Solid-Ste Lidar: lētu pašbraucošu automašīnu atslēga

Vai esat kādreiz pamanījis, kā pašbraucošās automašīnas galu galā valkā dīvainas cepures?

Agrākās pašbraucošās militārās kravas automašīnas izskatījās tā, it kā tām augšpusē bija vērptas kafijas kannas. Kārnegijs Melons ikonisks pašbraucošais Hummer to papildināja milzu galda tenisa bumbiņa. Mazajam Waymo smaidīgajam prototipam ir sirēnas formas kupols, kas padara to par pasaulē burvīgāko policijas automašīnu.

Visos trijos iekšpusē ir aptuveni ducis lāzeru, kas šauj caur teleskopiskām optiskām ierīcēm, svārstās simtiem reižu minūtē, lai ģenerētu 300 000 datu punktu sekundē. To sauc par lidaru, un bez tā šīs automašīnas visas būtu aklas. Tas ir arī viens no lielākajiem iemesliem, kāpēc jūsu piebraucamajā ceļā pašlaik nav pašpiedziņas automašīnas. Apmēram 75 000 USD — viens lidars var viegli maksāt vairāk nekā automašīna, ar kuru tas brauc. Un tā ir tikai viena sastāvdaļa pašbraucošajā zupā.

Taču šogad visur parādās jauna tehnoloģija: cietvielu lidars. Bez kustīgām detaļām tas sola nodrošināt pašbraucošām automašīnām asāku, labāku redzamību, par nelielu daļu no vecās skolas elektromehānisko sistēmu izmaksām. Cietvielu lidars pavērs ceļu pirmajām pašbraucošajām automašīnām, kuras jūs faktiski varat atļauties. Lūk, kā tas darbojas — un kas ir tepat aiz stūra.

Kā darbojas lidars

Termins “lidars” cēlies no “gaismas” un “radara” sajaukšanas, kas arī ir ērts veids, kā to saprast, jo… tas ir radars, bet ar gaismu.

Atsvaidzinājums no vidusskolas fizikas: radars atstaro radioviļņu impulsu no objekta, piemēram, lidmašīnas, lai noteiktu, cik tālu tas atrodas, pamatojoties uz to, cik ilgs laiks nepieciešams, lai impulss atgrieztos. Lai veiktu to pašu, Lidars izmanto lāzera gaismas impulsu.

Paņemiet pietiekami daudz šo lāzeru, pagrieziet tos aplī, un jūs iegūsit trīsdimensiju apkārtējās pasaules “punktu mākoni”. Jūs droši vien esat redzējuši šos varavīksnes krāsas punktus, kas attēlo pilsētas ainavas, kalnus un pat Toma Jorka dziedošo, bezķermeņa galvu. Radiohead Kāršu namiņš mūzikas video. Šī 360 grādu 3D karte ir kā Rozetas akmens pašbraucošai automašīnai, ļaujot tai atšifrēt apkārtējo pasauli.

“Lai izveidotu pašpiedziņas sistēmu, ir nepieciešama kameru, radara un lidara kombinācija,” skaidro Jada Taplija, Aptiv progresīvās inženierijas viceprezidente. Viņa zinātu. Aptiv uzbūvēja autonomās Lyft automašīnas kas pārvadāja apmeklētājus ap Lasvegasu uz CES 2018. Vissliktākajā strupceļā, ko pilsēta redz visu gadu. Un musoniem līdzīgi apstākļi. Ar nulli negadījumu.

Šīm automašīnām bija deviņi lidari, desmit radari un četras kameras. Visu trīs kombinācija ļauj tam vadīt sevi, bet lidar veic izšķirošo funkciju, ko inženieri sauc par lokalizāciju. "Ir svarīgi, lai transportlīdzeklis varētu ar ļoti augstu precizitātes pakāpi noteikt, kur tas atrodas kartē," skaidro Taplijs. "Mēs izmantojam savu lidaru, lai to izdarītu."

Paskaidroti autonomie automašīnu līmeņi
Starptautiskās inženieru organizācijas ir pieņēmušas sešus automatizācijas līmeņus, lai runātu par attīstību, ko mēs redzēsim starp mēmām automašīnām un pilnīgu autonomiju.

