Solid-State Lidar: Kľúč k lacným autonómnym autám

Všimli ste si niekedy, že samoriadiace autá nakoniec nosia nejaké divné klobúky?

Najstaršie autonómne vojenské nákladné autá vyzerali, akoby mali navrchu otočné plechovky od kávy. Carnegie Mellon's ikonický samoriadiaci Hummer bola zakončená obrovskou pingpongovou loptičkou. Waymov smajlík malý prototyp má kupolu v tvare sirény, vďaka ktorej vyzerá ako najrozkošnejšie policajné auto na svete.

Vo všetkých troch je asi tucet laserov, ktoré strieľajú cez optiku na úrovni teleskopu, pohybujú sa stokrát za minútu a vytvárajú 300 000 údajových bodov za sekundu. Volá sa to lidar a bez neho by boli všetky tieto autá slepé. Je to tiež jeden z najväčších dôvodov, prečo práve teraz nemáte na príjazdovej ceste samoriadiace auto. S cenou okolo 75 000 dolárov môže jeden lidar ľahko stáť viac ako auto, na ktorom jazdí. A to je len jedna zložka v samojazdiacej polievke.

Tento rok sa však všade objavuje nová technológia: Solid-state lidar. Bez pohyblivých častí sľubuje, že samoriadiace autá budú ostrejšie a lepšie vidieť, a to za zlomok ceny starých elektromechanických systémov. Polovodičový lidar pripraví pôdu pre prvé samoriadiace autá, ktoré si môžete skutočne dovoliť. Tu je návod, ako to funguje – a čo je hneď za rohom.

Ako funguje lidar

Pojem „lidar“ pochádza zo spojenia „svetla“ a „radaru“, čo tiež predstavuje praktický spôsob jeho pochopenia, pretože... je to radar, ale so svetlom.

Osvieženie z fyziky na strednej škole: Radar odráža pulz rádiových vĺn od objektu, ako je lietadlo, aby určil, ako ďaleko je, na základe toho, ako dlho trvá, kým sa pulz odrazí späť. Lidar používa na to isté pulz svetla z lasera.

Vezmite si dostatok týchto laserov, roztočte ich do kruhu a skončíte s trojrozmerným „mračnom bodov“ sveta okolo vás. Pravdepodobne ste už videli tieto dúhové bodky zobrazujúce panorámu miest, hory a dokonca aj spievajúci Thom Yorke bez tela Radiohead's Domček z kariet hudobné video. Táto 360-stupňová 3D mapa je ako Rosettská doska pre samoriadiace auto, čo mu umožňuje dešifrovať svet okolo seba.

„Na vytvorenie samojazdiaceho systému potrebujete kombináciu kamier, radaru a lidaru,“ vysvetľuje Jada Tapley, viceprezidentka pre pokročilé inžinierstvo v spoločnosti Aptiv. Vedela by. Spoločnosť Aptiv postavila autonómne autá Lyft ktorý prevážal účastníkov okolo Las Vegas na CES 2018. V najhoršej situácii, ktorú mesto vidí celý rok. A podmienky podobné monzúnom. S nulovou nehodovosťou.

Tie autá mali deväť lidarov, desať radarov a štyri kamery. Kombinácia všetkých troch mu umožňuje riadiť sa sám, ale lidar vykonáva kľúčovú funkciu, ktorú inžinieri nazývajú lokalizácia. „Je dôležité, aby vozidlo dokázalo s veľmi vysokou presnosťou identifikovať, kde sa na mape nachádza,“ vysvetľuje Tapley. "Na to používame náš lidar."

Vysvetlené úrovne autonómnych áut
Medzinárodné inžinierske organizácie sa dohodli na šiestich úrovniach automatizácie, aby hovorili o vývoji, ktorý uvidíme medzi tupými autami a úplnou autonómiou.

