Solid-Stete Lidar: pigių savarankiškai važiuojančių automobilių raktas

Ar kada nors pastebėjote, kaip savarankiškai važiuojantys automobiliai dėvi keistas skrybėles?

Ankstyviausi savaeigiai kariniai sunkvežimiai atrodė lyg su besisukančiomis kavos skardinėmis viršuje. Carnegie Mellon ikoniškas savarankiškai vairuojantis Hummer viršūnėje buvo milžiniškas stalo teniso kamuolys. Waymo šypsenėlių prototipas nešioja sirenos formos kupolą, todėl jis atrodo kaip žaviausias pasaulyje policijos automobilis.

Visuose trijuose yra apie keliolika lazerių, šaudančių per teleskopinę optiką, svyruojančių šimtus kartų per minutę, kad sugeneruotų 300 000 duomenų taškų per sekundę. Jis vadinamas lidaru, o be jo šie automobiliai būtų akli. Tai taip pat viena iš didžiausių priežasčių, kodėl šiuo metu važiuojamojoje dalyje neturite savarankiškai važiuojančio automobilio. Maždaug 75 000 USD, vienas lidaras gali lengvai kainuoti daugiau nei automobilis, kuriuo juo važiuojama. Ir tai tik vienas savarankiškos sriubos ingredientų.

Tačiau šiais metais visur pasirodo nauja technologija: kietojo kūno lidar. Be judančių dalių, jis žada suteikti savaeigiams automobiliams ryškesnį ir geresnį matymą, už mažesnę nei senosios mokyklos elektromechaninių sistemų kainą. Kietojo kūno „Lidar“ atvers kelią pirmiesiems savaeigiams automobiliams, kuriuos iš tikrųjų galite sau leisti. Štai kaip tai veikia – ir kas yra visai šalia.

Kaip veikia lidaras

Terminas „lidaras“ kilęs sumaišius „šviesą“ ir „radarą“, o tai taip pat yra patogus būdas tai suprasti, nes… tai radaras, bet su šviesa.

Atnaujinimas iš vidurinės mokyklos fizikos: radaras atmuša radijo bangų impulsą nuo objekto, pavyzdžiui, plokštumos, kad nustatytų, kokiu atstumu jis yra, atsižvelgiant į tai, kiek laiko užtrunka, kol impulsas atsimuša. Lidaras naudoja lazerio šviesos impulsą, kad padarytų tą patį.

Paimkite pakankamai tų lazerių, sukite juos ratu ir gausite aplinkinio pasaulio trimatį „taškinį debesį“. Tikriausiai matėte šiuos vaivorykštės spalvos taškus, vaizduojančius miesto peizažus, kalnus ir net dainuojančią, bekūnę Thom Yorke'o galvą. „Radiohead“. Kortų namelis muzikinis vaizdo klipas. Tas 360 laipsnių 3D žemėlapis yra tarsi Rozetos akmuo savarankiškai važiuojančiam automobiliui, leidžiantis iššifruoti jį supantį pasaulį.

„Norint sukurti savarankiško vairavimo sistemą, jums reikia kamerų, radaro ir lidaro derinio“, – aiškina Jada Tapley, „Aptiv“ pažangiosios inžinerijos viceprezidentė. Ji žinotų. „Aptiv“ pastatė autonominiai Lyft automobiliai kuris skraidino dalyvius po Las Vegasą į CES 2018. Pačioje blogiausioje aklavietėje, kurią miestas mato visus metus. Ir į musoną panašios sąlygos. Su nuliu avarijų.

Tie automobiliai turėjo devynis lidarus, dešimt radarų ir keturias kameras. Visų trijų derinys leidžia pačiam vairuoti, tačiau „lidar“ atlieka esminę funkciją, kurią inžinieriai vadina lokalizavimu. „Svarbu, kad transporto priemonė galėtų labai tiksliai nustatyti, kur ji yra žemėlapyje“, – aiškina Tapley. "Mes tam naudojame savo lidarą."

Paaiškinti autonominių automobilių lygiai
Tarptautinės inžinerijos organizacijos apsistojo ties šešiais automatizavimo lygiais, kad pakalbėtų apie evoliuciją, kurią matysime tarp kvailų automobilių ir visiškos autonomijos.

