Lidar cu stare solidă: cheia mașinilor ieftine cu conducere autonomă

Ai observat vreodată cum mașinile care se conduc singure ajung să poarte niște pălării ciudate?

Cele mai vechi camioane militare cu conducere autonomă păreau ca și cum ar avea cutii de cafea învârtite în sus. Carnegie Mellon's emblematic Hummer autonom era în vârf de o minge de ping-pong uriașă. Micul prototip zâmbitor al lui Waymo poartă o cupolă în formă de sirenă care o face să pară cea mai adorabilă mașină de poliție din lume.

În interiorul tuturor celor trei se află aproximativ o duzină de lasere, care trag prin optica de calitate a telescopului, strângând de sute de ori pe minut, pentru a genera 300.000 de puncte de date pe secundă. Se numește lidar și fără el, aceste mașini ar fi toate oarbe. Este, de asemenea, unul dintre cele mai mari motive pentru care nu aveți o mașină care se conduce singur pe alee în acest moment. La aproximativ 75.000 de dolari, un singur lidar poate costa cu ușurință mai mult decât mașina pe care o conduce. Și acesta este doar un ingredient din supa pentru auto-conducere.

Dar o nouă tehnologie apare peste tot anul acesta: lidar cu stare solidă. Fără piese în mișcare, promite să ofere mașinilor cu conducere autonomă o viziune mai clară și mai bună, la o fracțiune de prețul sistemelor electromecanice vechi. Lidarul cu stare solidă va deschide calea pentru primele mașini cu conducere autonomă pe care le puteți permite cu adevărat. Iată cum funcționează - și ce este chiar după colț.

Cum funcționează lidar

Termenul „lidar” provine din combinarea „luminii” și „radarului”, ceea ce reprezintă, de asemenea, un mod la îndemână de a-l înțelege pentru că... ei bine, este radar, dar cu lumină.

O actualizare de la fizica de liceu: radarul trimite un puls de unde radio de pe un obiect, cum ar fi un avion, pentru a determina cât de departe este, în funcție de cât timp durează pulsul să revină. Lidar folosește un impuls de lumină de la un laser pentru a face același lucru.

Luați destule acele lasere, rotiți-le într-un cerc și ajungeți la un „nor de puncte” tridimensional al lumii din jurul vostru. Probabil ați văzut aceste puncte de culoarea curcubeului care înfățișează peisaje urbane, munți și chiar capul cântând și fără trup al lui Thom Yorke. de la Radiohead Casa Cartilor de joc videoclip. Acea hartă 3D de 360 ​​de grade este ca o piatră Rosetta pentru o mașină care se conduce singur, permițându-i să descifreze lumea din jurul ei.

„Aveți nevoie de o combinație de camere, radar și lidar pentru a crea un sistem de conducere autonomă”, explică Jada Tapley, VP Advanced Engineering la Aptiv. Ea ar ști. Aptiv a construit mașini autonome Lyft care a transportat participanții prin Las Vegas pentru CES 2018. În cel mai grav blocaj pe care îl vede orașul tot anul. Și condiții asemănătoare musonice. Cu zero accidente.

Mașinile acelea aveau nouă lidar, zece radare și patru camere. O combinație a tuturor celor trei îi permite să se conducă singur, dar lidar îndeplinește funcția crucială pe care inginerii o numesc localizare. „Este important ca vehiculul să poată identifica cu un grad foarte înalt de precizie locul în care se află pe hartă”, explică Tapley. „Ne folosim lidarul pentru a face asta.”

Nivelurile mașinilor autonome explicate
Organizațiile internaționale de inginerie s-au stabilit pe șase niveluri de automatizare pentru a vorbi despre evoluția pe care o vom vedea între mașinile proaste și autonomie completă.

Nivelul 0: Fără autonomie
Aceasta este mașina pe care probabil o deții deja. Nu mai trimite mesaje! Trebuie să faci totul.
Nivelul 1: Practic
Mașina dvs. vă va ajuta în anumite situații, cum ar fi controlul adaptiv al vitezei de croazieră care vă va încetini pe autostradă atunci când mașina din față face acest lucru.
Nivelul 2: mâinile jos
Mașina dvs. poate conduce la fel ca și dvs. - în circumstanțe potrivite, cum ar fi pilotul automat Tesla pe o autostradă divizată, marcată.
Nivelul 3: Ochii tăiați
Continuați și trimiteți acel text; această mașină nu se va prăbuși dacă nu are atenția ta. Dar va trebui totuși să apuci volanul dacă lucrurile se complică, cum ar fi Audi Traffic Jam Pilot.
Nivelul 4: Minte
Du-te la culcare; mașina ta este sub control. Dar tot trebuie să stai la volan pentru orice caz.
Nivelul 5: Autonomie totală
Mașina ta nu are volan, deoarece poate conduce mai bine decât poți tu în toate scenariile. Stai în spate, om slab.

