Polprevodniški lidar: ključ do poceni samovozečih avtomobilov

Ste kdaj opazili, kako samovozeči avtomobili na koncu nosijo čudne klobuke?

Najzgodnejši samovozeči vojaški tovornjaki so bili videti, kot da imajo na vrhu vrtečo se kavno pločevinko. Carnegie Mellon's kultni samovozeči Hummer na vrhu je bila ogromna žogica za namizni tenis. Waymov mali prototip nasmejan nosi kupolo v obliki sirene, zaradi katere je videti kot najbolj prikupen policijski avto na svetu.

Znotraj vseh treh je približno ducat laserjev, ki streljajo skozi optiko teleskopa in se vrtijo na stotine krat na minuto, da ustvarijo 300.000 podatkovnih točk na sekundo. Imenuje se lidar in brez njega bi bili vsi ti avtomobili slepi. To je tudi eden največjih razlogov, zakaj trenutno na svojem dovozu nimate samovozečega avtomobila. Pri približno 75.000 $ lahko en sam lidar zlahka stane več kot avto, na katerem se vozi. In to je le ena sestavina samovozeče juhe.

Toda letos se povsod pojavlja nova tehnologija: polprevodniški lidar. Brez gibljivih delov obljublja, da bo samovozečim avtomobilom dal ostrejši in boljši vid, za delček stroškov starih elektromehanskih sistemov. Polprevodniški lidar bo utrl pot prvim samovozečim avtomobilom, ki si jih dejansko lahko privoščite. Evo, kako deluje - in kaj je tik za vogalom.

Kako deluje lidar

Izraz »lidar« izhaja iz mešanja besed »svetloba« in »radar«, kar je tudi priročen način za razumevanje, ker … no, to je radar, vendar s svetlobo.

Osvežitev iz srednješolske fizike: Radar odbije impulz radijskih valov od predmeta, kot je letalo, da ugotovi, kako daleč je, glede na to, kako dolgo traja, da se impulz odbije nazaj. Lidar uporablja svetlobni impulz laserja, da naredi isto.

Vzemite dovolj teh laserjev, jih zavrtite v krogu in na koncu boste imeli tridimenzionalni "točkovni oblak" sveta okoli sebe. Verjetno ste že videli te mavrične pike, ki prikazujejo mestne pokrajine, gore in celo pojočo breztelesno glavo Thoma Yorka v Radiohead's Hiša iz kart glasbeni video. Ta 360-stopinjski 3D zemljevid je kot kamen iz Rosette za samovozeči avto, ki mu omogoča dešifriranje sveta okoli sebe.

»Za ustvarjanje samovozečega sistema potrebujete kombinacijo kamer, radarja in lidarja,« pojasnjuje Jada Tapley, podpredsednica oddelka za napredni inženiring pri Aptiv. Vedela bi. Aptiv je zgradil avtonomni avtomobili Lyft ki je prevažal udeležence po Las Vegasu za CES 2018. V najhujšem zastoju v mestu vse leto. In monsunskim razmeram. Z nič nesrečami.

Ti avtomobili so imeli devet lidarjev, deset radarjev in štiri kamere. Kombinacija vseh treh mu omogoča, da se vozi sam, lidar pa opravlja ključno funkcijo, ki ji inženirji pravijo lokalizacija. »Za vozilo je pomembno, da lahko z zelo visoko stopnjo natančnosti prepozna, kje je na zemljevidu,« pojasnjuje Tapley. "Za to uporabljamo naš lidar."

Razložene ravni avtonomnega avtomobila
Mednarodne inženirske organizacije so se odločile za šest stopenj avtomatizacije, da bi govorile o evoluciji, ki jo bomo videli med neumnimi avtomobili in popolno avtonomijo.

Raven 0: Brez avtonomije
To je avto, ki ga verjetno že imate. Nehaj pošiljati sporočila! Narediti morate vse.
1. stopnja: roke
Vaš avto vam bo pomagal v nekaterih scenarijih, na primer pri upočasnitvi prilagodljivega tempomata na avtocesti, ko to stori avto pred vami.
2. stopnja: roke stran
Vaš avto lahko vozi tako kot vi – v ravno pravih okoliščinah, kot je Teslin avtopilot na ločeni, označeni avtocesti.
3. stopnja: Ugasnjene oči
Pošljite to besedilo; ta avto se ne bo zrušil, če ne bo imel vaše pozornosti. Toda vseeno boste morali prijeti za volan, če se stvari zapletejo, na primer pri Audiju Traffic Jam Pilot.
4. stopnja: Odmisli se
Pojdi spat; vaš avto je pod nadzorom. Ampak še vedno morate sedeti za volanom v vsakem primeru.
Stopnja 5: Popolna avtonomija
Vaš avto nima volana, ker lahko vozi bolje kot vi v vseh scenarijih. Pojdi, sedi zadaj, slabotni človek.

