Solid State Lidar: Nøkkelen til billige selvkjørende biler

Har du noen gang lagt merke til hvordan selvkjørende biler ender opp med noen rare hatter?

De tidligste selvkjørende militærlastebilene så ut som de hadde snurrende kaffebokser på toppen. Carnegie Mellon ikonisk selvkjørende Hummer ble toppet av en gigantisk pingpongball. Waymos smiley lille prototype bærer en sireneformet kuppel som får den til å se ut som verdens mest bedårende politibil.

Inne i alle tre er omtrent et dusin lasere, som skyter gjennom teleskopoptikk, slenger rundt hundrevis av ganger per minutt, for å generere 300 000 datapunkter per sekund. Det kalles lidar, og uten det ville alle disse bilene vært blinde. Det er også en av de største grunnene til at du ikke har en selvkjørende bil i oppkjørselen akkurat nå. Til rundt 75 000 dollar kan en enkelt lidar lett koste mer enn bilen den kjører på. Og det er bare én ingrediens i den selvkjørende suppen.

Men en ny teknologi dukker opp overalt i år: Solid-state lidar. Uten bevegelige deler lover den å gi selvkjørende biler skarpere, bedre sikt, til en brøkdel av prisen for gamle, elektromekaniske systemer. Solid-state lidar vil bane vei for de første selvkjørende bilene du faktisk har råd til. Her er hvordan det fungerer – og hva som er rett rundt hjørnet.

Hvordan lidar fungerer

Begrepet «lidar» kommer fra å blande sammen «lys» og «radar», som også er en praktisk måte å forstå det på fordi … vel, det er radar, men med lys.

En oppfriskning fra fysikk på videregående skole: Radar spretter en puls av radiobølger fra et objekt, som et fly, for å bestemme hvor langt unna det er, basert på hvor lang tid det tar før pulsen spretter tilbake. Lidar bruker en lyspuls fra en laser for å gjøre det samme.

Ta nok av disse laserne, snurr dem i en sirkel, og du ender opp med en tredimensjonal "punktsky" av verden rundt deg. Du har sikkert sett disse regnbuefargede prikkene som viser bylandskap, fjell og til og med Thom Yorkes syngende, kroppsløse hode i Radiohead sin Korthus musikkvideo. Det 360-graders 3D-kartet er som en Rosetta-stein for en selvkjørende bil, og lar den tyde verden rundt seg.

"Du trenger en kombinasjon av kameraer, radar og lidar for å lage et selvkjørende system," forklarer Jada Tapley, VP of Advanced Engineering hos Aptiv. Hun ville vite det. Aptiv bygde autonome Lyft-biler som fraktet deltakere rundt i Las Vegas for CES 2018. I den verste grusen byen ser hele året. Og monsunlignende forhold. Med null ulykker.

Disse bilene hadde ni lidarer, ti radarer og fire kameraer. En kombinasjon av alle tre lar den kjøre seg selv, men lidar utfører den avgjørende funksjonen ingeniører kaller lokalisering. "Det er viktig for kjøretøyet å kunne identifisere seg med en veldig høy grad av nøyaktighet hvor det er på kartet," forklarer Tapley. "Vi bruker lidaren vår til å gjøre det."

Autonome bilnivåer forklart
Internasjonale ingeniørorganisasjoner har bestemt seg for seks automatiseringsnivåer for å snakke om utviklingen vi vil se mellom dumme biler og fullstendig autonomi.

Nivå 0: Ingen autonomi
Dette er bilen du sannsynligvis allerede eier. Slutt å sende tekstmeldinger! Du må gjøre alt.
Nivå 1: Hands on
Bilen din vil hjelpe deg i enkelte scenarier, som adaptiv cruisekontroll som bremser deg ned på motorveien når bilen foran deg gjør det.
Nivå 2: Hands off
Bilen din kan kjøre akkurat som du gjør – under de riktige omstendighetene, som Tesla Autopilot på en delt, merket motorvei.
Nivå 3: Øynene av
Gå videre og send den teksten; denne bilen vil ikke krasje hvis den ikke har oppmerksomheten din. Men du må fortsatt ta tak i rattet hvis ting blir komplisert, som med Audi Traffic Jam Pilot.
Nivå 4: Pass på
Gå i dvale; bilen din er under kontroll. Men du må fortsatt sitte bak et hjul i tilfelle.
Nivå 5: Total autonomi
Bilen din har ikke noe ratt, fordi den kan kjøre bedre enn du kan i alle scenarier. Gå og sett deg bakerst, svakt menneske.