În timp ce GPS-ul vă poate restrânge locația la un cerc aproximativ 16 picioare în diametru, lidar o poate face într-un cerc de patru inci în diametru. Este mai bine decât o pot gestiona mulți șoferi. Tapley își amintește de un grup de jurnalişti cu ochii mari care tresărise în timp ce mașina autonomă a lui Aptiv trecea pe lângă un autobuz parcat în Las Vegas. Nu aveau nevoie - pentru că mașina știa că era destul loc. „Ca oameni suntem intimidați, în special de vehicule mari și mari, cum ar fi autobuzele sau semi-urile. Așa că avem tendința de a ne îndepărta de ei”, explică ea. „Dar un vehicul autonom nu trebuie să facă asta.”

În timp ce camerele pot identifica obiecte, iar radarul poate spune cât de departe sunt, lidar le poate realiza pe ambele cu un grad de precizie pe care niciunul nu le poate atinge. „Imaginați-vă că există o banda de rulare a anvelopei cu 18 roți în mijlocul drumului”, spune Tapley. „Radarul nu va detecta asta. Lidar va face.”

De aceea, un Tesla Model S, care are atât camere, cât și radar, dar fără lidar, trebuie să aibă un șofer pregătit să ia volanul în orice moment. Este considerat un vehicul autonom de nivelul 2. Aproape toți experții în autonomie auto — cu excepție flagrantă a lui Elon Musk — credeți că lidar este necesar pentru a obține un adevărat „somn la volan” nivelul 4 de autonomie.

Și asta este o problemă enormă dacă tu sau eu sperăm vreodată să deții unul. Argintul Velodyne HDL-64E vedeți deasupra multor mașini de testare costă 75.000 de dolari. Chiar și modelul Puck „buget” al companiei rulează 8.000 USD. Și aceasta nu este o parte pe care ai putea dori să te zgarci. Imaginați-vă că geamurile mașinii dvs. se înnegrează la 80 mph și aveți o idee destul de bună despre cum ar arăta pierderea lidarului pentru computerul într-o mașină cu conducere autonomă.

La fel ca orice tehnologie, lidar a devenit mai ieftin de-a lungul timpului, dar precizia necesară și piesele de filare masive sunt introduse Lidar electromecanic înseamnă că nu poate deveni mai ieftin, mai mic și mai bun în fiecare an, la fel cum procesorul din telefon sau computerul face.

Dar dacă... ai putea face lidar doar din siliciu? Luați toate piesele în mișcare, iar viitorul începe să arate mult mai luminos.

Bun venit la starea solidă

Electronicele cu stare solidă, care prin definiție nu au piese în mișcare, au schimbat modul în care facem totul, de la ținerea evidenței timpului până la ascultarea muzicii. Îți amintești cum obișnuiau să sari peste CD playerele portabile? Asta se întâmplă atunci când te bazezi pe un laser pentru a citi canelurile microscopice dintr-un disc care se învârte. Dar poți să-ți pui smartphone într-un agitator de vopsea și încă ascultă-l pe Kanye, pentru că muzica este stocată pe cipuri de memorie cu stare solidă, care nu deranjează să fie zdruncinați. Lidar se îndreaptă în aceeași direcție.

La fel ca CD playerele portabile, lidarul electromecanic rotativ nu este ideal. „Numărul unu, sunt mari”, spune Tapley. „Numărul doi, sunt scumpe. Lidarul cu stare solidă ne permite să ne micșorăm, să ambalăm mai bine în vehicule și să reducem costurile.”

Cum muți lumina fără să miști o lentilă sau o oglindă? Cum ajunge lidarul la starea solidă? Inginerii au conceput câteva moduri de-a dreptul geniale.

Primul se numește flash lidar. „Blițul este, practic, locul în care aveți o sursă de lumină și acea sursă de lumină inundă întregul câmp vizual o dată folosind un puls”, explică Tapley. „Un imager cu timp de zbor primește acea lumină și este capabil să picteze imaginea a ceea ce vede.” Gândiți-vă la ea ca la o cameră care vede distanța în loc de culoare.

Dar acea simplitate vine cu unele probleme. Pentru a vedea foarte departe, aveți nevoie de o explozie puternică de lumină, ceea ce o face mai scumpă. Și lumina nu poate fi atat de puternic că dăunează retinelor umane, ceea ce limitează gama. O soluție este să aruncați lumină la o anumită lungime de undă, invizibilă, care nu afectează ochii umani. Perfect! Până când te confrunți cu încă o captură: aparatele de imagine ieftine din siliciu nu vor „citi” exploziile de lumină în spectrul sigur pentru ochi. Aveți nevoie de imagini scumpe cu arseniură de galiu, care pot crește costul acestor sisteme până la 200.000 USD.

