솔리드 스테이트 라이더(Solid-State Lidar): 저렴한 자율주행차의 핵심

자율주행차가 어떻게 이상한 모자를 쓰고 있는지 알아차린 적이 있나요?

최초의 자율주행 군용 트럭은 커피 캔을 회전시키는 것처럼 보였습니다. 카네기멜론의 아이코닉한 자율주행 허머 그 위에는 거대한 탁구공이 놓여 있었습니다. Waymo의 웃는 작은 프로토타입은 사이렌 모양의 돔을 착용하고 있어 세계에서 가장 사랑스러운 경찰차처럼 보입니다.

세 개 모두 내부에는 약 12개의 레이저가 망원경급 광학 장치를 통해 분당 수백 번 발사되어 초당 300,000개의 데이터 포인트를 생성합니다. 그것은 LiDAR라고 불리며, 그것이 없으면 이 자동차들은 모두 시각 장애인이 될 것입니다. 현재 집 진입로에 자율주행차가 없는 가장 큰 이유 중 하나이기도 합니다. 약 75,000달러로 단일 LiDAR는 그것이 타고 있는 자동차보다 쉽게 ​​더 비쌀 수 있습니다. 그리고 그것은 자율주행 수프의 한 가지 성분일 뿐입니다.

그러나 올해 새로운 기술이 곳곳에서 등장하고 있습니다. 바로 고체 라이더(Solid-state LiDAR)입니다. 움직이는 부품이 없기 때문에 기존 전자 기계 시스템보다 훨씬 적은 비용으로 자율 주행 자동차에 더 선명하고 더 나은 시야를 제공할 수 있습니다. 솔리드 스테이트 LiDAR는 실제로 감당할 수 있는 최초의 자율 주행 자동차를 위한 길을 열어줄 것입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 곧 다가올 내용은 다음과 같습니다.

LiDAR 작동 방식

"LIDAR"라는 용어는 "빛"과 "레이더"를 합친 것에서 유래되었습니다. 이 용어는 레이더이지만 빛을 사용하기 때문에 쉽게 이해할 수 있습니다.

고등학교 물리학에서 배운 내용을 다시 살펴보겠습니다. 레이더는 비행기와 같은 물체에서 전파 펄스를 반사시켜 펄스가 되돌아오는 데 걸리는 시간을 기준으로 물체가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 확인합니다. Lidar는 레이저의 빛 펄스를 사용하여 동일한 작업을 수행합니다.

레이저를 충분히 확보하고 원을 그리며 회전시키면 주변 세계의 3차원 "점 구름"이 완성됩니다. 당신은 아마도 도시 풍경, 산, 심지어 Thom Yorke의 노래하는 실체 없는 머리를 묘사하는 무지개 색깔의 점들을 본 적이 있을 것입니다. 라디오헤드의 카드의 집 뮤직 비디오. 360도 3D 지도는 자율주행차의 로제타스톤과 같아서 주변 세계를 해독할 수 있습니다.

Aptiv의 고급 엔지니어링 부사장인 Jada Tapley는 "자율 주행 시스템을 만들려면 카메라, 레이더, LiDAR의 조합이 필요합니다."라고 설명합니다. 그녀는 알고 있을 것이다. Aptiv는 자율 리프트 자동차 CES 2018 참석자들을 라스베거스 곳곳으로 데려다준 차량입니다. 도시는 일년 내내 최악의 정체 상태를 경험합니다. 그리고 몬순과 같은 조건입니다. 무사고.

그 자동차에는 9개의 라이더, 10개의 레이더, 4개의 카메라가 있었습니다. 세 가지를 모두 조합하면 자체적으로 주행할 수 있지만 LiDAR는 엔지니어가 현지화라고 부르는 중요한 기능을 수행합니다. Tapley는 “차량이 지도 상의 위치를 ​​매우 높은 정확도로 식별할 수 있는 것이 중요합니다.”라고 설명합니다. "우리는 이를 위해 라이더를 사용합니다."

자율주행차 레벨 설명
국제 엔지니어링 조직에서는 멍청한 자동차와 완전한 자율성 사이에서 보게 될 진화에 대해 이야기하기 위해 자동화의 6가지 수준을 결정했습니다.