Úroveň 0: Žiadna autonómia
Toto je auto, ktoré už pravdepodobne vlastníte. Prestaňte posielať SMS správy! Musíte urobiť všetko.
Úroveň 1: Ruky
Vaše auto vám pomôže v niektorých situáciách, ako je napríklad adaptívny tempomat, ktorý vás spomalí na diaľnici, keď to urobí auto pred vami.
Úroveň 2: Ruky preč
Vaše auto môže jazdiť rovnako ako vy – za správnych okolností, ako napríklad Autopilot Tesla na rozdelenej, značenej diaľnici.
Úroveň 3: Vypnuté oči
Pokračujte a pošlite tento text; toto auto sa nezrúti, ak mu nebudete venovať pozornosť. Ak sa však veci skomplikujú, ako je to v prípade Audi Traffic Jam Pilot, stále budete musieť chytiť volant.
Úroveň 4: Uvoľnite sa
Choď spať; vaše auto je pod kontrolou. Ale stále musíte sedieť za volantom pre každý prípad.
Úroveň 5: Úplná autonómia
Vaše auto nemá volant, pretože vo všetkých scenároch môže jazdiť lepšie ako vy. Sadni si dozadu, slabý človek.

Zatiaľ čo GPS môže zúžiť vašu polohu na kruh okolo 16 stôp v priemere, lidar to dokáže v rámci kruhu s priemerom štyri palce. To je lepšie, než dokáže zvládnuť veľa vodičov. Tapley si pamätá, ako jedna skupina novinárov s vyvalenými očami trhla, keď autonómne auto Aptiv prešlo okolo zaparkovaného autobusu v Las Vegas. Nepotrebovali – pretože auto vedelo, že je tam veľa miesta. „Ako ľudia nás zastrašujú najmä veľké, veľké vozidlá, ako sú autobusy alebo návesy. Takže máme tendenciu sa im vyhýbať,“ vysvetľuje. "Ale autonómne vozidlo to robiť nemusí."

Zatiaľ čo kamery dokážu identifikovať objekty a radar dokáže povedať, ako ďaleko sú, lidar dokáže dosiahnuť oboje s určitou presnosťou, ani jeden sa ich nemôže dotknúť. „Predstavte si, že v strede cesty je behúň pneumatiky pre 18 kolies,“ hovorí Tapley. "Radar to nezistí." Lidar bude."

To je dôvod, prečo Tesla Model S, ktorá má kamery aj radar, ale nemá lidar, musí mať vodiča pripraveného kedykoľvek prevziať volant. Považuje sa za autonómne vozidlo úrovne 2. Takmer všetci odborníci na autonómiu — s do očí bijúca výnimka Elona Muska — verí, že lidar je nevyhnutný na dosiahnutie skutočnej autonómie „spánku za volantom“ úrovne 4.

A to je obrovský problém, ak vy alebo ja niekedy dúfame, že ho budete vlastniť. Striebro Velodyne HDL-64E vidíte na vrchole mnohých testovacích áut stojí 75 000 dolárov. Dokonca aj „rozpočtový“ model Puck spoločnosti stojí 8 000 dolárov. A toto nie je časť, na ktorej by ste mohli chcieť šetriť. Predstavte si, že okná vášho auta stmavnú pri rýchlosti 80 mph a máte celkom dobrú predstavu, ako by strata lidaru vyzerala na počítači v samoriadiacom aute.

Ako každá technológia, aj lidar sa časom zlacnel, ale vyžaduje si presnosť a masívne rotujúce časti elektromechanický lidar znamená, že nemôže byť každý rok lacnejší, menší a lepší, rovnako ako procesor vo vašom telefóne alebo počítač robí.

Ale čo ak... dokážete vyrobiť lidar iba z kremíka? Odstráňte všetky pohyblivé časti a budúcnosť začne vyzerať oveľa jasnejšie.

