Lidar de estado sólido: a chave para carros autônomos baratos

Você já percebeu como os carros autônomos acabam usando chapéus estranhos?

Os primeiros caminhões militares autônomos pareciam ter latas de café girando em cima. Carnegie Mellon's icônico Hummer autônomo foi encimado por uma bola gigante de pingue-pongue. O pequeno protótipo sorridente do Waymo usa uma cúpula em forma de sereia que o faz parecer o carro de polícia mais adorável do mundo.

Dentro de todos os três há cerca de uma dúzia de lasers, disparando através de óptica de nível telescópico, girando centenas de vezes por minuto, para gerar 300.000 pontos de dados por segundo. Chama-se lidar e, sem ele, todos esses carros seriam cegos. É também um dos maiores motivos pelos quais você não tem um carro autônomo na sua garagem no momento. Custando cerca de US$ 75 mil, um único lidar pode facilmente custar mais do que o carro que ele dirige. E esse é apenas um ingrediente da sopa autônoma.

Mas uma nova tecnologia está surgindo em todos os lugares este ano: o lidar de estado sólido. Sem peças móveis, ele promete proporcionar aos carros autônomos uma visão mais nítida e melhor, por uma fração do custo dos sistemas eletromecânicos tradicionais. O lidar de estado sólido abrirá caminho para os primeiros carros autônomos que você realmente pode pagar. Veja como funciona – e o que está por vir.

Como funciona lidar

O termo “lidar” vem da combinação de “luz” e “radar”, o que também é uma maneira prática de entendê-lo porque… bem, é radar, mas com luz.

Uma atualização da física do ensino médio: o radar reflete um pulso de ondas de rádio em um objeto, como um avião, para determinar a que distância ele está, com base em quanto tempo leva para o pulso retornar. Lidar usa um pulso de luz de um laser para fazer a mesma coisa.

Pegue um número suficiente desses lasers, gire-os em círculo e você terá uma “nuvem de pontos” tridimensional do mundo ao seu redor. Você provavelmente já viu esses pontos com as cores do arco-íris representando paisagens urbanas, montanhas e até mesmo a cabeça desencarnada de Thom Yorke cantando. Radiohead Castelo de cartas vídeo de música. Esse mapa 3D de 360 ​​graus é como uma Pedra de Roseta para um carro autônomo, permitindo decifrar o mundo ao seu redor.

“Você precisa de uma combinação de câmeras, radar e lidar para criar um sistema autônomo”, explica Jada Tapley, vice-presidente de engenharia avançada da Aptiv. Ela saberia. Aptiv construiu o carros Lyft autônomos que transportou os participantes por Las Vegas para a CES 2018. No pior impasse que a cidade vê o ano todo. E condições semelhantes às das monções. Com zero acidentes.

Esses carros tinham nove lidar, dez radares e quatro câmeras. Uma combinação dos três permite que ele se mova sozinho, mas o lidar executa a função crucial que os engenheiros chamam de localização. “É importante que o veículo seja capaz de identificar com um alto grau de precisão onde está no mapa”, explica Tapley. “Usamos nosso lidar para fazer isso.”

Níveis de carros autônomos explicados
Organizações internacionais de engenharia estabeleceram seis níveis de automação para falar sobre a evolução que veremos entre carros burros e autonomia completa.

Nível 0: Sem autonomia
Este é o carro que você provavelmente já possui. Pare de enviar mensagens de texto! Você precisa fazer tudo.
Nível 1: Prática
Seu carro irá ajudá-lo em alguns cenários, como o controle de cruzeiro adaptativo, diminuindo sua velocidade na rodovia quando o carro à sua frente o faz.
Nível 2: mãos livres
Seu carro pode dirigir exatamente como você – nas circunstâncias certas, como o Tesla Autopilot em uma rodovia dividida e sinalizada.
Nível 3: olhos desligados
Vá em frente e envie esse texto; este carro não vai bater se não tiver sua atenção. Mas você ainda precisará segurar o volante se as coisas ficarem complicadas, como no Audi Traffic Jam Pilot.
Nível 4: mente
Vá dormir; seu carro está sob controle. Mas você ainda precisa se sentar ao volante, por precaução.
Nível 5: Autonomia total
Seu carro não tem volante porque pode dirigir melhor do que você em todos os cenários. Vá sentar-se atrás, humano fraco.

