Твердотельный лидар: ключ к дешевым беспилотным автомобилям

Вы когда-нибудь замечали, что беспилотные автомобили носят странные шляпы?

Первые беспилотные военные грузовики выглядели так, будто наверху у них вращались банки из-под кофе. Карнеги-Меллон культовый беспилотный Hummer на вершине находился гигантский мяч для пинг-понга. Маленький улыбающийся прототип Waymo имеет купол в форме сирены, что делает его похожим на самую очаровательную полицейскую машину в мире.

Внутри всех трех находится около дюжины лазеров, стреляющих через оптику телескопа, совершающих сотни оборотов в минуту и ​​генерирующих 300 000 точек данных в секунду. Это называется лидар, и без него все эти машины были бы слепыми. Это также одна из главных причин, по которой у вас сейчас нет беспилотного автомобиля на подъездной дорожке. Один лидар стоит около 75 000 долларов и может легко стоить дороже, чем автомобиль, на котором он ездит. И это только один ингредиент супа с беспилотным автомобилем.

Но в этом году повсюду появляется новая технология: твердотельный лидар. Не имея движущихся частей, он обещает дать беспилотным автомобилям более четкое и лучшее зрение за небольшую часть стоимости электромеханических систем старой школы. Твердотельный лидар проложит путь к появлению первых беспилотных автомобилей, которые вы действительно сможете себе позволить. Вот как это работает — и что не за горами.

Как работает лидар

Термин «лидар» происходит от слияния слов «свет» и «радар», что также упрощает его понимание, потому что… ну, это радар, но со светом.

Напоминание из школьной физики: радар отражает импульс радиоволн от объекта, например самолета, чтобы определить, насколько далеко он находится, исходя из того, сколько времени потребуется, чтобы импульс пришел в норму. Лидар использует импульс света лазера, чтобы сделать то же самое.

Возьмите достаточное количество этих лазеров, вращайте их по кругу, и в итоге вы получите трехмерное «облако точек» окружающего вас мира. Вы, наверное, видели эти точки цвета радуги, изображающие городские пейзажи, горы и даже поющую бестелесную голову Тома Йорка в Radiohead’s Дом из карт клип. Эта 360-градусная 3D-карта подобна Розеттскому камню для беспилотного автомобиля, позволяя ему расшифровывать окружающий мир.

«Чтобы создать беспилотную систему, вам понадобится комбинация камер, радара и лидара», — объясняет Джада Тэпли, вице-президент по передовым разработкам в Aptiv. Она бы знала. Компания Aptiv создала автономные автомобили Lyft который доставлял посетителей по Лас-Вегасу на CES 2018. В худшем тупике, который город видит за весь год. И муссонные условия. Без аварий.

В этих машинах было девять лидаров, десять радаров и четыре камеры. Комбинация всех трех позволяет ему двигаться самостоятельно, но лидар выполняет важнейшую функцию, которую инженеры называют локализацией. «Для транспортного средства важно иметь возможность с очень высокой степенью точности определять, где оно находится на карте», — объясняет Тэпли. «Для этого мы используем наш лидар».

Объяснение уровней автономного автомобиля
Международные инженерные организации остановились на шести уровнях автоматизации, чтобы говорить об эволюции, которую мы увидим между тупыми автомобилями и полной автономией.

Уровень 0: Нет автономии
Вероятно, эта машина у вас уже есть. Хватит писать СМС! Вам нужно сделать все.
Уровень 1: Практические занятия
Ваша машина поможет вам в некоторых ситуациях, например, адаптивный круиз-контроль замедляет вас на шоссе, когда это делает машина впереди вас.
Уровень 2: Руки прочь
Ваша машина может ехать так же, как и вы — при правильных обстоятельствах, как автопилот Tesla на разделенном, размеченном шоссе.
Уровень 3: Глаза прочь
Отправьте этот текст; эта машина не разобьется, если не привлечет вашего внимания. Но вам все равно придется схватиться за руль, если ситуация усложнится, как в случае с Audi Traffic Jam Pilot.
Уровень 4: Не думай
Идти спать; ваша машина под контролем. Но сесть за руль все равно нужно на всякий случай.
Уровень 5: Полная автономия
У вашей машины нет руля, потому что она может ехать лучше вас во всех сценариях. Иди садись сзади, слабый человек.