0. līmenis: nav autonomijas
Šī ir automašīna, kas jums jau, iespējams, pieder. Beidz sūtīt īsziņas! Jums jādara viss.
1. līmenis: rokas uz priekšu
Jūsu automašīna jums palīdzēs dažos gadījumos, piemēram, adaptīvā kruīza kontrole, kas palēninās jūs uz šosejas, kad to dara priekšā braucošā automašīna.
2. līmenis: rokas nost
Jūsu automašīna var braukt tāpat kā jūs — piemērotos apstākļos, piemēram, Tesla Autopilot pa sadalītu, marķētu šoseju.
3. līmenis: acis nost
Iet uz priekšu un nosūtiet šo tekstu; šī automašīna nesabruks, ja tai nepievērsīsiet jūsu uzmanību. Taču, piemēram, ar Audi Traffic Jam Pilot, jums joprojām būs jāķeras pie stūres, ja lietas kļūst sarežģītas.
4. līmenis: nedomājiet
Ej gulēt; jūsu automašīna tiek kontrolēta. Bet pie stūres tomēr jāsēž gadījumam.
5. līmenis: pilnīga autonomija
Jūsu automašīnai nav stūres, jo tā var braukt labāk nekā jūs varat visos scenārijos. Ej sēdies aizmugurē, vājais cilvēk.

Lai gan GPS var sašaurināt jūsu atrašanās vietu līdz aplim 16 pēdas diametrā, lidars to var izdarīt četru collu diametra aplī. Tas ir labāk, nekā to spēj daudzi autovadītāji. Teipijs atceras, kā viena žurnālistu grupa ar platām acīm raustījās, kad Aptiv autonomā automašīna pabrauca garām stāvošam autobusam Lasvegasā. Viņiem tas nebija vajadzīgs, jo automašīna zināja, ka ir daudz vietas. “Kā cilvēki mūs iebiedē, īpaši no lieliem, lieliem transportlīdzekļiem, piemēram, autobusiem vai puspiekabēm. Tāpēc mums ir tendence no viņiem attālināties, ”viņa skaidro. "Bet autonomam transportlīdzeklim tas nav jādara."

Kamēr kameras var identificēt objektus un radars var noteikt, cik tālu tie atrodas, lidar var sasniegt abus ar zināmu precizitāti, ko nevar pieskarties. "Iedomājieties, ka ceļa vidū ir 18 riteņu riepas protektors," saka Teilijs. "Radars to neatklās. Lidars to darīs.

Tāpēc Tesla Model S, kuram ir gan kameras, gan radars, bet nav lidara, ir jābūt vadītājam, kurš jebkurā laikā var sēsties pie stūres. Tas tiek uzskatīts par 2. līmeņa autonomu transportlīdzekli. Gandrīz visi automašīnu autonomijas eksperti — ar spilgts izņēmums Īlons Masks — uzskata, ka lidars ir nepieciešams, lai sasniegtu patiesu “miega pie stūres” 4. līmeņa autonomiju.

Un tā ir milzīga problēma, ja jūs vai es kādreiz ceram iegūt tādu. Sudrabs Velodyne HDL-64E jūs redzat, ka daudzas testa automašīnas maksā 75 000 USD. Pat uzņēmuma “budžeta” Puck modelis maksā 8000 USD. Un šī nav daļa, uz kuru jūs varētu vēlēties taupīt. Iedomājieties, ka jūsu automašīnas logi kļūst melni, braucot ar ātrumu 80 jūdzes stundā, un jums ir diezgan labs priekšstats par to, kā pazaudēts lidars varētu izskatīties datorā pašbraucošā automašīnā.

Tāpat kā visas tehnoloģijas, lidars laika gaitā ir kļuvis lētāks, taču ir nepieciešama precizitāte un masīvas griežamās detaļas elektromehāniskais lidars nozīmē, ka tas katru gadu nevar kļūt lētāks, mazāks un labāks tāpat kā procesors jūsu tālrunī vai dators dara.

Bet ko tad, ja… jūs varētu izgatavot lidaru tikai no silīcija? Noņemiet visus kustīgos gabalus, un nākotne sāk izskatīties daudz gaišāka.