Embora o GPS possa restringir sua localização a um círculo de cerca de 16 pés de diâmetro, o lidar pode fazer isso dentro de um círculo de dez centímetros de diâmetro. Isso é melhor do que muitos motoristas conseguem. Tapley se lembra de um grupo de jornalistas de olhos arregalados estremecendo quando o carro autônomo do Aptiv passou por um ônibus estacionado em Las Vegas. Eles não precisavam – porque o carro sabia que havia espaço de sobra. “Como humanos, ficamos intimidados, especialmente por veículos grandes, como ônibus ou semirreboques. Então, tendemos a nos afastar deles”, explica ela. “Mas um veículo autônomo não precisa fazer isso.”

Embora as câmeras possam identificar objetos e o radar possa dizer a que distância eles estão, o lidar pode alcançar ambos com um grau de precisão que nenhum dos dois pode tocar. “Imagine que há uma banda de rodagem de pneu de 18 rodas no meio da estrada”, diz Tapley. “O radar não detectará isso. Lidar irá.”

É por isso que um Tesla Model S, que tem câmeras e radar, mas não lidar, deve ter um motorista preparado para assumir o volante a qualquer momento. É considerado um veículo autônomo de nível 2. Quase todos os especialistas em autonomia automóvel – com o exceção gritante de Elon Musk - acreditam que o lidar é necessário para alcançar a verdadeira autonomia de nível 4 de “dormir ao volante”.

E isso é um problema tremendo se você ou eu esperamos possuir um. A prata Velodyne HDL-64E que você vê no topo de muitos carros de teste custa US$ 75.000. Até mesmo o modelo Puck “econômico” da empresa custa US$ 8.000. E esta não é uma parte que você possa querer economizar. Imagine as janelas do seu carro escurecendo a 130 km/h e você terá uma boa ideia de como seria a perda do lidar para o computador em um carro autônomo.

Como toda tecnologia, o lidar tornou-se mais barato com o tempo, mas a precisão necessária e as enormes peças giratórias em lidar eletromecânico significa que ele não pode ficar mais barato, menor e melhor a cada ano, da mesma forma que o processador do seu telefone ou computador faz.

Mas e se… você pudesse fazer lidar apenas com silício? Retire todas as peças móveis e o futuro começará a parecer muito mais brilhante.

Bem-vindo ao estado sólido

A electrónica de estado sólido, que por definição não tem peças móveis, mudou a forma como fazemos tudo, desde controlar o tempo até ouvir música. Lembra como os CD players portáteis costumavam pular? Isso é o que acontece quando você confia em um laser para ler ranhuras microscópicas em um disco giratório. Mas você pode colocar o seu Smartphone em um shaker de tinta e ainda ouvir Kanye, porque a música é armazenada em chips de memória de estado sólido que não se importam de serem sacudidos. Lidar está indo na mesma direção.

Assim como os CD players portáteis, o lidar eletromecânico giratório não é ideal. “Número um, eles são grandes”, diz Tapley. “Número dois, eles são caros. O lidar de estado sólido nos permite ser menores, embalar melhor os veículos e reduzir custos.”

Como você move a luz sem mover uma lente ou espelho? Como o lidar chega ao estado sólido? Os engenheiros desenvolveram algumas maneiras absolutamente geniais.

O primeiro é chamado clarão lidar. “Flash é basicamente onde você tem uma fonte de luz e essa fonte de luz inunda todo o campo de visão uma vez usando um pulso”, explica Tapley. “Um gerador de imagens do tempo de voo recebe essa luz e é capaz de pintar a imagem do que vê.” Pense nisso como uma câmera que vê distância em vez de cor.