수준 0: 자율성 없음
이것은 아마도 당신이 이미 소유하고 있는 차일 것입니다. 문자 그만 보내! 당신은 모든 것을해야합니다.
레벨 1: 실습
고속도로에서 앞차가 속도를 늦추면 적응형 크루즈 컨트롤이 속도를 늦추는 등 일부 시나리오에서는 자동차가 도움이 될 것입니다.
레벨 2: 손을 떼다
귀하의 자동차는 분리되어 표시된 고속도로에서 Tesla Autopilot과 같이 적절한 상황에서 귀하와 마찬가지로 운전할 수 있습니다.
레벨 3: 눈을 떼다
계속해서 해당 문자를 보내십시오. 이 차는 주의를 기울이지 않으면 충돌하지 않습니다. 하지만 Audi Traffic Jam Pilot과 같이 상황이 복잡해지면 운전대를 잡아야 합니다.
레벨 4: 정신 차리기
자러 가세요. 당신의 차는 통제되고 있습니다. 하지만 만일의 경우를 대비해 여전히 운전석에 앉아야 합니다.
레벨 5: 완전한 자율성
당신의 차에는 운전대가 없습니다. 왜냐하면 모든 상황에서 당신이 할 수 있는 것보다 더 잘 운전할 수 있기 때문입니다. 가서 뒷좌석에 앉아라, 연약한 인간아.

GPS는 사용자의 위치를 ​​약 1개의 원으로 좁힐 수 있지만 직경 16피트, LiDAR는 직경 4인치의 원 내에서 이를 수행할 수 있습니다. 많은 운전자가 관리할 수 있는 것보다 낫습니다. Tapley는 Aptiv의 자율주행차가 라스베이거스에 주차된 버스를 빠르게 지나갈 때 눈을 크게 뜬 언론인 그룹이 움츠러든 것을 기억합니다. 그들은 그럴 필요가 없었습니다. 차는 공간이 충분하다는 것을 알고 있었기 때문입니다. “인간으로서 우리는 특히 버스나 세미 트럭과 같은 크고 큰 차량에 겁을 먹습니다. 그래서 우리는 그들로부터 점점 멀어지는 경향이 있습니다.”라고 그녀는 설명합니다. "하지만 자율주행차는 그럴 필요가 없습니다."

카메라는 물체를 식별할 수 있고 레이더는 물체가 얼마나 멀리 있는지 알 수 있지만 LiDAR는 어느 쪽도 건드릴 수 없는 정밀도로 이 두 가지를 모두 달성할 수 있습니다. Tapley는 “도로 한가운데에 18륜 타이어 트레드가 있다고 상상해 보세요.”라고 말합니다. “레이더는 그것을 감지하지 못할 것입니다. Lidar가 그럴 것입니다.”

그렇기 때문에 카메라와 레이더가 모두 있지만 LiDAR는 없는 Tesla Model S에는 언제든지 운전대를 잡을 준비가 된 운전자가 있어야 합니다. 레벨 2 자율주행차라고 합니다. 거의 모든 자동차 자율주행 전문가 - Elon Musk의 눈에 띄는 예외 — 진정한 "운전석에서 잠" 레벨 4 자율성을 달성하려면 LiDAR가 필요하다고 믿습니다.

그리고 당신이나 내가 그것을 소유하고 싶다면 그것은 엄청난 문제입니다. 은 벨로다인 HDL-64E 많은 테스트 차량의 가격은 75,000달러입니다. 회사의 "예산" Puck 모델도 8,000달러에 달합니다. 그리고 이것은 당신이 인색하고 싶어할 부분이 아닙니다. 시속 80마일로 자동차 창문이 검게 변하는 것을 상상해 보십시오. 자율주행 자동차의 컴퓨터에서 LiDAR를 잃으면 어떻게 보일지 꽤 잘 아실 것입니다.

모든 기술과 마찬가지로 LiDAR도 시간이 지남에 따라 가격이 저렴해졌지만, 필요한 정밀도와 대규모 회전 부품이 필요했습니다. 전기 기계식 LiDAR는 휴대전화의 프로세서와 마찬가지로 매년 더 저렴해지고, 더 작아지고, 더 좋아질 수 없다는 것을 의미합니다. 컴퓨터는 그렇습니다.

하지만 실리콘만으로 LiDAR를 만들 수 있다면 어떨까요? 움직이는 모든 부분을 제거하면 미래가 훨씬 더 밝아 보이기 시작합니다.

