Lidar półprzewodnikowy: klucz do tanich samochodów autonomicznych

Czy zauważyłeś, jak samochody autonomiczne noszą dziwne kapelusze?

Pierwsze autonomiczne ciężarówki wojskowe wyglądały, jakby miały na górze obracające się puszki z kawą. Carnegie Mellon’s kultowy, autonomiczny Hummer zwieńczona została gigantyczną piłką pingpongową. Mały, uśmiechnięty prototyp Waymo ma kopułę w kształcie syreny, dzięki czemu wygląda jak najbardziej uroczy radiowóz na świecie.

Wewnątrz wszystkich trzech znajduje się około tuzina laserów strzelających przez optykę klasy teleskopowej, wykonujących setki razy na minutę, aby wygenerować 300 000 punktów danych na sekundę. Nazywa się lidar i bez niego wszystkie te samochody byłyby ślepe. Jest to również jeden z głównych powodów, dla których nie masz teraz na podjeździe samochodu autonomicznego. Przy cenie około 75 000 dolarów pojedynczy lidar może z łatwością kosztować więcej niż samochód, na którym jeździ. A to tylko jeden ze składników zupy autonomicznej jazdy.

Ale w tym roku wszędzie pojawia się nowa technologia: lidar półprzewodnikowy. Brak ruchomych części zapewnia samochodom autonomicznym ostrzejsze i lepsze widzenie za ułamek kosztów przestarzałych systemów elektromechanicznych. Lidar półprzewodnikowy utoruje drogę pierwszym samochodom autonomicznym, na które będzie Cię stać. Oto jak to działa i co jest tuż za rogiem.

Jak działa lidar

Termin „lidar” pochodzi od połączenia słów „światło” i „radar”, co jest również wygodnym sposobem jego zrozumienia, ponieważ… cóż, jest to radar, ale ze światłem.

Przypomnienie z fizyki w szkole średniej: Radar odbija impuls fal radiowych od obiektu, na przykład samolotu, aby określić jego odległość na podstawie czasu potrzebnego na odbicie impulsu. Lidar wykorzystuje do tego samego impulsu światła z lasera.

Weź wystarczającą ilość tych laserów, obróć je w okrąg, a otrzymasz trójwymiarową „chmurę punktów” otaczającego cię świata. Prawdopodobnie widziałeś te tęczowe kropki przedstawiające krajobrazy miast, góry, a nawet śpiewającą, bezcielesną głowę Thoma Yorke’a Radiohead Domek z kart teledysk. Ta trójwymiarowa mapa 360 stopni jest jak kamień z Rosetty dla samochodu autonomicznego, pozwalając mu rozszyfrować otaczający go świat.

„Aby stworzyć system autonomiczny, potrzebne jest połączenie kamer, radaru i lidara” – wyjaśnia Jada Tapley, wiceprezes ds. zaawansowanej inżynierii w Aptiv. Wiedziałaby. Aptiv zbudował autonomiczne samochody Lyft który przewoził uczestników po Las Vegas na targi CES 2018. W najgorszym korku, jaki miasto widzi przez cały rok. I warunki monsunowe. Z zerową liczbą wypadków.

Samochody te miały dziewięć lidarów, dziesięć radarów i cztery kamery. Połączenie wszystkich trzech pozwala mu na samodzielne prowadzenie, ale lidar pełni kluczową funkcję, którą inżynierowie nazywają lokalizacją. „Ważne jest, aby pojazd mógł z bardzo dużą dokładnością identyfikować swoje miejsce na mapie” – wyjaśnia Tapley. „Używamy do tego naszego lidaru”.

Wyjaśniono poziomy samochodów autonomicznych
Międzynarodowe organizacje inżynieryjne zdecydowały się na sześć poziomów automatyzacji, aby porozmawiać o ewolucji, jaką zobaczymy między głupimi samochodami a całkowitą autonomią.