Хотя GPS может сузить ваше местоположение до круга примерно 16 футов в диаметре, лидар может сделать это в пределах круга диаметром четыре дюйма. Это лучше, чем могут себе позволить многие водители. Тэпли вспоминает, как одна группа журналистов с широко раскрытыми глазами вздрогнула, когда беспилотный автомобиль Aptiv пронесся мимо припаркованного автобуса в Лас-Вегасе. В этом не было необходимости — потому что машина знала, что места достаточно. «Как люди, нас пугают, особенно большие, большие транспортные средства, такие как автобусы или грузовики. Поэтому мы склонны отходить от них», — объясняет она. «Но беспилотному транспортному средству это не нужно».

В то время как камеры могут идентифицировать объекты, а радар может определить, насколько далеко они находятся, лидар может обеспечить и то, и другое с той степенью точности, которую невозможно коснуться. «Представьте, что посередине дороги находится протектор шины 18-колесного автомобиля», — говорит Тэпли. «Радар этого не обнаружит. Лидар поможет.

Вот почему Tesla Model S, у которой есть и камеры, и радар, но нет лидара, должен иметь водителя, готового сесть за руль в любой момент. Это автономное транспортное средство второго уровня. Почти все эксперты по автономности автомобилей — с явное исключение Илона Маска — считают, что лидар необходим для достижения истинного «сна за рулём» уровня 4 автономности.

И это огромная проблема, если вы или я когда-нибудь надеемся стать его обладателем. Серебро Велодин HDL-64E Как вы видите, на многих тестовых автомобилях стоимость составляет 75 000 долларов. Даже «бюджетная» модель Puck компании стоит 8000 долларов. И это не та часть, на которой можно экономить. Представьте себе, что окна вашей машины чернеют на скорости 80 миль в час, и вы довольно хорошо представляете, как потеря лидара будет выглядеть для компьютера в беспилотном автомобиле.

Как и все технологии, лидар со временем стал дешевле, но требовалась точность и массивные вращающиеся детали. электромеханический лидар означает, что он не может становиться дешевле, меньше и лучше с каждым годом так же, как процессор в вашем телефоне или компьютер делает.

Но что, если… можно было бы сделать лидар только из кремния? Уберите все движущиеся части, и будущее станет намного ярче.

Добро пожаловать в твердое состояние

Твердотельная электроника, которая по определению не имеет движущихся частей, изменила то, как мы делаем все: от отслеживания времени до прослушивания музыки. Помните, как портативные проигрыватели компакт-дисков пропускали музыку? Вот что происходит, когда вы полагаетесь на лазер для чтения микроскопических канавок на вращающемся диске. Но вы можете поставить свой смартфон в шейкере для краски и по-прежнему слушайте Канье, потому что музыка хранится на твердотельных чипах памяти, которые не прочь встряхнуть. Лидар движется в том же направлении.

Как и портативные проигрыватели компакт-дисков, вращающийся электромеханический лидар не идеален. «Во-первых, они большие», — говорит Тэпли. «Во-вторых, они дорогие. Твердотельный лидар позволяет нам стать меньше, лучше упаковать транспортные средства и снизить затраты».

Как перемещать свет, не перемещая линзу или зеркало? Как лидар переходит в твердое состояние? Инженеры придумали несколько совершенно гениальных способов.

Первый называется вспышка лидар. «Вспышка — это, по сути, источник света, который заполняет все поле зрения один раз, используя импульс», — объясняет Тэпли. «Визор времени полета получает этот свет и способен нарисовать изображение того, что он видит». Думайте об этом как о камере, которая видит расстояние, а не цвет.

Но эта простота имеет некоторые препятствия. Чтобы видеть очень далеко, нужна мощная вспышка света, что делает ее более дорогой. И света не может быть такой сильный что он повреждает сетчатку человека, что ограничивает дальность действия. Одним из обходных путей является излучение света определенной невидимой длины волны, которая не влияет на человеческие глаза. Идеальный! Пока вы не столкнетесь с еще одной загвоздкой: недорогие кремниевые сканеры не «читают» вспышки света в безопасном для глаз спектре. Вам нужны дорогие сканеры из арсенида галлия, которые могут повысить стоимость этих систем до 200 000 долларов.

