LIDAR, lasere og logikk: Anatomien til et autonomt kjøretøy

Autonome kjøretøy har fått mye oppmerksomhet i det siste, og hvis dette varer CES profeterte hva som helst, det er at denne teknologitrenden har noen alvorlige kjørelengder. Med selskaper som Audi, Lexus, og Google Når vi utforsker måter å skyve kjøreopplevelsen inn i det 21. århundre, er vi ikke langt fra en fremtid der kjøring utføres med maskin – ikke mennesker. Men før du kan skynde deg ut til din lokale forhandler (bare tuller; ingen av disse er hos din lokale forhandler) for å få et glimt av våre automatiserte overherrer, kommer du til å legge merke til en slående likhet på tvers av praktisk talt alle modeller: LIDAR. Vi vet hva du tenker: Hva-DAR?

Frikkin lasere

En av de mest integrerte, dyre og merkbare utstyrsdelene som finnes i et autonomt kjøretøy er den takmonterte, Death Star-lignende LIDAR-sensoren. LIDAR, som står for Light Detection and Ranging, er en fjernmålingsteknologi som måler og kartlegger avstanden til mål, samt andre egenskapsegenskaper til objekter i veien. LIDAR kartlegger i hovedsak omgivelsene ved å belyse målene med laserlys og deretter analysere lyset for å lage et digitalt bilde med høy oppløsning.

Mens LIDAR-sensorer brukes i praktisk talt alle autonome forskningskjøretøyer, har teknologien allerede vist seg i biler med adaptive cruise control-systemer (ACC).

I kjøretøy med ACC brukes en LIDAR-enhet montert foran på kjøretøyet, som støtfangeren, for å overvåke avstanden mellom kjøretøyet og enhver bil foran det. Hvis kjøretøyet foran bremser eller kommer for nært, setter ACC på bremsene uavhengig for å bremse kjøretøyet. Når veiforholdene åpner seg, lar ACC et kjøretøy akselerere til en hastighet som er forhåndsinnstilt av sjåføren. Se min anmeldelse av 2013 Mercedes SL550 for et eksempel på et kjøretøy med adaptiv cruisekontroll.

Takmonterte LIDAR-sensorer fungerer imidlertid litt annerledes og oppfører seg på samme måte som det du vil se på toppen av en satellittinstallasjon på en flyplass eller ombord på et lite fiskefartøy.

Her har vi en lavtsnurrende tallerken (for eksempel 1 rpm) som samler lang rekkevidde, lavoppløselig målretting av andre objekter (andre fartøy eller fly for eksempel). Denne lavoppløselige tilbakemeldingen kan fungere for stasjonære installasjoner, men kjøretøy trenger mye høyere oppløsning og mye nærmere rekkevidde.

Selv om det ikke er offisielle tall, regner turtallet med for eksempel, Lexus sitt AASRV-kjøretøy, vist på CES, kan spinne ved 600 rpm. Denne økningen i rpm lar kjøretøyet kartlegge omgivelsene med større detalj, hastighet (mindre enn en dusin millisekunder), og nøyaktighet, som er avgjørende på en vei der forholdene er konstant endres.

Foreløpig bygges ikke LIDAR-sensorer internt, men de er kommersielt tilgjengelige – og dyre. Å så veldig dyrt. En førsteklasses Velodyne-sensor, for eksempel, kan hente $70 000 per pop og kan bli funnet hypnotisk på toppen av Googles, Lexus' og Audis forskningskjøretøyer.

Veikart til autonomi

LIDAR kan være det mest iøynefallende stykket av førerløs teknologi, men som Paul Williamsen, Global Manager of Education and Training for Lexus International, forteller meg, omfatter anatomien til autonome kjøretøy, inkludert LIDAR, fire relativt brede domener:

• Å lage et kjøretøy der du kan kontrollere styringen, krafttilførselen og bruddet – alt automatisk.
• Teknologi som lar kjøretøyet føle miljøet rundt det
• Behandlingen – hva bestemmer kjøretøyet, hvilke beslutninger tar det basert på sansingen av hva som skjer rundt det
• Resultatet – hvilke handlinger gjør kjøretøyet basert på den behandlingen

Fremtidens bølge

I tillegg til at LIDAR gir sensorisk tilbakemelding, bruker autonome kjøretøy en ikke-så-ny teknologi kalt millimeterbølgeradar, som involverer forskjellige infrarøde og optiske sensorer plassert foran, på sidene og bak kvartaler av et kjøretøy.

Som du uten tvil husker fra naturfagklassen på videregående, sender millimeterbølgeradar ut ekstremt høy frekvens (kort) bølgelengder, som er ideell for å oppdage gjenstander (biler, fotgjengere og store dyr) i et kjøretøys umiddelbare nærhet.