Poziom 0: Brak autonomii
To jest samochód, który prawdopodobnie już posiadasz. Przestań pisać SMS-y! Musisz zrobić wszystko.
Poziom 1: Ręce
Twój samochód pomoże Ci w niektórych sytuacjach, np. w przypadku, gdy adaptacyjny tempomat spowalnia Cię na autostradzie, gdy robi to samochód poprzedzający.
Poziom 2: Ręce precz
Twój samochód może prowadzić tak samo jak Ty — w odpowiednich okolicznościach, jak autopilot Tesli na podzielonej, oznaczonej autostradzie.
Poziom 3: Odwróć wzrok
Śmiało, wyślij ten tekst; ten samochód nie rozbije się, jeśli nie zwrócisz na niego uwagi. Ale jeśli sprawy się skomplikują, nadal będziesz musiał chwycić za kierownicę, jak na przykład w przypadku Audi Traffic Jam Pilot.
Poziom 4: Nie myśl
Idź spać; Twój samochód jest pod kontrolą. Ale na wszelki wypadek nadal musisz siedzieć za kierownicą.
Poziom 5: Całkowita autonomia
Twój samochód nie ma kierownicy, ponieważ może prowadzić lepiej niż Ty we wszystkich sytuacjach. Idź usiądź z tyłu, słaby człowieku.

Podczas gdy GPS może zawęzić Twoją lokalizację do okręgu Średnica 16 stóplidar może to zrobić w okręgu o średnicy czterech cali. To lepiej, niż wielu kierowców jest w stanie sobie poradzić. Tapley pamięta, jak jedna grupa dziennikarzy z szeroko otwartymi oczami skrzywiła się, gdy autonomiczny samochód Aptiv przejechał obok zaparkowanego autobusu w Las Vegas. Nie musieli tego robić, bo samochód wiedział, że jest dużo miejsca. „Jako ludzie jesteśmy zastraszeni, zwłaszcza przez duże, duże pojazdy, takie jak autobusy czy półciężarówki. Dlatego raczej się od nich oddalamy” – wyjaśnia. „Ale pojazd autonomiczny nie musi tego robić”.

Podczas gdy kamery mogą identyfikować obiekty, a radar może określić, jak daleko się znajdują, lidar może osiągnąć jedno i drugie z precyzją, której żaden z nich nie jest w stanie dotknąć. „Wyobraźmy sobie, że na środku drogi znajduje się bieżnik opony 18-kołowego pojazdu” – mówi Tapley. „Radar tego nie wykryje. Lidar tak zrobi.

Właśnie dlatego Tesla Model S, która ma zarówno kamery, jak i radar, ale nie ma lidara, musi mieć kierowcę przygotowanego do przejęcia kierownicy w dowolnym momencie. Jest uważany za pojazd autonomiczny poziomu 2. Prawie wszyscy eksperci od autonomicznych samochodów — z rażący wyjątek Elona Muska — uważają, że lidar jest niezbędny do osiągnięcia prawdziwej autonomii na poziomie 4 „spania za kierownicą”.

A to ogromny problem, jeśli ty lub ja kiedykolwiek będziemy chcieli go posiadać. Srebrny Velodyne HDL-64E widać na wielu samochodach testowych, kosztuje 75 000 dolarów. Nawet „budżetowy” model Puck firmy kosztuje 8000 dolarów. I nie jest to część, na której można oszczędzać. Wyobraź sobie, że szyby Twojego samochodu stają się czarne przy prędkości 80 mil na godzinę i masz całkiem niezłe pojęcie, jak wyglądałaby utrata lidara na komputerze w samochodzie autonomicznym.

Podobnie jak wszystkie technologie, lidar z czasem stał się tańszy, ale wymagała precyzji i masywnych części wirujących elektromechaniczny lidar oznacza, że ​​nie może stać się z roku na rok tańszy, mniejszy i lepszy w ten sam sposób, w jaki procesor w Twoim telefonie lub komputer tak.

Ale co by było, gdyby… można było zrobić lidar wyłącznie z krzemu? Zabierz wszystkie ruchome elementy, a przyszłość zacznie wyglądać o wiele jaśniej.