Mens GPS kan begrense posisjonen din til en sirkel rundt 16 fot i diameter, kan lidar gjøre det innenfor en sirkel fire tommer i diameter. Det er bedre enn mange sjåfører kan klare. Tapley husker en gruppe storøyde journalister som krympet seg da Aptivs autonome bil kjørte forbi en parkert buss i Las Vegas. Det trengte de ikke - fordi bilen visste at det var god plass. "Som mennesker blir vi skremt, spesielt av store, store kjøretøy som busser eller semibiler. Så vi har en tendens til å gå litt bort fra dem, forklarer hun. "Men et autonomt kjøretøy trenger ikke å gjøre det."

Mens kameraer kan identifisere objekter, og radar kan fortelle hvor langt unna de er, kan lidar oppnå begge deler med en grad av presisjon som verken kan berøre. "Tenk deg at det er et 18-hjuls dekkmønster midt på veien," sier Tapley. "Radar vil ikke oppdage det. Lidar vil.»

Derfor må en Tesla Model S, som har både kameraer og radar, men ingen lidar, ha en sjåfør som er forberedt på å ta rattet når som helst. Det regnes som et autonomt kjøretøy på nivå 2. Nesten alle bilautonomieksperter — med skremmende unntak av Elon Musk — tror lidar er nødvendig for å oppnå ekte "søvn bak rattet" nivå 4 autonomi.

Og det er et enormt problem hvis du eller jeg noen gang håper å eie en. Sølvet Velodyne HDL-64E du ser på toppen av mange testbiler koster $75.000. Selv selskapets "budsjett" Puck-modell kjører $8000. Og dette er ikke en del du kan ønske å spare på. Se for deg bilvinduene dine blir svarte i 80 mph, og du har en ganske god ide om hvordan det å miste lidar ville se ut for datamaskinen i en selvkjørende bil.

Som all teknologi har lidar blitt billigere over tid, men presisjonen kreves og massive spinnende deler inn elektromekanisk lidar betyr at den ikke kan bli billigere, mindre og bedre hvert år på samme måte som prosessoren i telefonen eller datamaskinen gjør det.

Men hva om … du kunne lage lidar av kun silisium? Ta bort alle de bevegelige brikkene, og fremtiden begynner å se mye lysere ut.

Velkommen til solid state

Solid-state elektronikk, som per definisjon ikke har noen bevegelige deler, har endret måten vi gjør alt fra å holde styr på tiden til å lytte til musikk. Husker du hvordan bærbare CD-spillere pleide å hoppe over? Det er det som skjer når du stoler på en laser for å lese mikroskopiske riller i en roterende skive. Men du kan sette din smarttelefon i en malingshaker og fortsatt lytte til Kanye, fordi musikken er lagret på solid-state minnebrikker som ikke har noe imot å bli ristet opp. Lidar er på vei i samme retning.

I likhet med bærbare CD-spillere er ikke spinning av elektromekanisk lidar ideelt. "Nummer én, de er store," sier Tapley. «Nummer to, de er dyre. Solid-state lidar lar oss bli mindre, pakke bedre inn i kjøretøyene og redusere kostnadene."

Hvordan flytter du lys rundt uten å flytte en linse eller et speil? Hvordan kommer lidar til fast tilstand? Ingeniører har utviklet noen direkte geniale måter.

Den første heter blits lidar. "Blits er i utgangspunktet der du har en lyskilde, og den lyskilden oversvømmer hele synsfeltet én gang ved hjelp av en puls," forklarer Tapley. "En time-of-flight-kamera mottar det lyset og er i stand til å male bildet av det den ser." Tenk på det som et kamera som ser avstand i stedet for farger.

Men den enkelheten kommer med noen ulemper. For å se veldig langt trenger du et kraftig lysutbrudd, noe som gjør det dyrere. Og lyset kan ikke være det så kraftig at det skader menneskelige netthinner, noe som begrenser rekkevidden. En løsning er å sprenge lys ved en spesifikk, usynlig bølgelengde som ikke påvirker menneskelige øyne. Perfekt! Inntil du støter på nok en hake: Billig silisiumbildeapparat vil ikke "lese" lysstøt i det øyesikre spekteret. Du trenger dyre gallium-arsenid-bildeapparater, som kan øke kostnadene for disse systemene så høyt som $200 000.

