכונית ידעה שיש הרבה מקום. "כבני אדם אנחנו נבהלים, במיוחד מכלי רכב גדולים וגדולים כמו אוטובוסים או חצי רכב. אז אנחנו נוטים קצת להתרחק מהם", היא מסבירה. "אבל רכב אוטונומי לא צריך לעשות את זה."

בעוד שמצלמות יכולות לזהות אובייקטים, והרדאר יכול לדעת כמה רחוק הם נמצאים, לידאר יכול להשיג את שניהם במידה של דיוק וגם לא יכול לגעת. "תאר לעצמך שיש משטח צמיג 18 גלגלים באמצע הדרך", אומר טפלי. "רדאר לא יזהה את זה. לידר ירצה”.

זו הסיבה שלטסלה דגם S, שיש לה גם מצלמות וגם מכ"ם, אבל ללא לידאר, חייב להיות נהג מוכן לקחת את ההגה בכל עת. זה נחשב לרכב אוטונומי ברמה 2. כמעט כל המומחים לאוטונומיה לרכב - עם ה חריג בולט של אילון מאסק - מאמינים שלידאר נחוץ כדי להשיג אוטונומיה אמיתית של "שינה מאחורי ההגה" ברמה 4.

וזו בעיה אדירה אם אתה או אני מקווים אי פעם להחזיק באחד. הכסף Velodyne HDL-64E אתה רואה על גבי מכוניות מבחן רבות עולות 75,000 דולר. אפילו דגם ה-Puck "התקציב" של החברה עומד על 8,000 דולר. וזה לא חלק שאתה יכול לרצות לחסוך בו. דמיינו לעצמכם את חלונות המכונית שלכם שחורים במהירות של 80 קמ"ש, ויש לכם מושג די טוב איך אובדן לידר ייראה למחשב במכונית נוסעת עצמית.

כמו כל טכנולוגיה, לידר הפכה לזולה יותר עם הזמן, אבל הדיוק הנדרש וחלקים מסיביים מסתובבים פנימה לידר אלקטרומכני אומר שהוא לא יכול להפוך לזול יותר, קטן יותר וטוב יותר מדי שנה באותו אופן שבו המעבד בטלפון שלך או המחשב עושה זאת.

אבל מה אם... אתה יכול לעשות לידר מסיליקון בלבד? קח את כל החלקים הנעים, והעתיד מתחיל להיראות הרבה יותר זוהר.

ברוכים הבאים למצב המוצק

אלקטרוניקה במצב מוצק, שבהגדרה אין לה חלקים נעים, שינתה את הדרך בה אנו עושים הכל, החל ממעקב אחר זמן ועד להאזנה למוזיקה. זוכרים איך נהגו לדלג על נגני תקליטורים ניידים? זה מה שקורה כאשר אתה מסתמך על לייזר כדי לקרוא חריצים מיקרוסקופיים בדיסק מסתובב. אבל אתה יכול לשים את שלך סמארטפון בשייקר צבע ועדיין להאזין לקניה, כי המוזיקה מאוחסנת על שבבי זיכרון מוצק שלא אכפת להם להתנער. לידר פונה לאותו כיוון.

כמו נגני תקליטורים ניידים, מסתובב לידר אלקטרומכני אינו אידיאלי. "מספר אחד, הם גדולים", אומר טפלי. "מספר שתיים, הם יקרים. לידאר מצב מוצק מאפשר לנו להצטמצם, לארוז טוב יותר ברכבים ולהפחית עלויות".

איך מעבירים אור מבלי להזיז עדשה או מראה? איך לידאר מגיע למצב מוצק? מהנדסים המציאו כמה דרכים גאוניות לחלוטין.