솔리드 스테이트에 오신 것을 환영합니다

정의상 움직이는 부분이 없는 고체 전자 장치는 시간 추적에서 음악 감상에 이르기까지 우리가 수행하는 모든 작업 방식을 변화시켰습니다. 휴대용 CD 플레이어가 어떻게 건너뛰곤 했는지 기억하시나요? 회전하는 디스크의 미세한 홈을 레이저로 읽을 때 이런 일이 발생합니다. 하지만 당신은 당신의 스마트 폰 음악은 흔들려도 문제가 없는 솔리드 스테이트 메모리 칩에 저장되어 있기 때문에 페인트 셰이커에 넣어도 여전히 Kanye의 노래를 듣습니다. Lidar도 같은 방향으로 가고 있습니다.

휴대용 CD 플레이어와 마찬가지로 회전하는 전자 기계식 라이더는 이상적이지 않습니다. Tapley는 “첫 번째는 규모가 크다는 것입니다.”라고 말합니다. “둘째, 가격이 비싸요. 솔리드 스테이트 LiDAR를 사용하면 더 작아지고 차량에 더 잘 패키징되며 비용을 절감할 수 있습니다.”

렌즈나 거울을 움직이지 않고 어떻게 빛을 움직일 수 있나요? LiDAR는 어떻게 고체 상태가 되나요? 엔지니어들은 완전히 천재적인 방법을 고안했습니다.

첫 번째는 플래시 라이더. "플래시는 기본적으로 광원이 있고 광원은 펄스를 사용하여 한 번에 전체 시야를 넘치게 합니다."라고 Tapley는 설명합니다. "Time-of-Flight 이미저는 그 빛을 수신하고 그것이 보는 것의 이미지를 그릴 수 있습니다." 색상 대신 거리를 보는 카메라라고 생각하십시오.

그러나 이러한 단순함에는 몇 가지 문제점이 있습니다. 아주 멀리 보려면 강력한 빛의 폭발이 필요하므로 비용이 더 많이 듭니다. 그리고 빛은 그럴 수 없어 너무 강력하다 인간의 망막을 손상시켜 범위를 제한한다는 것입니다. 한 가지 해결 방법은 사람의 눈에 영향을 주지 않는 눈에 보이지 않는 특정 파장의 빛을 발사하는 것입니다. 완벽한! 또 다른 문제에 부딪힐 때까지: 저렴한 실리콘 이미저는 눈에 안전한 스펙트럼의 빛의 폭발을 "읽지" 않습니다. 값비싼 갈륨-비소 이미저가 필요하며, 이로 인해 시스템 비용이 최대 200,000달러까지 오를 수 있습니다.

Tapley는 "매우 강력한 광원이나 극도로 민감한 수신기가 있어야 합니다. 그런 것이 없으면 범위가 제한됩니다."라고 Tapley는 말합니다. 상세한 공중 조사를 수행하는 정부 항공기에는 완벽할 수 있지만 플래시 라이더는 아마도 Corolla에 적합하지 않을 수 있습니다.

스캔할 페이저 설정

다행히도 다른 방법이 있습니다. Louay Eldada는 90년대 초 광전자공학 박사 학위를 취득한 이후로 이 문제를 해결해 왔습니다. 그리고 오늘 그는 달린다 쿼너지, 솔리드 스테이트 라이더 분야의 탁월한 플레이어 중 하나입니다. Eldada와 그의 팀은 레이더 작동 방식을 살펴봄으로써 다른 접근 방식을 도출했습니다. 결국 이는 LiDAR의 가까운 사촌입니다. 밝혀진 바와 같이, 과학자들이 위상 배열로 알려진 뛰어난 해결 방법을 개발할 때까지 레이더는 LiDAR처럼 회전하는 데 사용되었습니다.

위상 배열은 특정 방식으로 동기화된 개별 안테나의 미세한 배열을 사용하여 원형으로 회전하지 않고 모든 방향으로 전파를 방송할 수 있습니다. 신호를 방송하는 각 안테나 사이의 타이밍 또는 위상을 제어함으로써 엔지니어는 하나의 응집력 있는 신호를 특정 방향으로 "조정"할 수 있습니다.