0 lygis: nėra savarankiškumo
Tai automobilis, kurį tikriausiai jau turite. Nustokite rašyti žinutes! Reikia daryti viską.
1 lygis: rankas
Kai kuriais atvejais jūsų automobilis jums padės, pvz., prisitaikanti pastovaus greičio palaikymo sistema, sulėtinanti greitkelyje, kai tai daro priekyje važiuojantis automobilis.
2 lygis: nuleiskite rankas
Jūsų automobilis gali važiuoti taip pat, kaip ir jūs – tinkamomis aplinkybėmis, pvz., Tesla Autopilot padalintame, pažymėtame greitkelyje.
3 lygis: ištraukite akis
Pirmyn ir atsiųskite tą tekstą; šis automobilis nesudaužys, jei nekreips jūsų dėmesio. Tačiau vis tiek turėsite paimti vairą, jei viskas susidės, pavyzdžiui, naudojant „Audi Traffic Jam Pilot“.
4 lygis: nusiraminkite
Eik miegoti; jūsų automobilis yra valdomas. Bet vis tiek reikia sėsti už vairo.
5 lygis: visiška autonomija
Jūsų automobilis neturi vairo, nes jis gali važiuoti geriau nei jūs visais atvejais. Eik, sėsk į galą, silpnas žmogau.

Nors GPS gali susiaurinti jūsų vietą iki apskritimo 16 pėdų skersmens, Lidar gali tai padaryti keturių colių skersmens apskritime. Tai geriau, nei gali valdyti daugelis vairuotojų. Tapley prisimena, kaip viena grupelė plačių akių žurnalistų susiraukė, kai „Aptiv“ autonominis automobilis lėkė pro stovintį autobusą Las Vegase. Jiems to nereikėjo, nes automobilis žinojo, kad yra daug vietos. „Kaip žmonės, mus baugina, ypač didelės, didelės transporto priemonės, tokios kaip autobusai ar puspriekabės. Taigi mes linkę šiek tiek nutolti nuo jų“, – aiškina ji. „Tačiau autonominei transporto priemonei to daryti nereikia“.

Nors kameros gali atpažinti objektus, o radaras gali nustatyti, kaip toli jie yra, o lidar gali pasiekti abu su tam tikru tikslumu, nė vienas negali liesti. „Įsivaizduokite, kad kelio viduryje yra 18 ratų padangos protektorius“, – sako Tapley. „Radaras to neaptiks. Lidaras bus“.

Štai kodėl „Tesla Model S“, kuris turi ir kameras, ir radarą, bet be „Lidar“, turi turėti vairuotoją, pasiruošusį bet kada perimti vairą. Tai laikoma 2 lygio autonomine transporto priemone. Beveik visi automobilių autonomijos ekspertai – su akivaizdi Elono Musko išimtis — tiki, kad lidaras yra būtinas norint pasiekti tikrą „miego už vairo“ 4 lygio autonomiją.

Ir tai yra didžiulė problema, jei jūs ar aš kada nors tikimės tokią turėti. Sidabras Velodyne HDL-64E matote, kad daugelis bandomųjų automobilių kainuoja 75 000 USD. Net bendrovės „biudžetinis“ Puck modelis kainuoja 8000 USD. Ir tai nėra ta dalis, kurią galite sutaupyti. Įsivaizduokite, kad jūsų automobilio langai tampa juodi, kai greitis 80 mylių per valandą, ir jūs puikiai įsivaizduojate, kaip pametęs lidarą atrodytų kompiuteris savarankiškai važiuojančiame automobilyje.

Kaip ir visos technologijos, laikui bėgant lidar atpigo, tačiau reikalingas tikslumas ir masyvios besisukančios dalys elektromechaninis lidar reiškia, kad jis kasmet negali tapti pigesnis, mažesnis ir geresnis, kaip ir jūsų telefono procesorius ar daro kompiuteris.

O kas, jei… galėtumėte pagaminti lidarą tik iš silicio? Atimkite visas judančias dalis, ir ateitis pradės atrodyti daug šviesesnė.