הראשון נקרא הֶבזֵק לידאר. "פלאש הוא בעצם המקום שבו יש לך מקור אור ומקור האור הזה מציף את כל שדה הראייה פעם אחת באמצעות דופק", מסביר טפלי. "מצלמת זמן טיסה מקבלת את האור הזה ומסוגלת לצייר את התמונה של מה שהוא רואה." תחשוב על זה כעל מצלמה שרואה מרחק במקום צבע.

אבל הפשטות הזו מגיעה עם כמה תקלות. כדי לראות רחוק מאוד, אתה צריך פרץ אור חזק, מה שמייקר אותו. והאור לא יכול להיות כל כך חזק שזה פוגע ברשתית האדם, מה שמגביל את הטווח. דרך אחת לעקיפת הבעיה היא להפיץ אור באורך גל מסוים, בלתי נראה, שאינו משפיע על עיניים אנושיות. מושלם! עד שתתקלו בעוד מלכוד: צילומי סיליקון לא יקרים לא "יקראו" תקיעות אור בספקטרום בטוח לעין. אתה צריך מדמי גליום-ארסניד יקרים, שיכולים להעלות את העלות של מערכות אלה עד ל-200,000 דולר.

"צריך שיהיה לך מקור אור חזק במיוחד, או מקלט רגיש במיוחד, ואם אין לך את הדברים האלה אז יש לך את הטווח המצומצם הזה", אומר טפלי. זה יכול להיות מושלם עבור מטוסים ממשלתיים שעורכים סקרים אוויריים מפורטים, אבל פלאש לידאר כנראה לא מתאים לקורולה שלך.

הגדר Phasers לסריקה

למרבה המזל, יש דרך אחרת. לואי אלדאדה פצח בבעיה מאז שקיבל את הדוקטורט שלו באופטואלקטרוניקה בתחילת שנות ה-90; והיום הוא רץ קואנרגיה, אחד השחקנים הבולטים בלידר מצב מוצק. אלדאדה והצוות שלו השיקו גישה שונה על ידי בחינת אופן פעולת המכ"ם. אחרי הכל, זה בן דוד קרוב של לידר. כפי שמתברר, מכ"ם נהג להסתובב בדיוק כמו לידר, עד שמדענים פיתחו פתרון מבריק המכונה מערך השלב.

מערך מדורג יכול לשדר גלי רדיו בכל כיוון - מבלי להסתובב במעגלים - על ידי שימוש במערך מיקרוסקופי של אנטנות בודדות המסונכרנות בצורה ספציפית. על ידי שליטה בתזמון - או הפאזה - בין כל אנטנה המשדרת את האות שלה, המהנדסים יכולים "לנווט" אות אחד מלוכד בכיוון מסוים.

מערכים מדורגים נמצאים בשימוש במכ"ם מאז שנות ה-50. אבל אלדאדה והצוות שלו הבינו איך להשתמש באותה טכניקה עם אור. "יש לנו מספר גדול, בדרך כלל מיליון, רכיבי אנטנה אופטיים", מסביר אלדאדה. "בהתבסס על מערכת היחסים השלבית ביניהם, הם יוצרים תבנית קרינה, או נקודה, שיש לה גודל מסוים והוא מכוון לכיוון מסוים."

על ידי תזמון מושכל של הבזק המדויק של מיליון פולטים בודדים, Quanergy יכולה "לנווט" את האור באמצעות סיליקון בלבד. "אפקט ההפרעות קובע לאיזה כיוון הולך האור, לא מראה נעה או עדשה", מסביר אלדאדה.

זה אומר שהקן של אופטיקה ומנועים בתוך דלי לידר של 75,000 דולר נעלם, ואתה נשאר עם רק שבבים. נכון לעכשיו, Quanergy משתמשת במספר שבבים ומוכרת את החבילה תמורת 900 דולר, אך גרסאות עתידיות יהפכו לשבב בודד. "בשלב זה, מחיר המכירה שלנו יהפוך מתחת ל-100 דולר", צופה אלדאדה.

