Solid-State Lidar: de sleutel tot goedkope zelfrijdende auto’s

Is het je ooit opgevallen dat zelfrijdende auto’s rare hoeden dragen?

De eerste zelfrijdende militaire vrachtwagens zagen eruit alsof ze koffieblikjes aan de bovenkant hadden draaien. Carnegie Mellons iconische zelfrijdende Hummer werd bekroond door een gigantische pingpongbal. Waymo's kleine prototype met smiley draagt ​​een sirenevormige koepel waardoor het lijkt op 's werelds meest schattige politieauto.

In alle drie bevinden zich ongeveer een dozijn lasers, die door optica van telescoopkwaliteit schieten en honderden keren per minuut rondzwaaien, om 300.000 datapunten per seconde te genereren. Het heet lidar, en zonder dit zouden deze auto’s allemaal blind zijn. Het is ook een van de grootste redenen waarom je momenteel geen zelfrijdende auto op je oprit hebt staan. Met een prijs van ongeveer $ 75.000 kan een enkele lidar gemakkelijk meer kosten dan de auto waarop hij rijdt. En dat is nog maar één ingrediënt van de zelfrijdende soep.

Maar dit jaar duikt er overal een nieuwe technologie op: Solid-state lidar. Omdat er geen bewegende delen zijn, belooft het zelfrijdende auto’s een scherper en beter zicht te geven, tegen een fractie van de kosten van ouderwetse, elektromechanische systemen. Solid-state lidar zal de weg vrijmaken voor de eerste zelfrijdende auto’s die je je daadwerkelijk kunt veroorloven. Dit is hoe het werkt – en wat er om de hoek ligt.

Hoe lidar werkt

De term ‘lidar’ komt van het samenvoegen van ‘licht’ en ‘radar’, wat ook een handige manier is om het te begrijpen, omdat … nou ja, het is radar, maar dan met licht.

Een opfriscursus natuurkunde op de middelbare school: Radar weerkaatst een puls radiogolven van een object, zoals een vliegtuig, om te bepalen hoe ver het verwijderd is, op basis van hoe lang het duurt voordat de puls terugkaatst. Lidar gebruikt een lichtpuls van een laser om hetzelfde te doen.

Neem genoeg van die lasers, draai ze in een cirkel en je krijgt een driedimensionale ‘puntenwolk’ van de wereld om je heen. Je hebt waarschijnlijk deze regenboogkleurige stippen gezien die stadsgezichten, bergen en zelfs het zingende, onstoffelijke hoofd van Thom Yorke uitbeelden. Radiohead's Kaartenhuis videoclip. Die 360 ​​graden 3D-kaart is als een Rosetta-steen voor een zelfrijdende auto, waardoor deze de wereld eromheen kan ontcijferen.

“Je hebt een combinatie van camera’s, radar en lidar nodig om een ​​zelfrijdend systeem te creëren”, legt Jada Tapley, VP Advanced Engineering bij Aptiv, uit. Ze zou het weten. Aptiv heeft de autonome Lyft-auto's die bezoekers rond Las Vegas vervoerde voor CES 2018. In de ergste patstelling die de stad het hele jaar kent. En moessonachtige omstandigheden. Met nul ongevallen.

Die auto's hadden negen lidar, tien radar en vier camera's. Een combinatie van alle drie zorgt ervoor dat hij zichzelf kan besturen, maar lidar vervult de cruciale functie die ingenieurs lokalisatie noemen. “Het is belangrijk dat het voertuig zich met een zeer hoge mate van nauwkeurigheid kan identificeren waar het zich op de kaart bevindt”, legt Tapley uit. “Daarvoor gebruiken we onze lidar.”

Niveaus van autonome auto's uitgelegd
Internationale technische organisaties hebben zes automatiseringsniveaus vastgesteld om te praten over de evolutie die we zullen zien tussen domme auto's en volledige autonomie.