Sveiki atvykę į kietąją būseną

Kietojo kūno elektronika, kuri pagal apibrėžimą neturi judančių dalių, pakeitė tai, kaip mes darome viską – nuo ​​laiko stebėjimo iki muzikos klausymosi. Prisiminkite, kaip nešiojamieji CD grotuvai praleisdavo? Taip atsitinka, kai pasikliaujate lazeriu, norėdami nuskaityti besisukančio disko mikroskopinius griovelius. Bet jūs galite įdėti savo išmanusis telefonas dažų purtyklėje ir vis tiek klausykitės Kanye, nes muzika saugoma kietojo kūno atminties lustuose, kurie neprieštarauja, kad juos supurtytų. Lidaras eina ta pačia kryptimi.

Kaip ir nešiojamieji CD grotuvai, besisukantis elektromechaninis lidaras nėra idealus. „Pirmas, jie dideli“, – sako Tapley. „Antras, jie brangūs. Kietojo kūno „Lidar“ leidžia mums tapti mažesniems, geriau supakuoti į transporto priemones ir sumažinti išlaidas.

Kaip perkelti šviesą nejudindami objektyvo ar veidrodžio? Kaip lidaras patenka į kietą būseną? Inžinieriai sukūrė keletą tiesiog genialių būdų.

Pirmasis vadinamas blykstė lidar. „Blykstė iš esmės yra ten, kur jūs turite šviesos šaltinį ir tas šviesos šaltinis vieną kartą užlieja visą matymo lauką, naudodamas impulsą“, - aiškina Tapley. „Skrydžio laiko vaizduoklis priima tą šviesą ir gali nupiešti vaizdą, ką mato. Pagalvokite apie tai kaip apie fotoaparatą, kuris mato atstumą, o ne spalvas.

Tačiau šis paprastumas yra susijęs su tam tikromis kliūtimis. Norint pamatyti labai toli, reikia galingo šviesos pliūpsnio, todėl jis brangsta. Ir šviesos negali būti toks galingas kad jis pažeidžia žmogaus tinklainę, o tai riboja diapazoną. Vienas iš būdų yra nukreipti šviesą tam tikru, nematomu bangos ilgiu, kuris neturi įtakos žmogaus akims. Puikus! Kol neatsitrenksite į dar vieną laimėjimą: nebrangūs silicio vaizdo aparatai „neperskaitys“ šviesos spindulių akims saugančiame spektre. Jums reikia brangių galio arsenido vaizdo aparatų, kurie gali padidinti šių sistemų kainą iki 200 000 USD.

„Turite turėti itin galingą šviesos šaltinį arba itin jautrų imtuvą, o jei tų dalykų neturite, tuomet turite ribotą diapazoną“, – sako Tapley. Jis gali puikiai tikti vyriausybės lėktuvams, atliekantiems išsamius oro tyrimus, tačiau „flash lidar“ tikriausiai netinka jūsų „Corolla“.

Nustatykite fazerius nuskaityti

Laimei, yra ir kitas būdas. Louay Eldada šią problemą sprendžia nuo tada, kai 90-ųjų pradžioje įgijo optoelektronikos mokslų daktaro laipsnį; ir šiandien jis bėga Quanergy, vienas žymiausių kietojo kūno lidaro žaidėjų. Eldada ir jo komanda pasirinko kitokį požiūrį, žiūrėdami, kaip veikia radaras. Galų gale, tai yra artimas lidaro pusbrolis. Pasirodo, radaras sukdavosi taip pat, kaip lidaras, kol mokslininkai sukūrė puikų sprendimą, žinomą kaip fazinis masyvas.

Fazinis masyvas gali transliuoti radijo bangas bet kuria kryptimi – nesisukdamas ratu – naudodamas mikroskopinį atskirų antenų masyvą, sinchronizuotą tam tikru būdu. Reguliuodami laiką arba fazę tarp kiekvienos antenos, transliuojančios savo signalą, inžinieriai gali „nukreipti“ vieną nuoseklų signalą tam tikra kryptimi.

Faziniai masyvai radare buvo naudojami nuo šeštojo dešimtmečio. Tačiau Eldada ir jo komanda suprato, kaip tą pačią techniką panaudoti su šviesa. „Turime daug, paprastai milijoną, optinės antenos elementų“, – aiškina Eldada. „Remiantis laipsnišku tarpusavio ryšiu, jie sudaro tam tikro dydžio spinduliuotės modelį arba dėmę, kuri yra nukreipta tam tikra kryptimi.