מצב מוצק הוא לא רק זול יותר, זה טוב יותר. "היכולת לשנות ביעילות את צורת העדשה לכל צורה שתרצה מאפשרת לך להגדיל ולהקטין", מסביר אלדאדה. "אז תאר לעצמך שאתה מסתכל על אובייקט בנתיב שלך, ואתה רוצה להגדיר ברזולוציה גבוהה מה זה. אתה מצמצם את גודל הנקודה וקובע שזה צבי, זה צמיג, זה מזרון שנפל ממשאית. יחד עם זאת, אתה יכול לדלג בין לעשות את זה לבין להסתכל על הסצנה הגדולה". ה"קפיצה" הזו יכולה לקרות מרובות פעמים בשנייה מבלי שנהג יידע, כפי שאלגוריתם קורא את היריות וקובע מה ראוי לקרוב יותר תראה.

התקני מצב מוצק גם מחזיקים מעמד זמן רב יותר. לידר אלקטרומכני יכול לפעול בין 1,000 ל-2,000 שעות לפני תקלה. עם ההוצאה האמריקאית הממוצעת 293 שעות במכונית בשנה, רובנו בסופו של דבר נחליף את הלידר שלנו לפני הצמיגים. Quanergy טוענת שה-lidar שלה במצב מוצק יפעל במשך 100,000 שעות - יותר ממה שרוב המכוניות יסעו אי פעם.

מראה מראה שעל הקיר

מערכי פלאש ומערכים שלבים אופטיים הם באמת היחידים נָכוֹן לידאר במצב מוצק. אבל יש דרך שלישית חדשה לעשות לידר, הילד החורג אדום הראש המכונה מראות מיקרו-אלקטרו-מכאניות - או מראות MEMS.

כפי שה"מכני" ב"מיקרואלקטרומכני" מרמז, ישנם חלקים נעים, כך שמראות MEMS אינן באמת מצב מוצק. אבל הם גם כל כך זעירים שהטכנולוגיה עדיין מייצגת שיפור לעומת לידר אלקטרומכני בקנה מידה גדול.

"הארכיטקטורה פשוטה מאוד", מסביר טפלי. "יש לך לייזר אחד, מראה אחת." הלייזר יורה לתוך המראה הקטנטנה מאוד, שמסתובבת כמו חלק עליון, ומספקת את הסיבוב שהלידר הקונבנציונלי מקבל מסביבת דלי שלם.

זה פשוט מספיק, עד שאתה רוצה להזיז את הלייזר למעלה ולמטה בנוסף לסיבוב במעגלים. אז אתה צריך "להפיל" אותו ממראה אחרת, שמסתובבת על ציר אחר. או שאתה יכול לצלם מספר לייזרים במראה אחת. כך או כך, העלות והמורכבות מתחילות להיבנות.

"לוודא שהכל מיושר בצורה מושלמת יוצרת אתגרים", מסביר טפלי. "אם יש לך את הלייזר הזה במראה שמסתובבת על שני הצירים, הוא יכול לפעמים להיות רגיש ל זעזועים ורעידות". אתה יודע, כמו הטיפוס שאתה עשוי למצוא במכונית, מקפץ במורד הכביש ב-70 מייל לשעה.

אלדאדה מצביע על נושאים נוספים. "מראות מיקרו MEM נסחפות מחוסר יישור. הם לא שומרים על כיול. כאשר יש שינויים גדולים בטמפרטורה, הם צריכים להיות מכוילים מחדש במהלך החיים".

"אם המראות נתקעות, יש לך בעיית בטיחות בעיניים", הוא מציין. ואור השמש יכול לזרוע הרס משלו. "יש לך בעיות גדולות כשאתה עומד מול השמש", אומר אלדאדה. "אור השמש עומד לפגוע בו, האור ישתקף בתוך הלידר, וישווה את הגלאים, ויטביע את האות."