Niveau 0: Geen autonomie
Dit is de auto die u waarschijnlijk al bezit. Stop met sms'en! Je moet alles doen.
Niveau 1: Hands-on
Je auto helpt je in sommige scenario's, zoals adaptieve cruisecontrol die je op de snelweg afremt terwijl de auto voor je dat doet.
Niveau 2: Handen af
Uw auto kan net zo rijden als u, onder precies de juiste omstandigheden, zoals Tesla Autopilot op een verdeelde, gemarkeerde snelweg.
Niveau 3: Ogen af
Ga je gang en stuur die sms; deze auto zal niet crashen als hij je aandacht niet heeft. Maar als het ingewikkeld wordt, zoals bij Audi Traffic Jam Pilot, moet je nog steeds het stuur pakken.
Niveau 4: Denk er niet aan
Ga slapen; uw auto is onder controle. Maar je moet nog steeds achter het stuur zitten voor het geval dat.
Niveau 5: Totale autonomie
Je auto heeft geen stuur, omdat deze in alle scenario’s beter kan rijden dan jij. Ga achterin zitten, zwak mens.

Terwijl GPS uw locatie kan beperken tot een cirkel 16 voet in diameter, lidar kan het doen binnen een cirkel van tien centimeter in diameter. Dat is beter dan veel chauffeurs aankunnen. Tapley herinnert zich een groep journalisten met grote ogen die ineenkrompen toen de autonome auto van Aptiv langs een geparkeerde bus in Las Vegas reed. Dat was ook niet nodig, omdat de auto wist dat er voldoende ruimte was. “Als mensen worden we geïntimideerd, vooral door grote, grote voertuigen zoals bussen of semi-auto’s. Dus we hebben de neiging om er een beetje van af te wijken”, legt ze uit. “Maar een autonoom voertuig hoeft dat niet te doen.”

Terwijl camera's objecten kunnen identificeren en radar kan vertellen hoe ver ze verwijderd zijn, kan lidar beide bereiken met een mate van precisie die geen van beide kan aanraken. "Stel je voor dat er midden op de weg een loopvlak van een 18-wieler ligt", zegt Tapley. “De radar zal dat niet detecteren. Lidar zal dat wel doen.”

Daarom moet een Tesla Model S, die zowel camera’s als radar heeft, maar geen lidar, een bestuurder hebben die op elk moment bereid is het stuur over te nemen. Het wordt beschouwd als een autonoom voertuig van niveau 2. Bijna alle experts op het gebied van auto-autonomie – met de opvallende uitzondering van Elon Musk – geloven dat lidar noodzakelijk is om echte “slaap achter het stuur” niveau 4-autonomie te bereiken.

En dat is een enorm probleem als jij of ik ooit hopen er een te bezitten. Het zilver Velodyne HDL-64E je ziet dat bovenop veel testauto's $ 75.000 kost. Zelfs het ‘budget’ Puck-model van het bedrijf kost $ 8.000. En dit is geen onderdeel waarop u wilt bezuinigen. Stel je voor dat je autoruiten zwart worden bij 130 km/uur, en je hebt een redelijk goed idee hoe het verliezen van lidar er op de computer uit zou zien in een zelfrijdende auto.

Zoals alle technologie is lidar in de loop van de tijd goedkoper geworden, maar de vereiste precisie en de enorme draaiende onderdelen zijn nog steeds aanwezig elektromechanische lidar betekent dat het niet elk jaar goedkoper, kleiner en beter kan worden op dezelfde manier als de processor in je telefoon of computer doet.

Maar wat als… je lidar alleen van silicium zou kunnen maken? Haal alle bewegende stukken weg en de toekomst begint er een stuk rooskleuriger uit te zien.