Infrarøde og optiske sensorer har allerede stor betydning i dagens Audi-, Lexus-, Acura-, Subaru- og Mercedes-biler. Lexus’ 2013 LS 460, for eksempel, har det som kalles et avansert pre-kollisjonssystem (A-PCS). Dette fungerer sammen med millimeterbølgeradar, frontvendt nær infrarøde projektorer og et frontmontert stereokamera. I hovedsak er A-PCS designet for å unngå kollisjoner i lav hastighet ved å skanne kjøretøyer i nær-til-fjern nærhet, bestemme potensielle kollisjoner, og sende ut audiovisuelle indikatorer hvis en fare er til stede, og til slutt operere autonomt ved å bruke nødbremsing mottiltak.

Som du kan se, er autonom kjøretøyteknologi en blanding av sanse- og prosesseringsprotokoller. Mens millimeterbølgeradarsensorer kan plasseres i og rundt kjøretøyet, er slike eksempler som de som er sett på både Google- og Lexus-prototyper, har vanligvis enda flere sensorer hengt fra brakettene på kjøretøyets støtfangere. Disse gir enda bedre radarføling til sidene av kjøretøyet, i motsetning til bare fronten. På denne måten kan informasjon samles nøyaktig i tilstøtende kjørefelt, tverrgater og kryss.

Hjernen til gjengen

Selvfølgelig må all denne informasjonen samles inn og behandles, og det er grunnen til at autonome kjøretøy nå og i fremtiden vil benytte seg av relativt kraftige datamaskiner ombord. Som Lexus' Paul Williamsen forklarer, "Kjøretøyet vi viste på CES har faktisk en rekke kraftige datamaskiner i bagasjerommet på bilen, datamaskiner som du og jeg kan ha på skrivebordet ditt."

I motsetning til dette er datamaskinene som for tiden opptar plass i kjøretøyene våre relativt uvitende til sammenligning, som Williamsen forklarer videre, "den kraftigste datamaskin i et konvensjonelt kjøretøy er en veldig enkel datamaskin, fordi vi trenger absolutt fullstendig pålitelighet, de kjører med en ganske lav klokkehastighet, de kjører med en ganske lav mengde minne, og med et ganske enkelt antall ord i den totale programmeringen, og det er fordi vi trenger absolutte båtankernivåer på pålitelighet"

"For forskning på autonome kjøretøy bruker vi datamaskiner... som er hundrevis eller tusenvis av ganger kraftigere for å utføre behandlingen, for å sette sammen informasjonen til de komplekse LIDAR-bildene og informasjonen vi får fra flere millimeterbølgeradarsensorer.»

Kjøring, minus sjåføren

Så vi har LIDAR, vi har millimeterbølgeradar, og vi har en mektig Autobot-hjerne som driver showet. Men hva er det egentlig som driver digital Miss Daisy? For at et autonomt kjøretøy skal fungere, må det styres elektronisk, automatisk, eller for å låne et mye mer science-fiction-begrep, robotisk. Disse "robotene" vil ikke styrte regjeringen, men i stedet ta over alle detaljene ved kjøring. Mer enn det, de trenger alle å jobbe unisont og, kanskje enda viktigere, uavhengig av menneskelig innsats.

I Toyota/Lexus’ tilfelle har kjøretøyene, nemlig hybridbilene, allerede det selskapet refererer til som et "sofistikert hybridsystem" som er i stand til elektronisk å kontrollere bremsing, styring og akselerasjon. Dette bestemte domenet for autonom kjøretøyteknologi er viktig, og er en av grunnene til at Google bruker Toyota/Lexus-hybrider. Ved å gjøre det trenger ikke internettgiganten å utvikle sitt eget elektronisk kontrollerte grensesnitt, men i stedet ganske enkelt finne ut en måte å reversere kommunikasjonen som lar den lage forskjellige styringer, gass og bremsing kommandoer.

Mens LIDAR absolutt er den mest visuelt fremtredende delen av førerløs teknologi, er alle aspekter av et autonomt kjøretøy delikat sammenvevd med dette spinnende midtpunktet. De automatiserte styrekontrollene avhenger av millimeterbølgeradaren, mens takmontert LIDAR på frenetisk vis samler inn og kartlegger viktig informasjon. Denne informasjonen må behandles, beregnes og til slutt føres tilbake til de automatiserte kontrollene; dermed fullføre denne halcyon-sirkelen av biltrolldom.

Redaktørenes anbefalinger

• Hvordan en stor blå varebil fra 1986 banet vei for selvkjørende biler
• Apple Car vil være helt autonom uten førerinndata, hevder innsidere
• Ford avslører kjøretøyet som er bestemt for sine autonome biltjenester
• Ta en tur i Audis AI: Meg, fremtidens autonome bybil
• Californians innbyggere kan nå få dagligvarene levert av autonome kjøretøy