Laipni lūdzam cietajā stāvoklī

Cietvielu elektronika, kurai pēc definīcijas nav kustīgu gabalu, ir mainījusi veidu, kā mēs darām visu, sākot no laika uzskaites līdz mūzikas klausīšanai. Atcerieties, kā portatīvie CD atskaņotāji mēdza izlaist? Tas notiek, ja paļaujaties uz lāzeru, lai nolasītu mikroskopiskās rievas rotējošā diskā. Bet jūs varat ievietot savu viedtālrunis krāsas kratītājā un joprojām klausieties Kanje, jo mūzika tiek glabāta cietvielu atmiņas mikroshēmās, kuras neiebilst, ka tās sakrata. Lidars dodas tajā pašā virzienā.

Tāpat kā pārnēsājamie CD atskaņotāji, arī vērpjošais elektromehāniskais lidars nav ideāls. "Pirmais, tie ir lieli," saka Taplijs. "Otrais, tie ir dārgi. Cietvielu lidars ļauj mums kļūt mazākiem, labāk iepakot transportlīdzekļos un samazināt izmaksas.

Kā pārvietot gaismu, nepārvietojot objektīvu vai spoguli? Kā lidars nonāk cietā stāvoklī? Inženieri ir izstrādājuši dažus ģeniālus veidus.

Pirmo sauc zibspuldze lidars. "Zibspuldze būtībā ir vieta, kur jums ir gaismas avots, un šis gaismas avots vienu reizi pārpludina visu redzes lauku, izmantojot impulsu," skaidro Taplijs. "Lidojuma laika attēlveidotājs uztver šo gaismu un spēj krāsot to, ko tas redz." Uztveriet to kā kameru, kas redz attālumu, nevis krāsu.

Taču šī vienkāršība ir saistīta ar dažiem šķēršļiem. Lai redzētu ļoti tālu, ir nepieciešams spēcīgs gaismas uzliesmojums, kas padara to dārgāku. Un gaisma nevar būt tik spēcīgs ka tas bojā cilvēka tīkleni, kas ierobežo diapazonu. Viens no risinājumiem ir gaismas spridzināšana noteiktā, neredzamā viļņa garumā, kas neietekmē cilvēka acis. Perfekti! Līdz brīdim, kad jūs saskaraties ar vēl vienu nozveju: lēti silīcija attēlveidotāji "nenolasīs" gaismas uzliesmojumus acīm drošā spektrā. Jums ir nepieciešami dārgi gallija arsenīda attēlveidotāji, kas var palielināt šo sistēmu izmaksas līdz 200 000 USD.

"Jums ir jābūt ārkārtīgi jaudīgam gaismas avotam vai ārkārtīgi jutīgam uztvērējam, un, ja jums to nav, tad jums ir šis ierobežotais diapazons," saka Taplijs. Tas varētu būt lieliski piemērots valdības lidmašīnām, kas veic detalizētus gaisa apsekojumus, taču flash lidar, iespējams, nav piemērots jūsu Corolla.

Iestatiet fāzerus skenēšanai

Par laimi, ir vēl viens veids. Louay Eldada ir ķērusies pie šīs problēmas, kopš 90. gadu sākumā ieguva doktora grādu optoelektronikā; un šodien viņš skrien Quanergy, viens no izcilākajiem spēlētājiem cietvielu lidarā. Eldada un viņa komanda ieguva atšķirīgu pieeju, aplūkojot, kā darbojas radars. Galu galā tas ir tuvs lidara radinieks. Kā izrādās, radars griezās tāpat kā lidars, līdz zinātnieki izstrādāja izcilu risinājumu, kas pazīstams kā fāzētais masīvs.

Fāzēts bloks var pārraidīt radioviļņus jebkurā virzienā, negriežoties apļos, izmantojot mikroskopisku atsevišķu antenu masīvu, kas ir sinhronizētas noteiktā veidā. Kontrolējot laiku vai fāzi starp katru antenu, kas raida savu signālu, inženieri var “virzīt” vienu saskaņotu signālu noteiktā virzienā.

Fāzu bloki radaros ir izmantoti kopš pagājušā gadsimta piecdesmitajiem gadiem. Bet Eldada un viņa komanda izdomāja, kā to pašu tehniku ​​izmantot ar gaismu. "Mums ir liels skaits, parasti miljons, optiskās antenas elementu," skaidro Eldada. "Pamatojoties uz to pakāpeniskajām attiecībām savā starpā, tie veido starojuma modeli vai plankumu, kam ir noteikts izmērs un kas ir vērsts noteiktā virzienā."