«Вам нужен чрезвычайно мощный источник света или чрезвычайно чувствительный приемник, а если у вас их нет, то у вас ограниченный диапазон», — говорит Тэпли. Он может быть идеальным для правительственных самолетов, проводящих детальные аэрофотосъемки, но флэш-лидар, вероятно, не подойдет для вашей Короллы.

Установите фазеры для сканирования

К счастью, есть другой способ. Луай Эльдада занимается этой проблемой с тех пор, как в начале 90-х получил докторскую степень по оптоэлектронике; и сегодня он бежит Кванерджи, одного из выдающихся игроков в области твердотельных лидаров. Эльдада и его команда пришли к другому подходу, изучая, как работает радар. В конце концов, это близкий родственник лидара. Как оказалось, раньше радар вращался так же, как лидар, пока ученые не разработали блестящий обходной путь, известный как фазированная решетка.

Фазированная решетка может транслировать радиоволны в любом направлении — без вращения по кругу — благодаря использованию микроскопической решетки отдельных антенн, синхронизированных определенным образом. Контролируя время (или фазу) между каждой антенной, передающей свой сигнал, инженеры могут «направлять» один связный сигнал в определенном направлении.

Фазированные решетки используются в радарах с 1950-х годов. Но Эльдада и его команда придумали, как использовать ту же технику со светом. «У нас имеется большое количество, обычно миллион, оптических антенных элементов», — объясняет Эльдада. «Основываясь на их поэтапном взаимодействии друг с другом, они образуют диаграмму направленности или пятно, которое имеет определенный размер и направлено в определенном направлении».

Разумно рассчитывая точную вспышку миллиона отдельных излучателей, Quanergy может «управлять» светом, используя только кремний. «Эффект интерференции определяет, в каком направлении распространяется свет, а не движущееся зеркало или линза», — объясняет Эльдада.

Это означает, что гнездо оптики и двигателей внутри лидарного ведра стоимостью 75 000 долларов исчезает, и у вас остаются только чипы. Сейчас Quanergy использует несколько чипов и продает комплект за 900 долларов, но будущие версии станут одним чипом. «В этот момент наша продажная цена станет ниже 100 долларов», — прогнозирует Эльдада.

Твердотельные не просто дешевле, они лучше. «Возможность эффективно изменять форму линзы до любой желаемой формы позволяет увеличивать и уменьшать масштаб», — объясняет Эльдада. «Представьте, что вы смотрите на объект на своей полосе движения и хотите определить в высоком разрешении, что это такое. Вы уменьшаете размер пятна и определяете, что это олень, это покрышка, это матрас, упавший с грузовика. В то же время вы можете переключаться между этим и просмотром большой сцены». Этот «прыжк» может происходить несколько раз. раз в секунду без ведома водителя, поскольку алгоритм назначает выстрелы и определяет, что заслуживает более пристального внимания. смотреть.

Твердотельные устройства также служат дольше. Электромеханический лидар может работать от 1000 до 2000 часов до выхода из строя. При средних расходах американцев 293 часа в машине в год, большинство из нас в конечном итоге заменили бы лидар раньше, чем шины. Quanergy утверждает, что ее твердотельный лидар проработает 100 000 часов — больше, чем когда-либо проедет большинство автомобилей.

Зеркало, зеркало на стене

Вспышки и оптические фазированные решетки действительно являются единственными истинный твердотельный лидар. Но есть третий новый способ создания лидара — рыжеволосый пасынок, известный как микроэлектромеханические зеркала — или зеркала МЭМС.

Как следует из слова «механический» в слове «микроэлектромеханический», существуют движущиеся части, поэтому МЭМС-зеркала не являются по-настоящему твердотельными. Но они настолько малы, что эта технология по-прежнему представляет собой улучшение по сравнению с крупномасштабным электромеханическим лидаром.

«Архитектура очень проста», — объясняет Тэпли. «У вас есть один лазер, одно зеркало». Лазер попадает в очень маленькое зеркало, которое вращается как волчок, обеспечивая вращение, которое обычный лидар получает от вращения целого ведра.