Vitajte v pevnom stave

Pevná elektronika, ktorá podľa definície nemá žiadne pohyblivé časti, zmenila spôsob, akým robíme všetko od sledovania času až po počúvanie hudby. Pamätáte si, ako preskakovali prenosné CD prehrávače? To sa stane, keď sa pri čítaní mikroskopických drážok na rotujúcom disku spoliehate na laser. Ale môžete si dať svoje smartfón v trepačke a stále počúvať Kanyeho, pretože hudba je uložená na polovodičových pamäťových čipoch, ktorým nevadí, že sa otrasú. Rovnakým smerom mieri aj Lidar.

Rovnako ako prenosné CD prehrávače, ani roztočený elektromechanický lidar nie je ideálny. "Číslo jedna, sú veľké," hovorí Tapley. „Číslo dva, sú drahé. Solid-state lidar nám umožňuje zmenšiť, lepšie zabaliť do vozidiel a znížiť náklady.“

Ako môžete pohybovať svetlom bez toho, aby ste pohli šošovkou alebo zrkadlom? Ako sa lidar dostane do pevného stavu? Inžinieri vymysleli niekoľko priam geniálnych spôsobov.

Prvý je tzv blesk lidar. „Blesk je v podstate miesto, kde máte zdroj svetla a tento zdroj svetla raz zaplaví celé zorné pole pomocou impulzu,“ vysvetľuje Tapley. "Snímač doby letu prijíma toto svetlo a je schopný vykresliť obraz toho, čo vidí." Predstavte si to ako fotoaparát, ktorý namiesto farby vidí vzdialenosť.

Táto jednoduchosť však prináša niekoľko háčikov. Aby ste videli veľmi ďaleko, potrebujete silný záblesk svetla, ktorý ho predražuje. A svetlo nemôže byť taký mocný že poškodzuje ľudské sietnice, čo obmedzuje dosah. Jedným z riešení je vyžarovať svetlo na špecifickej, neviditeľnej vlnovej dĺžke, ktorá neovplyvňuje ľudské oči. Perfektné! Kým nenarazíte na ďalší háčik: Lacné kremíkové zobrazovacie zariadenia „neprečítajú“ záblesky svetla v spektre bezpečnom pre oči. Potrebujete drahé gálium-arzenidové zobrazovače, ktoré môžu zvýšiť náklady na tieto systémy až na 200 000 dolárov.

"Musíte mať extrémne výkonný zdroj svetla alebo extrémne citlivý prijímač, a ak tieto veci nemáte, máte tento obmedzený dosah," hovorí Tapley. Môže byť ideálny pre vládne lietadlá vykonávajúce podrobné letecké prieskumy, ale flash lidar pravdepodobne nie je vhodný pre vašu Corollu.

Nastavte phasery na skenovanie

Našťastie existuje aj iný spôsob. Louay Eldada rieši tento problém odkedy získal doktorát z optoelektroniky na začiatku 90. rokov; a dnes beží Quanergy, jeden z popredných hráčov v polovodičovom lidare. Eldada a jeho tím odvodili iný prístup pohľadom na to, ako funguje radar. Je to predsa blízky bratranec lidaru. Ako sa ukázalo, radar sa točil rovnako ako lidar, kým vedci nevyvinuli skvelé riešenie známe ako fázované pole.

Fázované pole môže vysielať rádiové vlny v akomkoľvek smere - bez točenia v kruhoch - pomocou mikroskopického poľa jednotlivých antén synchronizovaných špecifickým spôsobom. Riadením načasovania – alebo fázy – medzi každou anténou vysielajúcou svoj signál, môžu inžinieri „nasmerovať“ jeden súdržný signál konkrétnym smerom.

Fázové polia sa v radaroch používajú od 50. rokov minulého storočia. Eldada a jeho tím však prišli na to, ako použiť rovnakú techniku ​​so svetlom. "Máme veľké množstvo, zvyčajne milión, optických anténnych prvkov," vysvetľuje Eldada. "Na základe ich fázového vzťahu medzi sebou tvoria radiačný vzor alebo bod, ktorý má určitú veľkosť a je nasmerovaný v určitom smere."