"Du må ha en ekstremt kraftig lyskilde, eller en ekstremt følsom mottaker, og hvis du ikke har disse tingene, har du denne begrensede rekkevidden," sier Tapley. Det kan være perfekt for regjeringsfly som utfører detaljerte luftundersøkelser, men flash lidar er sannsynligvis ikke egnet for din Corolla.

Sett phasers til å skanne

Heldigvis er det en annen måte. Louay Eldada har tatt knekken på problemet siden han tok doktorgraden i optoelektronikk tidlig på 90-tallet; og i dag løper han Quanergi, en av de fremste spillerne i solid-state lidar. Eldada og teamet hans utledet en annen tilnærming ved å se på hvordan radaren fungerer. Det er tross alt en nær fetter av lidar. Som det viser seg, pleide radar å snurre akkurat som lidar, inntil forskere utviklet en strålende løsning kjent som den fasede arrayen.

En faset array kan kringkaste radiobølger i alle retninger - uten å snurre i sirkler - ved å bruke en mikroskopisk rekke individuelle antenner synkronisert på en bestemt måte. Ved å kontrollere timingen - eller fasen - mellom hver antenne som sender signalet sitt, kan ingeniører "styre" ett sammenhengende signal i en bestemt retning.

Fasede arrays har vært i bruk i radar siden 1950-tallet. Men Eldada og teamet hans fant ut hvordan de kunne bruke den samme teknikken med lys. "Vi har et stort antall, vanligvis en million, optiske antenneelementer," forklarer Eldada. "Basert på deres faseforhold mellom hverandre, danner de et strålingsmønster, eller flekk, som har en viss størrelse og peker i en bestemt retning."

Ved intelligent timing av det nøyaktige blinket til en million individuelle sendere, kan Quanergy "styre" lys ved å bruke bare silisium. "Interferenseffekten bestemmer i hvilken retning lyset går, ikke et bevegelig speil eller linse," forklarer Eldada.

Det betyr at reiret av optikk og motorer i en lidarbøtte på $75 000 forsvinner, og du sitter igjen med bare sjetonger. Akkurat nå bruker Quanergy flere sjetonger og selger pakken for $900, men fremtidige versjoner vil bli en enkelt chip. "På det tidspunktet vil salgsprisen vår bli under $100," spår Eldada.

Solid state er ikke bare billigere, det er bedre. "Ved å kunne endre formen på objektivet til hvilken som helst form du ønsker, kan du zoome inn og ut," forklarer Eldada. "Så forestill deg at du ser på et objekt i banen din, og du vil definere i høy oppløsning hva det er. Du reduserer spotstørrelsen og fastslår at det er en hjort, det er et dekk, det er en madrass som falt av en lastebil. Samtidig kan du hoppe mellom å gjøre det og se på den store scenen.» Denne "hoppingen" kan skje flere ganger ganger per sekund uten at en sjåfør selv vet det, som en algoritme kaller skuddene og bestemmer hva som fortjener en nærmere se.

Solid-state enheter varer også lenger. Elektromekanisk lidar kan kjøre i mellom 1000 og 2000 timer før feil. Med gjennomsnittlig amerikanske utgifter 293 timer i bil i året, ville de fleste av oss ende opp med å bytte ut lidaren før dekkene. Quanergy hevder at solid-state lidar vil kjøre i 100 000 timer - mer enn de fleste biler noen gang vil kjøre.

Speil speil på veggen der

Flash og optiske fasede arrays er egentlig de eneste ekte solid-state lidar. Men det er en tredje ny måte å gjøre lidar på, det rødhodede stebarnet kjent som mikroelektromekaniske speil - eller MEMS-speil.

Som det "mekaniske" i "mikroelektromekanisk" antyder, er det bevegelige deler, så MEMS-speil er ikke virkelig solid-state. Men de er også så små at teknologien fortsatt representerer en forbedring i forhold til storskala elektromekanisk lidar.

"Arkitekturen er veldig enkel," forklarer Tapley. "Du har en laser, ett speil." Laseren skyter inn i det veldig lille speilet, som snurrer som en topp, og gir rotasjonen som konvensjonell lidar får ved å snurre en hel bøtte rundt.