Welkom in de vaste staat

Solid-state elektronica, die per definitie geen bewegende delen heeft, heeft de manier veranderd waarop we alles doen, van het bijhouden van de tijd tot het luisteren naar muziek. Weet je nog hoe draagbare cd-spelers vroeger oversloegen? Dat is wat er gebeurt als je op een laser vertrouwt om microscopisch kleine groeven in een draaiende schijf te lezen. Maar je kunt je smartphone in een verfschudder en toch naar Kanye luisteren, omdat de muziek is opgeslagen op solid-state geheugenchips die het niet erg vinden om door elkaar geschud te worden. Lidar gaat dezelfde kant op.

Net als draagbare cd-spelers is een draaiende elektromechanische lidar niet ideaal. "Nummer één: ze zijn groot", zegt Tapley. ‘Nummer twee: ze zijn duur. Met solid-state lidar kunnen we kleiner worden, beter in de voertuigen verpakken en de kosten verlagen.”

Hoe beweeg je licht zonder een lens of spiegel te bewegen? Hoe komt lidar in vaste toestand? Ingenieurs hebben een aantal ronduit geniale manieren bedacht.

De eerste wordt gebeld flash lidar. “Flits is eigenlijk de plek waar je een lichtbron hebt en die lichtbron overspoelt het hele gezichtsveld één keer met behulp van een puls”, legt Tapley uit. “Een time-of-flight-imager ontvangt dat licht en kan het beeld schetsen van wat hij ziet.” Zie het als een camera die afstand ziet in plaats van kleur.

Maar die eenvoud brengt enkele haken en ogen met zich mee. Om heel ver te kunnen zien, heb je een krachtige lichtflits nodig, wat het duurder maakt. En dat kan het licht niet zijn zo krachtig dat het het menselijk netvlies beschadigt, wat het bereik beperkt. Eén oplossing is om licht te blazen op een specifieke, onzichtbare golflengte die geen invloed heeft op de menselijke ogen. Perfect! Totdat je nog een ander probleem tegenkomt: goedkope siliciumbeeldsensoren zullen geen lichtstoten in het oogveilige spectrum ‘lezen’. Je hebt dure gallium-arsenide-imagers nodig, die de kosten van deze systemen tot wel $200.000 kunnen opdrijven.

“Je hebt een extreem krachtige lichtbron nodig, of een extreem gevoelige ontvanger, en als je die dingen niet hebt, dan heb je een beperkt bereik”, zegt Tapley. Het is misschien perfect voor overheidsvliegtuigen die gedetailleerde luchtonderzoeken uitvoeren, maar flash-lidar is waarschijnlijk niet geschikt voor uw Corolla.

Stel fasers in om te scannen

Gelukkig is er een andere manier. Louay Eldada heeft het probleem aangepakt sinds hij begin jaren negentig promoveerde in de opto-elektronica; en vandaag rent hij Quanergie, een van de meest vooraanstaande spelers op het gebied van solid-state lidar. Eldada en zijn team kozen voor een andere aanpak door te kijken naar hoe radar werkt. Het is tenslotte een nauwe neef van lidar. Het bleek dat radar net als lidar draaide, totdat wetenschappers een briljante oplossing ontwikkelden die bekend staat als de phased array.

Een phased array kan radiogolven in elke richting uitzenden – zonder in cirkels te draaien – door gebruik te maken van een microscopisch kleine array van individuele antennes die op een specifieke manier zijn gesynchroniseerd. Door de timing – of fase – te regelen tussen elke antenne die zijn signaal uitzendt, kunnen ingenieurs één samenhangend signaal in een specifieke richting ‘sturen’.

Phased arrays worden al sinds de jaren vijftig bij radar gebruikt. Maar Eldada en zijn team ontdekten hoe ze dezelfde techniek met licht konden gebruiken. “We hebben een groot aantal, doorgaans een miljoen, optische antenne-elementen”, legt Eldada uit. “Op basis van hun gefaseerde relatie met elkaar vormen ze een stralingspatroon, of vlek, die een bepaalde grootte heeft en in een bepaalde richting wijst.”