Inteligentným načasovaním presného záblesku milióna jednotlivých žiaričov dokáže Quanergy „riadiť“ svetlo iba pomocou kremíka. „Efekt interferencie určuje, ktorým smerom ide svetlo, nie pohybujúce sa zrkadlo alebo šošovka,“ vysvetľuje Eldada.

To znamená, že hniezdo optiky a motorov vo vnútri vedra lidaru za 75 000 dolárov zmizne a vy vám ostanú len čipy. Práve teraz Quanergy používa niekoľko čipov a predáva balík za 900 dolárov, ale budúce verzie sa stanú jediným čipom. „V tom momente naša predajná cena klesne pod 100 dolárov,“ predpovedá Eldada.

Pevný stav nie je len lacnejší, ale aj lepší. „Schopnosť efektívne meniť tvar šošovky na akýkoľvek požadovaný tvar vám umožňuje priblížiť a oddialiť,“ vysvetľuje Eldada. „Predstavte si, že sa pozeráte na objekt vo svojom jazdnom pruhu a chcete vo vysokom rozlíšení definovať, čo to je. Zmenšíte veľkosť miesta a určíte, že je to jeleň, je to pneumatika, je to matrac, ktorý spadol z nákladného auta. Zároveň môžete preskakovať medzi tým, že to urobíte, a pohľadom na veľkú scénu.“ Toto „skákanie“ sa môže vyskytnúť viackrát krát za sekundu bez toho, aby o tom vodič vedel, pretože algoritmus vyvoláva zábery a určuje, čo si zaslúži bližšie pozri.

Polovodičové zariadenia tiež vydržia dlhšie. Elektromechanický lidar môže bežať 1 000 až 2 000 hodín pred poruchou. S priemernými americkými výdavkami 293 hodín v aute ročneVäčšina z nás by nakoniec vymenila lidar pred pneumatikami. Quanergy tvrdí, že jeho polovodičový lidar bude bežať 100 000 hodín - viac ako väčšina áut kedy bude jazdiť.

Zrkadlo zrkadlo na stene

Flash a optické fázované polia sú skutočne jediné pravda polovodičový lidar. Existuje však tretí nový spôsob, ako urobiť lidar, nevlastné dieťa s červenou hlavou známe ako mikroelektromechanické zrkadlá - alebo zrkadlá MEMS.

Ako naznačuje „mechanické“ v „mikroelektromechanickom“, existujú pohyblivé časti, takže zrkadlá MEMS nie sú skutočne polovodičové. Ale sú tiež také malé, že technológia stále predstavuje zlepšenie oproti veľkému elektromechanickému lidaru.

„Architektúra je veľmi jednoduchá,“ vysvetľuje Tapley. "Máte jeden laser, jedno zrkadlo." Laser vystrelí do veľmi malého zrkadla, ktoré sa otáča ako vrch a poskytuje rotáciu, ktorú konvenčný lidar získa pri otáčaní celého vedra.

Je to dosť jednoduché, kým nebudete chcieť okrem točenia v kruhoch pohybovať laserom hore a dole. Potom ho musíte „kaskádovať“ z iného zrkadla, ktoré sa otáča na inej osi. Alebo môžete strieľať viac laserov na jedno zrkadlo. Tak či onak, náklady a zložitosť sa začnú zvyšovať.

„Uistenie sa, že je všetko dokonale zarovnané, vytvára výzvy,“ vysvetľuje Tapley. „Ak máte tento laser v zrkadle, ktoré sa otáča v oboch osiach, môže byť niekedy náchylný na otrasy a vibrácie." Viete, ako typ, ktorý môžete nájsť v aute, poskakujúcom po ceste 70-kou mph.