Mas essa simplicidade traz alguns obstáculos. Para ver muito longe, você precisa de uma poderosa explosão de luz, o que o torna mais caro. E a luz não pode ser tão poderoso que danifica as retinas humanas, o que limita o alcance. Uma solução alternativa é emitir luz em um comprimento de onda específico e invisível que não afeta os olhos humanos. Perfeito! Até você se deparar com outro problema: os geradores de imagens de silício baratos não “lerão” rajadas de luz no espectro seguro para os olhos. Você precisa de geradores de imagens caros de arsenieto de gálio, o que pode aumentar o custo desses sistemas em até US$ 200 mil.

“Você precisa ter uma fonte de luz extremamente poderosa ou um receptor extremamente sensível e, se não tiver essas coisas, terá um alcance limitado”, diz Tapley. Pode ser perfeito para aviões do governo conduzindo levantamentos aéreos detalhados, mas o flash lidar provavelmente não é adequado para o seu Corolla.

Definir phasers para varredura

Felizmente, há outra maneira. Louay Eldada tem abordado o problema desde que obteve seu doutorado em optoeletrônica no início dos anos 90; e hoje ele corre Quanergia, um dos participantes proeminentes no lidar de estado sólido. Eldada e sua equipe desenvolveram uma abordagem diferente ao observar como o radar funciona. Afinal, é um primo próximo do lidar. Acontece que o radar costumava girar como o lidar, até que os cientistas desenvolveram uma solução brilhante conhecida como phased array.

Um phased array pode transmitir ondas de rádio em qualquer direção – sem girar em círculos – usando um conjunto microscópico de antenas individuais sincronizadas de uma maneira específica. Ao controlar o tempo – ou fase – entre cada antena que transmite seu sinal, os engenheiros podem “direcionar” um sinal coeso em uma direção específica.

Os phased arrays estão em uso em radares desde a década de 1950. Mas Eldada e sua equipe descobriram como usar a mesma técnica com a luz. “Temos um grande número, normalmente um milhão, de elementos de antena óptica”, explica Eldada. “Com base na sua relação de fases entre si, eles formam um padrão de radiação, ou mancha, que tem um certo tamanho e é apontado em uma determinada direção.”

Ao cronometrar de forma inteligente o flash preciso de um milhão de emissores individuais, a Quanergy pode “dirigir” a luz usando apenas silício. “O efeito de interferência determina em que direção a luz vai, e não um espelho ou lente em movimento”, explica Eldada.

Isso significa que o ninho de óptica e motores dentro de um balde lidar de US$ 75 mil desaparece e você fica apenas com chips. No momento, a Quanergy usa vários chips e vende o pacote por US$ 900, mas as versões futuras se tornarão um único chip. “Nesse ponto, nosso preço de venda ficará abaixo de US$ 100”, prevê Eldada.

O estado sólido não é apenas mais barato, é melhor. “Ser capaz de alterar efetivamente o formato da lente para qualquer formato desejado permite aumentar e diminuir o zoom”, explica Eldada. “Então imagine que você está olhando para um objeto em sua pista e deseja definir em alta resolução o que é. Você reduz o tamanho da mancha e determina que é um cervo, é um pneu, é um colchão que caiu de um caminhão. Ao mesmo tempo, você pode alternar entre fazer isso e observar a grande cena.” Este “salto” pode acontecer várias vezes vezes por segundo sem que o motorista saiba, enquanto um algoritmo dá as ordens e determina o que merece uma abordagem mais próxima olhar.

Os dispositivos de estado sólido também duram mais. O lidar eletromecânico pode funcionar entre 1.000 e 2.000 horas antes da falha. Com o gasto médio americano 293 horas em um carro por ano, a maioria de nós acabaria substituindo nosso lidar antes dos pneus. A Quanergy afirma que seu lidar de estado sólido funcionará por 100.000 horas – mais do que a maioria dos carros jamais dirigirá.

Espelho, espelho na parede

Flash e phased arrays ópticos são realmente os únicos verdadeiro lidar de estado sólido. Mas há uma terceira nova maneira de lidar, o enteado ruivo conhecido como espelhos microeletromecânicos – ou espelhos MEMS.

Como sugere o “mecânico” em “microeletromecânico”, existem partes móveis, então os espelhos MEMS não são verdadeiramente de estado sólido. Mas eles também são tão pequenos que a tecnologia ainda representa uma melhoria em relação ao lidar eletromecânico de grande escala.