Išmaniai nustatydama tikslų milijono atskirų spindulių blyksnį, Quanergy gali „suvaldyti“ šviesą naudodama tik silicį. "Trikdžių efektas nustato, kuria kryptimi eina šviesa, o ne judantis veidrodis ar objektyvas", - aiškina Eldada.

Tai reiškia, kad optikos ir variklių lizdas 75 000 USD vertės lidaro kibirėlyje dingsta, o jums lieka tik lustai. Šiuo metu Quanergy naudoja kelis lustus ir parduoda paketą už 900 USD, tačiau būsimos versijos taps vienu lustu. „Tuo metu mūsų pardavimo kaina bus mažesnė nei 100 USD“, - prognozuoja Eldada.

Kietasis korpusas yra ne tik pigesnis, bet ir geresnis. „Galimybė efektyviai pakeisti objektyvo formą į bet kokią norimą formą leidžia priartinti ir nutolinti“, – aiškina Eldada. „Taigi įsivaizduokite, kad žiūrite į objektą savo juostoje ir norite aukšta raiška apibrėžti, kas tai yra. Sumažinate vietos dydį ir nustatote, kad tai elnias, tai padanga, tai čiužinys, nukritęs nuo sunkvežimio. Tuo pačiu metu galite pereiti nuo to, kai tai darote, ir ar žiūrite į didelę sceną. Šis „šokinėjimas“ gali įvykti daug kartų kartų per sekundę, vairuotojui net nežinant, nes algoritmas iškviečia šūvius ir nustato, kas nusipelno arčiau žiūrėk.

Kietojo kūno įrenginiai taip pat tarnauja ilgiau. Elektromechaninis lidaras gali veikti nuo 1000 iki 2000 valandų iki gedimo. Su vidutinėmis Amerikos išlaidomis 293 valandos automobilyje per metus, dauguma iš mūsų pakeistų lidarą anksčiau nei padangos. Quanergy teigia, kad jo kietojo kūno „Lidar“ veiks 100 000 valandų – daugiau nei kada nors važiuos dauguma automobilių.

Veidrodinis veidrodis, ant sienos

Blykstė ir optinės fazinės matricos yra tikrai vienintelės tiesa kietojo kūno lidaras. Tačiau yra ir trečias naujas būdas padaryti lidarą – raudonplaukį povaikį, žinomą kaip mikroelektromechaniniai veidrodžiai – arba MEMS veidrodžiai.

Kaip rodo „mechaninė“ „mikroelektromechaninėje“, yra judančių dalių, todėl MEMS veidrodžiai iš tikrųjų nėra kietojo kūno. Tačiau jie taip pat yra tokie maži, kad technologija vis dar yra patobulinimas, palyginti su didelio masto elektromechaniniu lidaru.

„Architektūra yra labai paprasta“, - aiškina Tapley. „Turite vieną lazerį, vieną veidrodį“. Lazeris šauna į labai mažytį veidrodėlį, kuris sukasi kaip viršus, suteikdamas tokį sukimąsi, kokį įprastas lidaras gauna sukdamas visą kibirą.

Tai pakankamai paprasta, kol nenorite ne tik suktis ratu, bet ir judinti lazerį aukštyn ir žemyn. Tada jums reikia jį "pakaskaduoti" nuo kito veidrodžio, kuris sukasi kita ašimi. Arba galite šaudyti keliais lazeriais į vieną veidrodį. Bet kuriuo atveju kaina ir sudėtingumas pradeda didėti.

„Užtikrinus, kad viskas puikiai suderinta, kyla iššūkių“, – aiškina Tapley. „Jei turite šį lazerį veidrodyje, kuris sukasi ant abiejų ašių, jis kartais gali būti jautrus smūgiai ir vibracijos“. Žinote, kaip tas tipas, kurį galite rasti automobilyje, atšokusį į kelią 70 greičiu mph.

Eldada atkreipia dėmesį į kitas problemas. „Mikro MEM veidrodžiai nukrypsta iš eilės. Jie nepalaiko kalibravimo. Esant dideliems temperatūros pokyčiams, juos reikia perkalibruoti visą gyvenimą.