Eldada poukazuje na iné problémy. „Mikro MEM zrkadlá sa vychýlia zo zarovnania. Neudržiavajú kalibráciu. Keď dôjde k veľkým zmenám teploty, je potrebné ich počas životnosti prekalibrovať.“

„Ak sa zrkadlá zaseknú, máte problém s bezpečnosťou očí,“ zdôrazňuje. A slnečné svetlo môže spôsobiť svoju vlastnú katastrofu. "Máte veľké problémy, keď stojíte pred slnkom," hovorí Eldada. "Slnečné svetlo naň dopadne, svetlo sa odrazí vo vnútri lidaru a nasýti detektory a prehluší signál."

S toľkými rozdielmi medzi všetkými tromi typmi lidaru novej generácie Aptiv zabezpečuje svoje stávky tým, že pracuje so všetkými a investuje do nich. „Každý z nich má rôzne kompromisy vzhľadom na zorné pole, rozsah a rozlíšenie,“ vysvetľuje Tapley. "V závislosti od toho, kde je lidar na vozidle umiestnený, určí, ktorý z nich musí byť najdôležitejší."

Napríklad lidar smerujúci do strany nemusí potrebovať rozsah, ktorý potrebuje lidar smerujúci dopredu. Aptiv dúfa, že zmiešaním a zladením rôznych odrôd využije to najlepšie zo všetkých svetov.

Tak kde je moje samoriadiace auto?

V roku 1999 predstavil Jaguar prvý radarový tempomat v XK, kupé, ktoré sa predávalo za približne 100 000 dolárov v dnešných dolároch. V tom čase boli senzory také drahé, že ako hovorí Tapley: „Ľudia žartovali, že pri každom nákupe radaru máte zadarmo Jag.“

Dnes môžete rovnakú funkciu získať v Corolle za 18 000 dolárov. “S lidarom sme na tej istej krivke učenia,“ hovorí. "Kým sa pevné skupenstvo nestane zrelým a vstúpi do sériovej výroby, tieto vozidlá budú pre priemerného spotrebiteľa dosť cenovo nedostupné."

K tomu pomáha polovodičový lidarový senzor Quanergy v hodnote 900 USD. Nadchádzajúce Fisker Emotion bude prvým vozidlom, ktoré vyrazí do ulíc s týmito senzormi vo vnútri – päť z nich – keď príde v roku 2019. Nie sú väčšie ako akumulátor pre akumulátorovú vŕtačku, sú pochované vo vetracích otvoroch, skryté za chrómovými mriežkami a úplne neviditeľné, pokiaľ ich nehľadáte. Ďaleko od točivých vedier včerajška.

Eldada verí, že už v roku 2020 uvidíme autonómne autá 4. úrovne od notoricky „agresívneho“ amerického výrobcu. „2021, 2022, uvidíte niekoľko ďalších. 2023 je veľký rok. Väčšina automobiliek bude mať samoriadiace autá."

Zatiaľ čo Fisker bude stáť 130 000 dolárov, môže to nakoniec vyzerať podobne ako Jaguar XK z roku 1999: drahá predzvesť budúcej technológie. V konečnom dôsledku, polovodičový lidar znamená, že samojazdiace autá nebudú len robochauffeurs pre bohatých. „To znamená, že každý môže mať auto s vlastným pohonom,“ hovorí Eldada. „Nie je to len pre Mercedes Triedy S a BMW radu 7. To znamená, že ľudia jazdiaci na Toyote Corollas budú mať aj samoriadiace autá.“

A akokoľvek zásadne tento posun môže znieť, autá môžu byť len začiatkom polovodičového lidaru. „Uvidíte to v zariadeniach, uvidíte to v nositeľných zariadeniach, v prilbách hasičov a vojakov. Aplikácie sú takmer neobmedzené."

Odporúčania redaktorov

• Volkswagen spúšťa vlastný program testovania autonómnych áut v USA.
• Robotaxis má problém s pasažiermi, na ktorý nikto nepomyslel
• Ford a VW zatvoria autonómnu automobilovú jednotku Argo AI
• Služba Drive Concierge od Nvidie naplní vaše auto obrazovkami
• Cruiseove robotické taxíky smerujú do Arizony a Texasu