Witamy w stanie stałym

Elektronika półprzewodnikowa, która z definicji nie zawiera ruchomych elementów, zmieniła sposób, w jaki robimy wszystko, od śledzenia czasu po słuchanie muzyki. Pamiętasz, jak przenośne odtwarzacze CD zwykły pomijać? Tak się dzieje, gdy polegasz na laserze, który odczytuje mikroskopijne rowki w wirującym dysku. Ale możesz umieścić swoje smartfon w shakerze do farb i nadal słuchaj Kanye, ponieważ muzyka jest przechowywana na półprzewodnikowych układach pamięci, które nie boją się wstrząsów. Lidar zmierza w tym samym kierunku.

Podobnie jak przenośne odtwarzacze CD, wirujący elektromechaniczny lidar nie jest idealny. „Po pierwsze, są duże” – mówi Tapley. „Po drugie, są drogie. Lidar półprzewodnikowy pozwala nam zmniejszyć rozmiary, lepiej zapakować się w pojazdach i obniżyć koszty.

Jak poruszać światłem bez poruszania soczewką lub lustrem? Jak lidar przechodzi w stan stały? Inżynierowie obmyślili kilka wręcz genialnych sposobów.

Pierwszy to tzw błysk lidar. „Błysk to w zasadzie źródło światła, które zalewa jednorazowo całe pole widzenia za pomocą impulsu” – wyjaśnia Tapley. „Czujnik czasu przelotu odbiera to światło i jest w stanie namalować obraz tego, co widzi”. Pomyśl o tym jak o aparacie, który widzi odległość zamiast koloru.

Ale ta prostota wiąże się z pewnymi problemami. Aby widzieć bardzo daleko, potrzebny jest potężny rozbłysk światła, co czyni go droższym. A światło nie może być tak potężny że uszkadza ludzkie siatkówki, co ogranicza zasięg. Jednym z rozwiązań jest skierowanie światła o określonej, niewidzialnej długości fali, która nie wpływa na ludzkie oczy. Doskonały! Dopóki nie natkniesz się na kolejny haczyk: niedrogie kamery krzemowe nie „odczytają” błysków światła w widmie bezpiecznym dla oczu. Potrzebujesz drogich kamer do obrazowania arsenku galu, które mogą podnieść koszt tych systemów nawet do 200 000 dolarów.

„Musisz mieć niezwykle mocne źródło światła lub niezwykle czuły odbiornik, a jeśli tego nie masz, masz ograniczony zasięg” – mówi Tapley. Może być idealny dla samolotów rządowych przeprowadzających szczegółowe badania lotnicze, ale lidar flash prawdopodobnie nie nadaje się do Twojej Corolli.

Ustaw fazery na skanowanie

Na szczęście jest inny sposób. Louay Eldada zajmuje się tym problemem od czasu, gdy na początku lat 90. uzyskał doktorat z optoelektroniki; a dzisiaj biega Quanergia, jeden z najwybitniejszych graczy w lidarze półprzewodnikowym. Eldada i jego zespół przyjęli inne podejście, przyglądając się działaniu radaru. W końcu jest bliskim kuzynem lidara. Jak się okazało, radar wirował podobnie jak lidar, dopóki naukowcy nie opracowali genialnego obejścia znanego jako układ fazowany.

Układ fazowany może emitować fale radiowe w dowolnym kierunku – bez wirowania po okręgu – dzięki zastosowaniu mikroskopijnego układu pojedynczych anten zsynchronizowanych w określony sposób. Kontrolując synchronizację lub fazę pomiędzy każdą anteną nadającą swój sygnał, inżynierowie mogą „sterować” jednym spójnym sygnałem w określonym kierunku.

Układy fazowane są stosowane w radarach od lat pięćdziesiątych XX wieku. Ale Eldada i jego zespół wymyślili, jak zastosować tę samą technikę w przypadku światła. „Mamy dużą liczbę, zazwyczaj milion, optycznych elementów antenowych” – wyjaśnia Eldada. „W oparciu o ich fazową relację między sobą tworzą wzór promieniowania, czyli plamkę, która ma określony rozmiar i jest skierowana w określonym kierunku”.