Gudri nosakot precīzu miljona atsevišķu emitētāju zibspuldzes laiku, Quanergy var “vadīt” gaismu, izmantojot tikai silīciju. "Traucējumu efekts nosaka, kurā virzienā virzās gaisma, nevis kustīgs spogulis vai objektīvs," skaidro Eldada.

Tas nozīmē, ka optikas un motoru ligzda 75 000 USD vērtībā lidara spainī pazūd, un jums paliek tikai mikroshēmas. Pašlaik Quanergy izmanto vairākas mikroshēmas un pārdod paketi par 900 USD, bet turpmākās versijas kļūs par vienu mikroshēmu. "Tajā brīdī mūsu pārdošanas cena kļūs zem 100 USD," prognozē Eldada.

Cietviela ir ne tikai lētāka, bet arī labāka. "Spēja efektīvi mainīt objektīva formu uz jebkuru vēlamo formu, ļauj tuvināt un tālināt," skaidro Eldada. “Tātad iedomājieties, ka skatāties uz objektu savā joslā un vēlaties augstā izšķirtspējā noteikt, kas tas ir. Jūs samazinat vietas izmēru un nosakāt, ka tas ir briedis, tā ir riepa, tas ir matracis, kas nokrita no kravas automašīnas. Tajā pašā laikā jūs varat pārslēgties starp to un skatoties uz lielo ainu. Šī "lēciena" var notikt vairākas reizes reizes sekundē, vadītājam pat nezinot, jo algoritms izsauc šāvienus un nosaka, kas ir pelnījis tuvāk Skaties.

Cietvielu ierīces kalpo arī ilgāk. Elektromehāniskais lidars var darboties no 1000 līdz 2000 stundām pirms atteices. Ar vidējiem amerikāņu tēriņiem 293 stundas automašīnā gadā, lielākā daļa no mums savu lidaru nomainītu pirms riepām. Quanergy apgalvo, ka tā cietvielu lidars darbosies 100 000 stundu — vairāk nekā jebkad brauks lielākā daļa automašīnu.

Spoguļa spogulis, pie sienas

Zibspuldze un optiskie fāzētie bloki patiešām ir vienīgie taisnība cietvielu lidars. Taču ir vēl trešais jauns veids, kā izveidot lidaru, sarkanmatainais pabērns, kas pazīstams kā mikroelektromehāniskie spoguļi vai MEMS spoguļi.

Kā norāda “mehāniķis” “mikroelektromehāniskajā”, ir kustīgas daļas, tāpēc MEMS spoguļi nav īsti cietvielu. Bet tie ir arī tik mazi, ka tehnoloģija joprojām ir uzlabojums salīdzinājumā ar liela mēroga elektromehānisko lidaru.

"Arhitektūra ir ļoti vienkārša," skaidro Taplijs. "Jums ir viens lāzers, viens spogulis." Lāzers iedegas ļoti mazajā spogulī, kas griežas kā augšdaļa, nodrošinot griešanos, ko parastais lidars iegūst, griežot visu spaini.

Tas ir pietiekami vienkārši, līdz vēlaties pārvietot lāzeru uz augšu un uz leju papildus griešanai apļos. Pēc tam jums tas ir jānoņem no cita spoguļa, kas griežas uz citas ass. Vai arī varat šaut vairākus lāzerus pie viena spoguļa. Jebkurā gadījumā izmaksas un sarežģītība sāk veidoties.

"Pārliecinoties, ka viss ir ideāli saskaņots, rodas izaicinājumi," skaidro Taplijs. "Ja jums ir šis lāzers spogulī, kas griežas uz abām asīm, tas dažkārt var būt jutīgs pret trieciens un vibrācijas." Jūs zināt, piemēram, tips, ko jūs varētu atrast automašīnā, kurš lec pa ceļu pie 70 mph.

Eldada norāda uz citiem jautājumiem. “Mikro MEM spoguļi novirzās no izlīdzināšanas. Viņi neuztur kalibrēšanu. Ja ir lielas temperatūras izmaiņas, tās ir jāpārkalibrē visā kalpošanas laikā.