„Trebuie să ai o sursă de lumină extrem de puternică sau un receptor extrem de sensibil, iar dacă nu ai acele lucruri, atunci ai această rază limitată”, spune Tapley. Ar putea fi perfect pentru avioanele guvernamentale care efectuează inspecții aeriene detaliate, dar flash-lidar probabil nu este potrivit pentru Corolla dvs.

Setați fazerele pentru a scana

Din fericire, există o altă cale. Louay Eldada a abordat problema de când și-a luat doctoratul în optoelectronică la începutul anilor '90; iar astăzi aleargă Quanergy, unul dintre jucătorii preeminenți în lidar cu stare solidă. Eldada și echipa sa au obținut o abordare diferită privind modul în care funcționează radarul. La urma urmei, este un văr apropiat al lui Lidar. După cum s-a dovedit, radarul se învârtea la fel ca lidar, până când oamenii de știință au dezvoltat o soluție genială cunoscută sub numele de matrice fază.

O matrice în fază poate difuza unde radio în orice direcție - fără a se învârti în cercuri - folosind o matrice microscopică de antene individuale sincronizate într-un mod specific. Controlând timpul - sau faza - dintre fiecare antenă care își transmite semnalul, inginerii pot „direcționa” un semnal coeziv într-o direcție specifică.

Rețelele în faze au fost folosite în radar încă din anii 1950. Dar Eldada și echipa sa și-au dat seama cum să folosească aceeași tehnică cu lumina. „Avem un număr mare, de obicei un milion, de elemente de antenă optică”, explică Eldada. „Pe baza relației lor în faze între ele, ele formează un model de radiație, sau punct, care are o anumită dimensiune și este îndreptat într-o anumită direcție.”

Prin sincronizarea inteligentă a fulgerului precis a unui milion de emițători individuali, Quanergy poate „dirige” lumina folosind doar siliciu. „Efectul de interferență determină în ce direcție merge lumina, nu o oglindă sau o lentilă în mișcare”, explică Eldada.

Asta înseamnă că cuibul de optice și motoare din interiorul unei găleți lidar de 75.000 USD dispare și rămâi doar cu cipuri. În acest moment, Quanergy folosește mai multe cipuri și vinde pachetul cu 900 de dolari, dar versiunile viitoare vor deveni un singur cip. „În acel moment, prețul nostru de vânzare va deveni sub 100 USD”, prezice Eldada.

Starea solidă nu este doar mai ieftină, ci și mai bună. „Potând să schimbați în mod eficient forma lentilei în orice formă doriți, vă permite să măriți și să micșorați”, explică Eldada. „Așa că imaginați-vă că vă uitați la un obiect de pe banda dvs. și doriți să definiți la rezoluție înaltă ce este acesta. Reduceți dimensiunea spotului și determinați că este o căprioară, este o anvelopă, este o saltea care a căzut de pe un camion. În același timp, poți sări între a face asta și a te uita la marea scenă.” Acest „sărit” se poate întâmpla de mai multe ori ori pe secundă fără ca un șofer să știe, deoarece un algoritm dă lovituri și determină ce merită o mai aproape uite.

Dispozitivele cu stare solidă durează, de asemenea, mai mult. Lidarul electromecanic poate funcționa între 1.000 și 2.000 de ore înainte de defecțiune. Cu cheltuielile medii americane 293 de ore într-o mașină pe an, cei mai mulți dintre noi am ajunge să ne înlocuim lidarul înaintea anvelopelor. Quanergy susține că lidarul său solid va funcționa 100.000 de ore - mai mult decât vor conduce vreodată majoritatea mașinilor.

Oglinda oglinjoara

Matricele flash și optice în fază sunt într-adevăr singurele Adevărat lidar în stare solidă. Dar există o a treia modalitate nouă de a face lidar, copilul vitreg cu cap roșu cunoscut sub numele de oglinzi microelectromecanice - sau oglinzi MEMS.

După cum sugerează „mecanic” din „microelectromecanic”, există piese în mișcare, așa că oglinzile MEMS nu sunt cu adevărat în stare solidă. Dar sunt, de asemenea, atât de mici încât tehnologia reprezintă încă o îmbunătățire față de lidarul electromecanic la scară largă.

„Arhitectura este foarte simplă”, explică Tapley. „Ai un laser, o oglindă.” Laserul se declanșează în oglinda foarte mică, care se învârte ca un blat, oferind rotația pe care lidarul convențional o obține prin rotirea unei găleți întregi.