Inteligentnie synchronizując precyzyjny błysk miliona pojedynczych emiterów, Quanergy może „sterować” światłem przy użyciu wyłącznie krzemu. „Efekt interferencji określa, w którą stronę pada światło, a nie poruszające się lustro czy soczewka” – wyjaśnia Eldada.

Oznacza to, że gniazdo optyki i silników w wiadrze lidarowym o wartości 75 000 dolarów znika, a zostają Ci tylko żetony. W tej chwili Quanergy używa kilku chipów i sprzedaje pakiet za 900 dolarów, ale przyszłe wersje będą jednym chipem. „W tym momencie nasza cena sprzedaży spadnie poniżej 100 dolarów” – przewiduje Eldada.

Półprzewodnikowe jest nie tylko tańsze, jest lepsze. „Możliwość skutecznej zmiany kształtu obiektywu na dowolny kształt pozwala na powiększanie i pomniejszanie” – wyjaśnia Eldada. „Wyobraźmy sobie więc, że patrzysz na obiekt na swoim pasie i chcesz w wysokiej rozdzielczości określić, co to jest. Zmniejszasz rozmiar plamki i stwierdzasz, że to jeleń, opona i materac, który spadł z ciężarówki. Jednocześnie możesz przełączać się między robieniem tego a oglądaniem dużej sceny. To „skakanie” może mieć miejsce wielokrotnie razy na sekundę, nawet bez wiedzy kierowcy, ponieważ algorytm zarządza strzałami i określa, co zasługuje na bliżej Patrzeć.

Urządzenia półprzewodnikowe również działają dłużej. Lidar elektromechaniczny może działać od 1000 do 2000 godzin, zanim ulegnie awarii. Przy średnich amerykańskich wydatkach 293 godziny w samochodzie roczniewiększość z nas zdecydowałaby się na wymianę lidaru przed oponami. Quanergy twierdzi, że jego lidar półprzewodnikowy będzie działał przez 100 000 godzin — więcej niż kiedykolwiek będzie jeździć większość samochodów.

Lustro lustro na ścianie

Tak naprawdę jedynymi są macierze fazowane flash i optyczne PRAWDA lidar półprzewodnikowy. Istnieje jednak trzeci nowy sposób na zrobienie lidara, rudowłosego pasierba, znanego jako lustra mikroelektromechaniczne – lub lustra MEMS.

Jak sugeruje słowo „mechaniczny” w „mikroelektromechaniczny”, istnieją ruchome części, więc lustra MEMS nie są tak naprawdę półprzewodnikowe. Ale są też tak małe, że technologia ta nadal stanowi ulepszenie w porównaniu z wielkoskalowymi elektromechanicznymi lidarami.

„Architektura jest bardzo prosta” – wyjaśnia Tapley. „Masz jeden laser, jedno lustro”. Laser strzela w bardzo małe zwierciadło, które wiruje jak blat, zapewniając obrót podobny do tego, jaki uzyskuje konwencjonalny lidar podczas obracania całego wiadra.

Jest to dość proste, dopóki nie chcesz przesuwać lasera w górę i w dół, a także kręcić się po okręgach. Następnie trzeba go „kaskadować” z innego lustra, które obraca się na innej osi. Możesz też strzelać wieloma laserami w jedno lustro. Tak czy inaczej, koszty i złożoność zaczynają rosnąć.

„Upewnienie się, że wszystko jest idealnie dopasowane, stwarza wyzwania” – wyjaśnia Tapley. „Jeśli masz ten laser w zwierciadle obracającym się w obu osiach, czasami może on być podatny wstrząsy i wibracje.” Wiesz, taki typ, jaki można znaleźć w samochodzie, podskakującym na drodze w wieku 70 lat mile na godzinę

Eldada wskazuje na inne kwestie. „Lustra Micro MEM dryfują nieprawidłowo. Nie utrzymują kalibracji. W przypadku dużych zmian temperatury należy je ponownie skalibrować w ciągu całego okresu eksploatacji.”