"Ja spoguļi iestrēgst, jums ir acu drošības problēma," viņš norāda. Un saules gaisma var radīt savu postu. "Jums ir lielas problēmas, kad esat pretī saulei," saka Eldada. "Saules gaisma to skars, gaisma atspīdinās lidara iekšpusē, piesātinās detektorus un apslāpēs signālu."

Ar tik daudzām atšķirībām starp visiem trīs nākamās paaudzes lidar veidiem, Aptiv ierobežo savas likmes, strādājot ar tiem visiem un ieguldot tajos. "Katram ir dažādi kompromisi attiecībā uz redzes lauku, diapazonu un izšķirtspēju," skaidro Taplijs. "Atkarībā no tā, kur šis lidars ir novietots transportlīdzeklī, tas noteiks, kuram no tiem ir jābūt vissvarīgākajam."

Piemēram, uz sāniem vērstam lidaram var nebūt vajadzīgs tāds diapazons, kāds ir uz priekšu vērstam lidaram. Sajaucot un saskaņojot dažādas šķirnes, Aptiv cer izmantot labāko no visām pasaulēm.

Tātad, kur ir mana pašbraucošā automašīna?

1999. gadā Jaguar ieviesa pirmo uz radaru balstīto kruīza kontroli XK — kupeja, kas mūsdienu dolāros tika pārdota par aptuveni 100 000 USD. Tolaik sensori bija tik dārgi, ka, kā stāsta Taplijs: "Cilvēki jokoja, ka jūs saņēmāt bezmaksas Jag ar katru radara pirkumu."

Šodien jūs varat iegūt to pašu funkciju Corolla 18 000 USD vērtībā. “Mēs esam tādā pašā mācīšanās līknē ar Lidar, ”viņa saka. "Kamēr cietvielu nebūs nobrieduši un nonāks masveida ražošanā, vidusmēra patērētājam šie transportlīdzekļi būs diezgan dārgi."

Quanergy 900 USD vērtais cietvielu lidara sensors palīdz to īstenot. Gaidāmais Fisker EMotion tas būs pirmais transportlīdzeklis, kas izbrauks ielās ar šiem sensoriem iekšā — pieci no tiem —, kad tas ieradīsies 2019. gadā. Tie nav lielāki par akumulatora urbjmašīnas akumulatoru, tie ir ierakti ventilācijas atverēs, paslēpti aiz hromētiem režģiem un ir pilnīgi neredzami, ja vien jūs tos nemeklējat. Tāls ceļš no vakardienas vērpšanas spaiņiem.

Eldada uzskata, ka mēs redzēsim 4. līmeņa autonomas automašīnas no bēdīgi "agresīva" amerikāņu ražotāja jau 2020. gadā. “2021, 2022, jūs redzēsiet vēl vairākus. 2023. gads ir lielais gads. Lielākajai daļai autoražotāju būs pašbraucošas automašīnas.

Lai gan Fisker cena būs 130 000 USD, tas varētu izskatīties līdzīgs 1999. gada Jaguar XK: dārgs nākotnes tehnoloģiju priekšvēstnesis. Galu galā cietvielu lidars nozīmē, ka pašpiedziņas automašīnas nebūs tikai bagāto cilvēku robošoferi. "Tas nozīmē, ka ikvienam var būt pašbraucoša automašīna," saka Eldada. "Tas attiecas ne tikai uz Mercedes S-klasi un BMW 7. sēriju. Tas nozīmē, ka cilvēkiem, kas brauc ar Toyota Corollas, būs arī pašbraucošās automašīnas.

Lai arī cik būtiska šī maiņa neizklausītos, automašīnas var būt tikai sākums cietvielu lidaram. “Jūs to redzēsit ierīcēs, jūs to redzēsit valkājamās ierīcēs, ugunsdzēsēju un karavīru ķiverēs. Lietojumprogrammu skaits ir gandrīz neierobežots.

Redaktoru ieteikumi

• Volkswagen sāk savu pašbraucošo automašīnu testēšanas programmu ASV.
• Robotaxis ir pasažieru problēma, par kuru neviens neiedomājās
• Ford un VW slēdz Argo AI autonomo automašīnu bloku
• Nvidia Drive Concierge piepildīs jūsu automašīnu ar ekrāniem
• Kruīza robotu taksometri dodas uz Arizonu un Teksasu