위상 배열은 1950년대부터 레이더에 사용되었습니다. 그러나 Eldada와 그의 팀은 빛에 동일한 기술을 사용하는 방법을 알아냈습니다. Eldada는 "우리는 일반적으로 백만 개에 달하는 많은 수의 광학 안테나 요소를 보유하고 있습니다."라고 설명합니다. "서로의 위상 관계를 기반으로 특정 크기를 갖고 특정 방향을 가리키는 방사 패턴 또는 점을 형성합니다."

백만 개의 개별 이미터의 정확한 플래시 타이밍을 지능적으로 제어함으로써 Quanergy는 실리콘만을 사용하여 빛을 "조종"할 수 있습니다. Eldada는 “간섭 효과는 움직이는 거울이나 렌즈가 아니라 빛이 가는 방향을 결정합니다.”라고 설명합니다.

즉, 75,000달러짜리 LiDAR 버킷 안에 있던 광학 장치와 모터가 사라지고 칩만 남게 됩니다. 현재 Quanergy는 여러 칩을 사용하고 패키지를 900달러에 판매하지만 향후 버전은 단일 칩이 될 것입니다. Eldada는 “그 시점이 되면 판매 가격은 100달러 미만이 될 것입니다.”라고 예측합니다.

솔리드 스테이트는 저렴할 뿐만 아니라 더 좋습니다. Eldada는 “렌즈 모양을 원하는 모양으로 효과적으로 변경할 수 있으므로 확대 및 축소가 가능합니다.”라고 설명합니다. “그러니 당신이 차선에 있는 물체를 보고 그것이 무엇인지 고해상도로 정의하고 싶다고 상상해 보십시오. 점 크기를 줄이고 그것이 사슴인지, 타이어인지, 트럭에서 떨어진 매트리스인지 판단합니다. 동시에 그렇게 하는 것과 큰 장면을 보는 것 사이를 오갈 수 있습니다.” 이 "호핑"은 여러 번 발생할 수 있습니다. 알고리즘이 샷을 호출하고 더 가까이 다가갈 만한 것이 무엇인지 결정하기 때문에 운전자도 알지 못하는 사이에 초당 몇 번씩 발생합니다. 바라보다.

솔리드 스테이트 장치는 또한 더 오래 지속됩니다. 전자기계 라이더는 고장이 나기 전까지 1,000~2,000시간 동안 작동할 수 있습니다. 미국 평균 지출 기준으로 연간 자동차 탑승 시간 293시간, 우리 대부분은 결국 타이어보다 라이더를 교체하게 될 것입니다. Quanergy는 자사의 솔리드 스테이트 라이더가 100,000시간 동안 작동할 것이라고 주장합니다. 이는 대부분의 자동차가 운전할 수 있는 시간보다 더 긴 시간입니다.

거울 아 거울 아

플래시와 광학 위상 배열은 실제로 유일한 것입니다. 진실 고체 라이더. 그러나 LiDAR를 수행하는 세 번째 새로운 방법이 있습니다. 바로 마이크로 전자 기계 거울, 즉 MEMS 거울로 알려진 빨간 머리의 의붓자식입니다.

"미세전자기계"의 "기계적"이라는 의미에서 알 수 있듯이 움직이는 부품이 있으므로 MEMS 미러는 진정한 고체 상태가 아닙니다. 하지만 크기가 너무 작아서 이 기술은 여전히 ​​대규모 전자 기계식 라이더에 비해 개선되었습니다.

“아키텍처는 매우 간단합니다.”라고 Tapley는 설명합니다. "레이저 하나와 거울 하나가 있습니다." 레이저는 팽이처럼 회전하는 아주 작은 거울에 발사되어 기존 LiDAR가 버킷 전체를 회전시킬 때 얻는 회전을 제공합니다.

원을 그리며 회전하는 것 외에도 레이저를 위아래로 움직이고 싶을 때까지는 매우 간단합니다. 그런 다음 다른 축에서 회전하는 다른 미러에 "계단식" 연결해야 합니다. 또는 하나의 거울에 여러 개의 레이저를 발사할 수도 있습니다. 어느 쪽이든 비용과 복잡성이 증가하기 시작합니다.