“A arquitetura é muito simples”, explica Tapley. “Você tem um laser, um espelho.” O laser dispara contra o minúsculo espelho, que gira como um pião, proporcionando a rotação que o lidar convencional obtém ao girar um balde inteiro.

É bastante simples, até que você queira mover o laser para cima e para baixo, além de girar em círculos. Então você precisa “colocá-lo em cascata” em outro espelho, que gira em outro eixo. Ou você pode disparar vários lasers em um espelho. De qualquer forma, o custo e a complexidade começam a aumentar.

“Garantir que tudo esteja perfeitamente alinhado cria desafios”, explica Tapley. “Se você tiver esse laser em um espelho que gira em ambos os eixos, às vezes ele pode ser suscetível a choque e vibrações.” Você sabe, como o tipo que você pode encontrar em um carro, saltando pela estrada aos 70 mph.

Eldada aponta para outras questões. “Os espelhos dos micro MEMs ficam fora de alinhamento. Eles não mantêm calibração. Quando há grandes mudanças de temperatura, elas precisam ser recalibradas ao longo da vida.”

“Se os espelhos ficarem presos, você terá um problema de segurança ocular”, ressalta. E a luz solar pode causar a sua própria destruição. “Você tem grandes problemas quando está de frente para o sol”, diz Eldada. “A luz solar irá atingi-lo, a luz será refletida dentro do lidar, saturará os detectores e abafará o sinal.”

Com tantas diferenças entre os três tipos de lidar de última geração, a Aptiv está protegendo suas apostas trabalhando com – e investindo – em todos eles. “Cada um tem compensações diferentes em relação ao campo de visão, alcance e resolução”, explica Tapley. “Dependendo de onde o lidar estiver posicionado no veículo, isso determinará qual deles precisa ser o mais importante.”

O lidar lateral, por exemplo, pode não precisar do alcance que o lidar frontal precisa. Ao misturar e combinar as variedades, a Aptiv espera aproveitar o melhor de todos os mundos.

Então, onde está meu carro autônomo?

Em 1999, a Jaguar introduziu o primeiro controle de cruzeiro baseado em radar no XK, um cupê vendido por cerca de US$ 100 mil em valores atuais. Na época, os sensores eram tão caros que, como conta Tapley: “As pessoas brincavam que você ganhava um Jag grátis a cada compra de radar”.

Hoje, você pode obter o mesmo recurso em um Corolla de US$ 18.000. “Estamos na mesma curva de aprendizado com lidar”, diz ela. “Até que o estado sólido se torne maduro e entre em produção em massa, esses veículos terão um custo bastante proibitivo para um consumidor médio”.

O sensor lidar de estado sólido de US$ 900 da Quanergy está ajudando a fazer isso acontecer. O próximo Fisker EMoção será o primeiro veículo a chegar às ruas com esses sensores internos – cinco deles – quando chegar em 2019. Não maiores que a bateria de uma furadeira sem fio, elas ficam enterradas em aberturas de ventilação, escondidas atrás de grades cromadas e totalmente invisíveis, a menos que você as procure. Muito longe dos baldes giratórios de ontem.

Eldada acredita que veremos carros autônomos de nível 4 de um fabricante americano notoriamente “agressivo” já em 2020. “2021, 2022, você verá vários mais. 2023 é o grande ano. A maioria das montadoras terá carros autônomos.”

Embora o Fisker custe US$ 130 mil, ele pode acabar se parecendo muito com o Jaguar XK de 1999: um caro prenúncio da tecnologia que está por vir. Em última análise, o lidar de estado sólido significa que os carros autônomos não serão apenas motoristas robóticos para os ricos. “Isso significa que todos podem ter um carro autônomo”, diz Eldada. “Não é apenas para o Mercedes Classe S e o BMW Série 7. Isso significa que as pessoas que dirigem Toyota Corollas também terão carros autônomos.”

E por mais fundamental que essa mudança possa parecer, os carros podem ser apenas o começo para o lidar de estado sólido. “Você verá isso em dispositivos, em wearables, nos capacetes de bombeiros e soldados. As aplicações são quase ilimitadas.”

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