Este destul de simplu, până când doriți să mutați laserul în sus și în jos pe lângă rotirea în cerc. Apoi trebuie să-l „cascada” de pe o altă oglindă, care se rotește pe o altă axă. Sau puteți fotografia mai multe lasere într-o oglindă. Oricum, costul și complexitatea încep să crească.

„A te asigura că totul este aliniat perfect creează provocări”, explică Tapley. „Dacă aveți acest laser într-o oglindă care se rotește pe ambele axe, uneori poate fi susceptibil la șocuri și vibrații.” Știi, ca tipul pe care l-ai putea găsi într-o mașină, care sări pe drum la 70 mph.

Eldada indică alte probleme. „Oglinzile Micro MEM se depărtează de aliniere. Nu mențin calibrarea. Când există schimbări mari de temperatură, acestea trebuie recalibrate pe toată durata de viață.”

„Dacă oglinzile se blochează, ai o problemă de siguranță a ochilor”, subliniază el. Iar lumina soarelui își poate face propriul haos. „Ai probleme mari când te confrunți cu soarele”, spune Eldada. „Lumina soarelui o va atinge, lumina va fi reflectată în interiorul lidarului și va satura detectoarele și va îneca semnalul.”

Cu atât de multe diferențe între toate cele trei tipuri de lidar de ultimă generație, Aptiv își acoperă pariurile lucrând cu – și investind în – toate acestea. „Fiecare are compromisuri diferite în ceea ce privește câmpul vizual, raza de acțiune și rezoluția”, explică Tapley. „În funcție de locul în care este poziționat acel lidar pe vehicul, acesta va dicta care dintre acestea trebuie să fie cel mai important.”

Lidarul orientat lateral, de exemplu, s-ar putea să nu aibă nevoie de intervalul pe care îl are lidarul orientat frontal. Prin amestecarea și potrivirea dintre soiuri, Aptiv speră să valorifice tot ce este mai bun din toate lumi.

Deci, unde este mașina mea care se conduce singur?

În 1999, Jaguar a introdus primul control de croazieră bazat pe radar la XK, un coupe care s-a vândut cu aproximativ 100.000 de dolari în dolari actuali. La acea vreme, senzorii erau atât de scumpi încât, după cum spune Tapley, „Oamenii au glumit că primești un Jag gratuit la fiecare achiziție de radar”.

Astăzi, puteți obține aceeași funcție într-o Corolla de 18.000 USD. “Suntem cam pe aceeași curbă de învățare cu lidar”, spune ea. „Până când starea solidă devine matură și intră în producția de masă, aceste vehicule vor fi destul de prohibitive pentru un consumator mediu.”

Senzorul lidar cu stare solidă de 900 USD de la Quanergy ajută la realizarea acestui lucru. Viitorul Fisker EMotion va fi primul vehicul care va ajunge pe străzi cu acei senzori înăuntru - cinci dintre ei - când va sosi în 2019. Nu mai mari decât acumulatorul pentru o mașină de găurit fără fir, sunt îngropate în orificii de ventilație, ascunse în spatele grilelor cromate și sunt total invizibile dacă nu le cauți. La distanță lungă de gălețile care se învârtesc de ieri.

Eldada crede că vom vedea mașini autonome de nivelul 4 de la un producător american notoriu de „agresiv” încă din 2020. „2021, 2022, veți vedea mai multe. 2023 este anul cel mare. Majoritatea producătorilor de automobile vor avea mașini autonome.”

În timp ce Fisker va avea un preț de 130.000 USD, ar putea ajunge să semene mult cu Jaguar XK din 1999: un prevestitor scump al tehnologiei care va veni. În cele din urmă, lidarul în stare solidă înseamnă că mașinile cu conducere autonomă nu vor fi doar roboșoferi pentru cei bogați. „Înseamnă că toată lumea poate avea o mașină care se conduce singur”, spune Eldada. „Nu este doar pentru Mercedes S-Class și BMW Seria 7. Aceasta înseamnă că oamenii care conduc Toyota Corollas vor avea și mașini care se conduc singure.”

Și oricât de fundamental ar suna această schimbare, mașinile ar putea fi doar începutul pentru lidar-ul cu stare solidă. „O vei vedea în dispozitive, o vei vedea în purtabile, în căștile pompierilor și soldaților. Aplicațiile sunt aproape nelimitate.”

Recomandările editorilor

• Volkswagen lansează propriul program de testare a mașinilor autonome în S.U.A.
• Robotaxis au o problemă cu pasagerii la care nimeni nu s-a gândit
• Ford și VW închid unitatea auto autonomă Argo AI
• Drive Concierge de la Nvidia vă va umple mașina cu ecrane
• Taxiurile robot ale lui Cruise se îndreaptă spre Arizona și Texas