Det er enkelt nok, helt til du vil flytte laseren opp og ned i tillegg til å spinne i sirkler. Deretter må du "kaskade" det fra et annet speil, som snurrer på en annen akse. Eller du kan skyte flere lasere mot ett speil. Uansett begynner kostnadene og kompleksiteten å bygge seg opp.

"Å sørge for at alt er perfekt justert skaper utfordringer," forklarer Tapley. "Hvis du har denne laseren i et speil som roterer på begge akser, kan den noen ganger være utsatt for sjokk og vibrasjoner." Du vet, som typen du kan finne i en bil, spretter nedover veien ved 70-tiden mph.

Eldada peker på andre saker. "Micro MEM-speil driver ut av justering. De opprettholder ikke kalibrering. Når det er store endringer i temperaturen, må de kalibreres på nytt i løpet av levetiden.»

"Hvis speilene setter seg fast, har du et øyesikkerhetsproblem," påpeker han. Og sollys kan skape sin egen ødeleggelse. "Du har store problemer når du møter solen," sier Eldada. "Sollyset kommer til å treffe det, lyset kommer til å bli reflektert inne i lidaren, og mette detektorene og overdøve signalet."

Med så mange forskjeller mellom alle tre typene av neste generasjons lidar, sikrer Aptiv innsatsene sine ved å jobbe med – og investere i – dem alle. "Hver har forskjellige avveininger i forhold til synsfelt, rekkevidde og oppløsning," forklarer Tapley. "Avhengig av hvor den lidaren er plassert på kjøretøyet, vil det diktere hvilken av disse som må være den viktigste."

Sidevendt lidar, for eksempel, trenger kanskje ikke rekkevidden som frontvendt lidar gjør. Ved å blande og matche mellom variantene håper Aptiv å utnytte det beste fra alle verdener.

Så hvor er min selvkjørende bil?

I 1999 introduserte Jaguar den første radarbaserte cruisekontrollen i XK, en kupé som solgte for rundt 100 000 dollar i dagens dollar. På den tiden var sensorene så dyre at som Tapley forteller det: "Folk spøkte med at du fikk en gratis Jag med hvert radarkjøp."

I dag kan du få den samme funksjonen i en Corolla på $18 000. “Vi er på en måte på den samme læringskurven med lidar, sier hun. "Inntil solid state blir moden og går inn i masseproduksjon, vil disse kjøretøyene være ganske uoverkommelige for en gjennomsnittlig forbruker å eie."

Quanergys solid-state lidar-sensor på $900 hjelper til med å få det til. Den kommende Fisker EMotion vil være det første kjøretøyet som kommer ut i gatene med disse sensorene inne - fem av dem - når det ankommer i 2019. Ikke større enn batteripakken for en batteridrevet drill, er de begravet i ventiler, skjult bak kromgitter og helt usynlige med mindre du leter etter dem. Langt fra gårsdagens snurrende bøtte.

Eldada tror vi vil se nivå 4 autonome biler fra en notorisk "aggressiv" amerikansk produsent så tidlig som i 2020. "2021, 2022, du vil se flere. 2023 er det store året. De fleste bilprodusenter vil ha selvkjørende biler."

Mens Fisker vil bli priset til 130 000 dollar, kan den ende opp med å se mye ut som Jaguar XK fra 1999: En dyr forkynner for teknologi som kommer. Til syvende og sist betyr solid-state lidar at selvkjørende biler ikke bare vil være robochauffører for de velstående. "Det betyr at alle kan ha en selvkjørende bil," sier Eldada. "Det er ikke bare for Mercedes S-klasse og BMW 7-serie. Dette betyr at folk som kjører Toyota Corollas også vil ha selvkjørende biler.»

Og hvor grunnleggende det skiftet enn kan høres ut, kan biler bare være begynnelsen for solid-state lidar. "Du vil se det i enheter, du vil se det i wearables, i hjelmene til brannmenn og soldater. Søknadene er nesten ubegrensede."

Redaktørenes anbefalinger

• Volkswagen lanserer sitt eget selvkjørende biltestprogram i USA.
• Robotaxis har et passasjerproblem som ingen tenkte på
• Ford og VW legger ned Argo AI autonom bilenhet
• Nvidias Drive Concierge vil fylle bilen din med skjermer
• Cruises robottaxier drar til Arizona og Texas