Это достаточно просто, пока вы не захотите не только вращаться по кругу, но и перемещать лазер вверх и вниз. Затем вам нужно «каскадировать» его с другого зеркала, которое вращается на другой оси. Или вы можете стрелять несколькими лазерами в одно зеркало. В любом случае, стоимость и сложность начинают расти.

«Убедиться, что все идеально выровнено, сложно», — объясняет Тэпли. «Если у вас есть этот лазер в зеркале, которое вращается по обеим осям, иногда он может быть подвержен удары и вибрации». Знаешь, типа того, кого можно встретить в машине, мчащейся по дороге на скорости 70. миль в час.

Эльдада указывает на другие проблемы. «Зеркала микро-МЭМ смещаются. Они не поддерживают калибровку. Когда происходят большие изменения температуры, их необходимо перекалибровывать в течение всего срока службы».

«Если зеркала застрянут, у вас возникнут проблемы с безопасностью глаз», — отмечает он. А солнечный свет может нанести себе ущерб. «У вас возникают большие проблемы, когда вы смотрите на солнце», — говорит Эльдада. «Солнечный свет попадет на него, свет отразится внутри лидара, насытит детекторы и заглушит сигнал».

Имея так много различий между всеми тремя типами лидаров следующего поколения, Aptiv подстраховывает свои ставки, работая со всеми ними и инвестируя в них. «Каждый из них имеет разные компромиссы относительно поля зрения, дальности и разрешения», — объясняет Тэпли. «В зависимости от того, где лидар расположен на транспортном средстве, будет зависеть, какой из них будет наиболее важным».

Например, боковому лидару может не потребоваться тот диапазон, который нужен фронтальному лидару. Смешивая и сопоставляя разные сорта, Aptiv надеется использовать лучшее из всех миров.

Так где же моя беспилотная машина?

В 1999 году Jaguar представил первый круиз-контроль на основе радара в XK, купе, которое продавалось примерно за 100 000 долларов в сегодняшних долларах. В то время датчики были настолько дорогими, что, как рассказывает Тэпли: «Люди шутили, что при каждой покупке радара вы получаете бесплатный Jag».

Сегодня ту же функцию можно получить в Corolla за 18 000 долларов. “Мы находимся на том же этапе обучения лидару», — говорит она. «Пока полупроводниковые автомобили не станут зрелыми и не начнут массовое производство, эти автомобили будут слишком дорогими для среднего потребителя».

Твердотельный лидарный датчик Quanergy стоимостью 900 долларов помогает добиться этого. Предстоящие Фискер EMotion станет первым автомобилем, который выйдет на улицы с этими датчиками внутри — пятью — когда он появится в 2019 году. Не больше аккумуляторной батареи для аккумуляторной дрели, они спрятаны в вентиляционных отверстиях, спрятаны за хромированными решетками и совершенно невидимы, если вы их не ищете. Далеко от вчерашних вращающихся ведер.

Эльдада считает, что мы увидим беспилотные автомобили 4-го уровня от заведомо «агрессивного» американского производителя уже в 2020 году. «В 2021, 2022 году вы увидите еще несколько. 2023 год — большой год. У большинства автопроизводителей будут беспилотные автомобили».

Хотя Fisker будет стоить 130 000 долларов, в конечном итоге он может оказаться очень похожим на Jaguar XK 1999 года: дорогой предвестник будущих технологий. В конечном счете, твердотельный лидар означает, что беспилотные автомобили не будут просто робошофёрами для богатых. «Это означает, что каждый может иметь беспилотный автомобиль», — говорит Эльдада. «Это касается не только Mercedes S-класса и BMW 7-й серии. Это означает, что люди, ездящие на Toyota Corolla, также будут иметь беспилотные автомобили».

И каким бы фундаментальным ни казался этот сдвиг, автомобили могут стать только началом твердотельного лидара. «Вы увидите это в устройствах, вы увидите это в носимых устройствах, в шлемах пожарных и солдат. Приложения практически безграничны».

Рекомендации редакции

• Volkswagen запускает собственную программу тестирования беспилотных автомобилей в США.
• У роботакси возникла проблема с пассажирами, о которой никто не подумал
• Ford и VW закрывают подразделение по производству автономных автомобилей Argo AI
• Drive Concierge от Nvidia наполнит вашу машину экранами
• Робот-такси Круза отправятся в Аризону и Техас