עם כל כך הרבה הבדלים בין כל שלושת סוגי הלידר מהדור הבא, Aptiv מגנה את ההימורים שלה על ידי עבודה עם - והשקעה בכולם. "לכל אחד יש פשרות שונות ביחס לשדה הראייה, הטווח והרזולוציה", מסביר טפלי. "בהתאם למיקום הלידר הזה על הרכב, זה יכתיב איזה מהם צריך להיות הכי חשוב."

הלידאר הפונה לצדדים, למשל, עשוי שלא להזדקק לטווח שהלידר הפונה קדמי צריך. על ידי ערבוב והתאמה בין הזנים, Aptiv מקווה לרתום את הטוב שבכל העולמות.

אז איפה המכונית שלי בנהיגה עצמית?

בשנת 1999 הציגה יגואר את בקרת השיוט הראשונה מבוססת מכ"ם ב-XK, מכונית קופה שנמכרה בכ-100,000 דולר בדולרים של היום. באותו זמן, החיישנים היו כל כך יקרים, שכפי שמספרת טפלי, "אנשים התבדחו שיש לך ג'אג בחינם עם כל רכישת מכ"ם".

היום, אתה יכול לקבל את אותה תכונה בקורולה של $18,000. “אנחנו בערך באותה עקומת למידה עם לידר", היא אומרת. "עד שהמצב המוצק יתבגר וייכנס לייצור המוני, כלי הרכב האלה יהיו די יקרים עבור צרכן ממוצע להחזיק."

חיישן הלידר המוצק של Quanergy של 900 דולר עוזר לגרום לזה לקרות. הקרוב Fisker EMotion יהיה הרכב הראשון שיצא לרחוב עם החיישנים האלה בפנים - חמישה מהם - כשיגיע ב-2019. לא יותר מחבילת הסוללות למקדחה אלחוטית, הם קבורים בפתחי אוורור, מוסתרים מאחורי רשתות כרום ובלתי נראים לחלוטין, אלא אם כן אתה מחפש אותם. דרך ארוכה מהדליים המסתובבים של אתמול.

אלדאדה מאמין שנראה מכוניות אוטונומיות ברמה 4 מיצרן אמריקאי "אגרסיבי" ידוע לשמצה כבר ב-2020. "2021, 2022, אתה תראה עוד כמה. 2023 היא השנה הגדולה. לרוב יצרניות הרכב יהיו מכוניות לנהיגה עצמית".

בעוד שהפיסקר יתומחר ב-130,000 דולר, הוא עשוי בסופו של דבר להיראות כמו יגואר XK של 1999: מבשר יקר של טכנולוגיה שתבוא. בסופו של דבר, לידאר מצב מוצק פירושו שמכוניות בנהיגה עצמית לא יהיו רק רובוצ'אפרים עבור העשירים. "זה אומר שלכל אחד יכול להיות מכונית בנהיגה עצמית", אומר אלדאדה. "זה לא רק עבור מרצדס S קלאס וב.מ.וו סדרה 7. זה אומר שלאנשים שנוהגים בטויוטה קורולה יהיו גם מכוניות בנהיגה עצמית".

ועד כמה שהשינוי הזה יישמע מהותי, מכוניות עשויות להיות רק ההתחלה ללידאר במצב מוצק. "אתה תראה את זה במכשירים, אתה תראה את זה בציוד לביש, בקסדות של כבאים וחיילים. היישומים כמעט בלתי מוגבלים."

המלצות עורכים

• פולקסווגן משיקה בארה"ב תוכנית בדיקות מכוניות לנהיגה עצמית משלה.
• לרובוטקסיס יש בעיית נוסעים שאף אחד לא חשב עליה
• פורד ופולקסווגן סוגרים את יחידת המכוניות האוטונומיות של ארגו AI
• Drive Concierge של Nvidia ימלא את המכונית שלך במסכים
• מוניות הרובוטים של קרוז נוסעות לאריזונה ולטקסס