Door op intelligente wijze de precieze flits van een miljoen individuele zenders te timen, kan Quanergy licht ‘sturen’ met alleen silicium. “Het interferentie-effect bepaalt in welke richting het licht gaat, en niet een bewegende spiegel of lens”, legt Eldada uit.

Dat betekent dat het nest van optica en motoren in een lidar-emmer van $ 75.000 verdwijnt, en dat je alleen maar chips overhoudt. Op dit moment gebruikt Quanergy verschillende chips en verkoopt het pakket voor $900, maar toekomstige versies zullen één enkele chip worden. “Op dat moment zal onze verkoopprijs onder de $ 100 liggen”, voorspelt Eldada.

Solid state is niet alleen goedkoper, het is ook beter. “Doordat je de vorm van de lens effectief kunt veranderen in elke gewenste vorm, kun je in- en uitzoomen”, legt Eldada uit. “Stel je voor dat je naar een object in je rijstrook kijkt en in hoge resolutie wilt definiëren wat het is. Je verkleint de vlekgrootte en stelt vast dat het een hert is, een band, een matras die van een vrachtwagen is gevallen. Tegelijkertijd kun je heen en weer schakelen tussen dat doen en naar de grote scène kijken.” Dit ‘hoppen’ kan meerdere keren gebeuren keer per seconde zonder dat de bestuurder het zelfs maar weet, terwijl een algoritme de leiding neemt en bepaalt wat een afsluiting verdient Look.

Solid-state-apparaten gaan ook langer mee. Elektromechanische lidar kan tussen de 1.000 en 2.000 uur werken voordat deze kapot gaat. Met de gemiddelde Amerikaanse uitgaven 293 uur in een auto per jaar, zouden de meesten van ons uiteindelijk onze lidar vervangen vóór onze banden. Quanergy beweert dat zijn solid-state lidar 100.000 uur zal meegaan – meer dan de meeste auto’s ooit zullen rijden.

Spiegeltje spiegeltje aan de wand

Flash en optische phased arrays zijn eigenlijk de enige WAAR lidar in vaste toestand. Maar er is een derde nieuwe manier om lidar te doen: het roodharige stiefkind dat bekend staat als micro-elektromechanische spiegels – of MEMS-spiegels.

Zoals het ‘mechanische’ in ‘micro-elektromechanisch’ suggereert, zijn er bewegende delen, dus MEMS-spiegels zijn niet echt solid-state. Maar ze zijn ook zo klein dat de technologie nog steeds een verbetering vertegenwoordigt ten opzichte van grootschalige elektromechanische lidar.

“De architectuur is heel eenvoudig”, legt Tapley uit. “Je hebt één laser, één spiegel.” De laser vuurt in de zeer kleine spiegel, die ronddraait als een tol, en zorgt voor de rotatie die conventionele lidar krijgt als hij een hele emmer ronddraait.

Het is eenvoudig genoeg, totdat je de laser op en neer wilt bewegen en in cirkels wilt draaien. Dan moet je het van een andere spiegel 'cascaderen', die om een ​​andere as draait. Of u kunt meerdere lasers op één spiegel schieten. Hoe dan ook, de kosten en complexiteit beginnen toe te nemen.

“Ervoor zorgen dat alles perfect op elkaar is afgestemd, zorgt voor uitdagingen”, legt Tapley uit. “Als je deze laser in een spiegel hebt die op beide assen draait, kan hij daar soms gevoelig voor zijn schokken en trillingen.” Je weet wel, zoals het type dat je in een auto aantreft, die op 70-jarige leeftijd over de weg stuitert km/u.

Eldada wijst op andere kwesties. “Micro MEM-spiegels raken uit de pas. Ze handhaven geen kalibratie. Als er grote temperatuurschommelingen optreden, moeten deze gedurende de levensduur opnieuw worden gekalibreerd.”