„Jei veidrodžiai užstringa, kyla problemų dėl akių saugos“, – pabrėžia jis. Ir saulės šviesa gali pridaryti savo chaosą. „Kai žiūrite į saulę, turite didelių problemų“, - sako Eldada. „Saulės šviesa jį pataikys, šviesa atsispindės lidaro viduje, prisotins detektorius ir užges signalą.

Turėdamas tiek daug skirtumų tarp visų trijų naujos kartos lidar tipų, „Aptiv“ apsidraudžia savo statymus dirbdamas su visais ir investuodamas į juos. „Kiekvienas turi skirtingus kompromisus, susijusius su matymo lauku, diapazonu ir skiriamąja geba“, - aiškina Tapley. „Priklausomai nuo to, kur tas lidaras yra ant transporto priemonės, tai nulems, kuris iš jų turi būti svarbiausias.

Pavyzdžiui, į šoną nukreiptam lidarui gali neprireikti tokio diapazono, koks yra priekyje. Maišydama ir derindama veisles, „Aptiv“ tikisi panaudoti geriausius iš visų pasaulių.

Taigi kur yra mano savarankiškai važiuojantis automobilis?

1999 m. „Jaguar“ pristatė pirmąją radaru pagrįstą pastovaus greičio palaikymo sistemą XK – kupė, kuri šiandieniniais doleriais buvo parduota už maždaug 100 000 USD. Tuo metu jutikliai buvo tokie brangūs, kad, kaip pasakoja Tapley, „Žmonės juokavo, kad kiekvieną kartą pirkdami radarą gavote nemokamą Jag“.

Šiandien tą pačią funkciją galite įsigyti 18 000 USD kainuojančiame „Corolla“. “Mes tarsi mokomės toje pačioje mokymosi kryptyje su „Lidar“, – sako ji. „Kol kietosios būsenos bus subrendusios ir pradės gaminti masinę, vidutiniam vartotojui šios transporto priemonės bus gana brangios.

Quanergy 900 USD vertės kietojo kūno lidaro jutiklis padeda tai padaryti. Artėjantis Fisker EMotion bus pirmoji transporto priemonė, kuri išvažiuos į gatves su šiais jutikliais – penkiais iš jų – kai ji pasieks 2019 m. Jie yra ne didesni nei akumuliatorinio gręžtuvo akumuliatorių paketas, jie yra įterpti į ventiliacijos angas, paslėpti už chromuotų grotelių ir visiškai nematomi, nebent jų ieškote. Toli nuo vakar besisukančių kibirų.

„Eldada“ mano, kad 4 lygio autonominius automobilius iš žinomai „agresyvaus“ Amerikos gamintojo pamatysime jau 2020 m. „2021, 2022, pamatysite dar keletą. 2023-ieji yra didieji metai. Dauguma automobilių gamintojų turės savarankiškai važiuojančius automobilius.

Nors „Fisker“ kainuos 130 000 USD, jis gali atrodyti panašiai kaip 1999 m. „Jaguar XK“: brangus būsimų technologijų pranašas. Galų gale, kietojo kūno lidaras reiškia, kad savarankiškai važiuojantys automobiliai nebus tik turtingųjų robotų vairuotojai. „Tai reiškia, kad kiekvienas gali turėti savaeigį automobilį“, – sako Eldada. „Tai ne tik S klasės Mercedes ir 7 serijos BMW. Tai reiškia, kad „Toyota Corollas“ vairuojantys žmonės taip pat turės savavaldžius automobilius.

Ir kad ir koks esminis šis poslinkis skambėtų, automobiliai gali būti tik kietojo kūno „Lidar“ pradžia. „Matysi prietaisuose, pamatysi nešiojamuose, ugniagesių ir karių šalmuose. Programos yra beveik neribotos.

Redaktorių rekomendacijos

• „Volkswagen“ pradeda savo savarankiškai vairuojančių automobilių bandymų programą JAV.
• Robotaxis turi keleivių problemą, apie kurią niekas nepagalvojo
• „Ford“ ir „VW“ uždaro „Argo AI“ autonominį automobilių bloką
• Nvidia Drive Concierge užpildys jūsų automobilį ekranais
• Kruizo taksi robotai važiuoja į Arizoną ir Teksasą