„Jeśli lusterka się zablokują, zagraża to bezpieczeństwu oczu” – zauważa. A światło słoneczne może siać spustoszenie. „Kiedy stoisz twarzą do słońca, masz duże problemy” – mówi Eldada. „Uderzy w niego światło słoneczne, odbije się ono wewnątrz lidara, nasyci detektory i zagłuszy sygnał”.

Biorąc pod uwagę tak wiele różnic między wszystkimi trzema typami lidarów nowej generacji, Aptiv zabezpiecza swoje zakłady, współpracując z nimi wszystkimi i inwestując w nie. „Każdy z nich ma inne kompromisy w zakresie pola widzenia, zasięgu i rozdzielczości” – wyjaśnia Tapley. „W zależności od tego, gdzie lidar zostanie umieszczony w pojeździe, będzie to decydować, który z nich będzie najważniejszy”.

Na przykład lidar skierowany z boku może nie potrzebować takiego zasięgu, jaki ma lidar skierowany do przodu. Mieszając i dopasowując różne odmiany, Aptiv ma nadzieję wykorzystać to, co najlepsze ze wszystkich światów.

Gdzie więc mój autonomiczny samochód?

W 1999 roku Jaguar wprowadził pierwszy tempomat oparty na radarze w XK – coupe, którego dzisiejsza cena wynosiła około 100 000 dolarów. W tamtym czasie czujniki były tak drogie, że jak opowiada Tapley: „Ludzie żartowali, że do każdego zakupu radaru dostaje się darmowego Jaga”.

Dziś tę samą funkcję można uzyskać w Corolli za 18 000 dolarów. “W pewnym sensie uczymy się tego samego, co z lidarem” – mówi. „Dopóki półprzewodnik nie osiągnie dojrzałości i nie wejdzie do masowej produkcji, posiadanie tych pojazdów będzie dość kosztowne dla przeciętnego konsumenta”.

Półprzewodnikowy czujnik lidarowy Quanergy za 900 dolarów pomaga w tym. Nadchodzący Fisker Emotion będzie pierwszym pojazdem, który wyjedzie na ulice z tymi czujnikami – będzie ich pięć – gdy pojawi się na rynku w 2019 r. Nie większe niż akumulator wiertarki akumulatorowej, są ukryte w otworach wentylacyjnych, ukryte za chromowanymi kratkami i całkowicie niewidoczne, chyba że ich szukasz. Daleko nam do wczorajszych wirujących wiader.

Eldada wierzy, że samochody autonomiczne czwartego poziomu od notorycznie „agresywnego” amerykańskiego producenta pojawią się już w 2020 roku. „2021, 2022, zobaczysz jeszcze kilka. Rok 2023 to wielki rok. Większość producentów samochodów będzie miała samochody autonomiczne.

Chociaż Fisker będzie wyceniony na 130 000 dolarów, może wyglądać bardzo podobnie do Jaguara XK z 1999 r.: drogiego zwiastuna nadchodzącej technologii. Ostatecznie lidar półprzewodnikowy oznacza, że ​​samochody autonomiczne nie będą tylko roboszoferami dla bogatych. „Oznacza to, że każdy może mieć samochód autonomiczny” – mówi Eldada. „To nie dotyczy tylko Mercedesa Klasy S i BMW serii 7. Oznacza to, że osoby jeżdżące Toyotą Corollą będą również miały samochody autonomiczne”.

I choć ta zmiana może wydawać się fundamentalna, samochody mogą być dopiero początkiem lidaru półprzewodnikowego. „Zobaczysz to w urządzeniach, zobaczysz to w urządzeniach do noszenia, w hełmach strażaków i żołnierzy. Zastosowania są niemal nieograniczone.”

Zalecenia redaktorów

• Volkswagen uruchamia w USA własny program testowania samochodów autonomicznych
• Robotaxis ma problem z pasażerem, o którym nikt nie pomyślał
• Ford i VW zamykają autonomiczny moduł samochodowy Argo AI
• Drive Concierge firmy Nvidia wypełni Twój samochód ekranami
• Robotyczne taksówki Cruise’a jadą do Arizony i Teksasu