“Als de spiegels vastlopen, heb je een probleem met de oogveiligheid”, benadrukt hij. En zonlicht kan zijn eigen schade aanrichten. "Je hebt grote problemen als je naar de zon kijkt", zegt Eldada. “Het zonlicht zal erop vallen, het licht zal gereflecteerd worden in de lidar, de detectoren verzadigen en het signaal overstemmen.”

Met zoveel verschillen tussen alle drie de typen lidar van de volgende generatie, dekt Aptiv zijn weddenschappen af ​​door met ze allemaal te werken en erin te investeren. “Elk heeft verschillende afwegingen ten aanzien van gezichtsveld, bereik en resolutie”, legt Tapley uit. “Afhankelijk van waar die lidar op het voertuig wordt geplaatst, zal dat bepalen welke van deze de belangrijkste moet zijn.”

Zijwaarts gerichte lidar heeft bijvoorbeeld misschien niet het bereik nodig dat de naar voren gerichte lidar wel heeft. Door de variëteit te mixen en matchen hoopt Aptiv het beste van alle werelden te benutten.

Waar is mijn zelfrijdende auto?

In 1999 introduceerde Jaguar de eerste op radar gebaseerde cruisecontrol in de XK, een coupé die in hedendaagse dollars voor ongeveer $ 100.000 werd verkocht. Destijds waren de sensoren zo duur dat, zoals Tapley vertelt: “Mensen er grappen over maakten dat je bij elke radaraankoop een gratis Jag kreeg.”

Tegenwoordig kun je dezelfde functie krijgen in een Corolla van $ 18.000. “Met lidar zitten we ongeveer op dezelfde leercurve”, zegt ze. “Totdat solid state volwassen wordt en in massaproductie gaat, zullen deze voertuigen behoorlijk onbetaalbaar worden voor de gemiddelde consument om te bezitten.”

De solid-state lidar-sensor van Quanergy ter waarde van $ 900 helpt dit mogelijk te maken. De komende Fisker-emotie zal bij aankomst in 2019 het eerste voertuig zijn dat de straat op gaat met deze sensoren erin (vijf stuks). Ze zijn niet groter dan de accu van een accuboormachine, zitten verborgen in ventilatieopeningen, verborgen achter chromen roosters en zijn totaal onzichtbaar, tenzij je ernaar op zoek bent. Ver verwijderd van de draaiende emmers van gisteren.

Eldada gelooft dat we al in 2020 autonome auto’s van niveau 4 zullen zien van een notoir “agressieve” Amerikaanse fabrikant. “In 2021, 2022 zul je er nog een aantal zien. 2023 is het grote jaar. De meeste autofabrikanten zullen zelfrijdende auto’s hebben.”

Hoewel de Fisker een prijs van $ 130.000 zal kosten, zou hij uiteindelijk veel op de Jaguar XK uit 1999 kunnen gaan lijken: een dure voorbode van toekomstige technologie. Uiteindelijk betekent solid-state lidar dat zelfrijdende auto’s niet alleen robochauffeurs zullen zijn voor de rijken. “Het betekent dat iedereen een zelfrijdende auto kan hebben”, zegt Eldada. “Het geldt niet alleen voor de Mercedes S-Klasse en BMW 7 Serie. Dit betekent dat mensen die Toyota Corollas besturen, ook zelfrijdende auto’s zullen hebben.”

En hoe fundamenteel die verschuiving ook mag klinken, auto's kunnen nog maar het begin zijn van solid-state lidar. “Je zult het zien in apparaten, je zult het zien in wearables, in de helmen van brandweerlieden en soldaten. De toepassingen zijn vrijwel onbeperkt.”

Aanbevelingen van de redactie

• Volkswagen lanceert zijn eigen testprogramma voor zelfrijdende auto's in de VS.
• Robotaxis heeft een passagiersprobleem waar niemand aan dacht
• Ford en VW sluiten de autonome auto-eenheid Argo AI
• Nvidia’s Drive Concierge vult uw auto met schermen
• De robottaxi's van Cruise rijden naar Arizona en Texas