Tapley는 “모든 것이 완벽하게 정렬되었는지 확인하는 것은 어려운 일입니다.”라고 설명합니다. “두 축으로 회전하는 거울에 이 레이저가 있다면 때로는 다음과 같은 영향을 받기 쉬울 수 있습니다. 충격과 진동.” 아시다시피, 70세에 도로를 질주하는 자동차에서 볼 수 있는 유형과 같습니다. 시속

Eldada는 다른 문제를 지적합니다. “Micro MEM 미러는 정렬에서 벗어나 있습니다. 교정을 유지하지 않습니다. 온도 변화가 크면 수명이 다할 때까지 재보정해야 합니다.”

“거울이 막히면 눈 안전에 문제가 있는 것입니다.”라고 그는 지적합니다. 그리고 햇빛은 그 자체로 큰 피해를 입힐 수 있습니다. Eldada는 “태양을 바라보면 큰 문제가 발생합니다.”라고 말합니다. "햇빛이 닿으면 빛이 라이더 내부에서 반사되어 감지기를 포화시켜 신호를 잃게 됩니다."

세 가지 유형의 차세대 LiDAR 간에는 많은 차이점이 있으므로 Aptiv는 모든 유형에 대해 작업하고 투자하여 위험을 회피하고 있습니다. Tapley는 “각각은 시야, 범위 및 해상도와 관련하여 서로 다른 장단점을 가지고 있습니다.”라고 설명합니다. "라이더가 차량의 어디에 위치하는지에 따라 그 중 어느 것이 가장 중요한지 결정될 것입니다."

예를 들어 측면 라이더는 전면 라이더의 범위가 필요하지 않을 수 있습니다. Aptiv는 다양성을 혼합하고 일치시킴으로써 모든 세계에서 가장 좋은 것을 활용하기를 희망합니다.

그렇다면 내 자율주행차는 어디에 있나요?

1999년 Jaguar는 오늘날 가치로 약 10만 달러에 판매되는 쿠페인 XK에 최초의 레이더 기반 크루즈 컨트롤을 도입했습니다. 당시 센서는 너무 비쌌기 때문에 Tapley가 말했듯이 "사람들은 레이더를 구매할 때마다 Jag를 무료로 받을 수 있다고 농담했습니다."

오늘날 18,000달러짜리 Corolla에서도 동일한 기능을 얻을 수 있습니다. “우리는 LiDAR에 대해 동일한 학습 곡선을 보이고 있습니다.”라고 그녀는 말합니다. "솔리드 스테이트가 성숙해 대량 생산에 들어갈 때까지 이러한 차량은 일반 소비자가 소유하기에는 비용이 상당히 많이 들 것입니다."

Quanergy의 900달러짜리 고체 LiDAR 센서가 이를 실현하는 데 도움을 주고 있습니다. 다가오는 피스커 EMotion 2019년에 출시되면 내부에 센서(5개)를 장착한 최초의 차량이 될 것입니다. 무선 드릴용 배터리 팩보다 크지 않은 이 제품은 통풍구에 묻혀 있고 크롬 그릴 뒤에 숨겨져 있어 따로 찾지 않는 한 전혀 보이지 않습니다. 어제의 회전하는 양동이로부터는 먼 길입니다.

Eldada는 빠르면 2020년에 "공격적인" 것으로 악명 높은 미국 제조업체의 레벨 4 자율주행차를 보게 될 것이라고 믿습니다. “2021년, 2022년에는 더 많은 것을 보게 될 것입니다. 2023년은 중요한 해입니다. 대부분의 자동차 제조업체는 자율주행차를 보유하게 될 것입니다.”

Fisker의 가격은 130,000달러이지만 결국 1999년의 Jaguar XK와 매우 유사해 보일 수 있습니다. 이는 값비싼 기술의 선구자입니다. 궁극적으로 솔리드 스테이트 라이더는 자율주행차가 단지 부유층을 위한 로봇운전자가 아니라는 것을 의미합니다. Eldada는 “이것은 모든 사람이 자율주행차를 가질 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 말합니다. “메르세데스 S클래스나 BMW 7시리즈에만 해당되는 것이 아닙니다. 이는 토요타 코롤라를 운전하는 사람들도 자율주행차를 갖게 된다는 것을 의미한다”고 말했다.

그리고 그러한 변화가 근본적으로 들리는 것처럼 자동차는 고체 LiDAR의 시작에 불과할 수도 있습니다. “기기, 웨어러블 기기, 소방관과 군인의 헬멧에서 볼 수 있습니다. 응용 프로그램은 거의 무한합니다.”

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