Medtem ko lahko GPS zoži vašo lokacijo na krog okoli 16 čevljev v premeru, lidar lahko to naredi znotraj kroga s premerom štirih centimetrov. To je bolje, kot lahko upravlja veliko voznikov. Tapley se spominja skupine novinarjev z velikimi očmi, ki so se zdrznile, ko je Aptivov avtonomni avto pripeljal mimo parkiranega avtobusa v Las Vegasu. Ni jim bilo treba - ker je avto vedel, da je dovolj prostora. »Kot ljudje se ustrašimo, zlasti velikih, velikih vozil, kot so avtobusi ali semizi. Zato se nagibamo k temu, da smo nekako stran od njih,« pojasnjuje. "Toda avtonomnemu vozilu tega ni treba narediti."

Medtem ko lahko kamere identificirajo predmete in radar pove, kako daleč so, lahko lidar doseže oboje s stopnjo natančnosti, ki se je ne more dotakniti. »Predstavljajte si, da je sredi ceste tekalna plast pnevmatike 18-kolesnika,« pravi Tapley. »Radar tega ne bo zaznal. Lidar bo.”

Zato mora imeti Tesla Model S, ki ima tako kamere kot radar, ne pa lidarja, voznika, pripravljenega, da kadar koli sede za volan. Šteje se za avtonomno vozilo stopnje 2. Skoraj vsi strokovnjaki za avtonomijo avtomobilov — z očitna izjema Elona Muska — verjamem, da je lidar potreben za doseganje prave avtonomije 4. stopnje »spanja za volanom«.

In to je velikanska težava, če vi ali jaz kdaj upamo, da ga bomo imeli. Srebro Velodyne HDL-64E vidite, da pri mnogih testnih avtomobilih stane 75.000 $. Celo "proračunski" model Puck podjetja stane 8.000 $. In to ni del, pri katerem bi lahko varčevali. Predstavljajte si, da stekla vašega avtomobila postanejo črna pri hitrosti 80 milj na uro in imate precej dobro predstavo, kako bi bil videti izguba lidarja v računalniku v samovozečem avtomobilu.

Kot vsa tehnologija je tudi lidar sčasoma postal cenejši, vendar so potrebni natančnost in masivni vrteči se deli elektromehanski lidar pomeni, da ne more postati vsako leto cenejši, manjši in boljši tako kot procesor v vašem telefonu ali računalnik počne.

Kaj pa, če... bi lidar lahko naredili samo iz silicija? Odstranite vse gibljive dele in prihodnost bo videti veliko svetlejša.

Dobrodošli v trdnem stanju

Polprevodniška elektronika, ki po definiciji nima gibljivih delov, je spremenila način, na katerega počnemo vse, od spremljanja časa do poslušanja glasbe. Se spomnite, kako so prenosni CD-predvajalniki nekoč skakali? To se zgodi, ko se zanesete na laser za branje mikroskopskih utorov na vrtečem se disku. Lahko pa postavite svoje pametni telefon v stresalniku za barve in še vedno poslušajte Kanyeja, ker je glasba shranjena na polprevodniških pomnilniških čipih, ki jih ne moti, da bi jih pretresli. Lidar gre v isto smer.

Tako kot prenosni CD-predvajalniki tudi vrteči se elektromehanski lidar ni idealen. "Številka ena, veliki so," pravi Tapley. »Številka dve, dragi so. Polprevodniški lidar nam omogoča, da postanemo manjši, bolje pakiramo v vozila in zmanjšamo stroške.«

Kako premikate svetlobo, ne da bi premaknili lečo ali ogledalo? Kako lidar pride v trdno stanje? Inženirji so iznašli nekaj naravnost genialnih načinov.

Prvi se imenuje bliskavica lidar. »Bliskavica je v bistvu tam, kjer imate vir svetlobe in ta vir svetlobe enkrat preplavi celotno vidno polje s pomočjo impulza,« pojasnjuje Tapley. "Naprava za merjenje časa leta sprejme to svetlobo in lahko naslika podobo tega, kar vidi." Predstavljajte si to kot kamero, ki vidi razdaljo namesto barve.

Toda ta preprostost ima nekaj težav. Če želite videti zelo daleč, potrebujete močan izbruh svetlobe, zaradi česar je dražji. In svetloba ne more biti tako močno da poškoduje človeško mrežnico, kar omejuje doseg. Ena od rešitev je razstreljevanje svetlobe na določeni, nevidni valovni dolžini, ki ne vpliva na človeške oči. Popoln! Dokler ne naletite na še en ulov: poceni silicijeve slikovne naprave ne bodo "prebrale" svetlobnih sunkov v spektru, varnem za oči. Potrebujete drage slikovne naprave z galijevim arzenidom, ki lahko povečajo ceno teh sistemov do 200.000 $.

"Imeti morate izjemno močan vir svetlobe ali izjemno občutljiv sprejemnik, in če teh stvari nimate, potem imate ta omejen doseg," pravi Tapley. Morda je kot nalašč za vladna letala, ki opravljajo podrobne raziskave iz zraka, vendar bliskavica lidar verjetno ni primerna za vašo Corollo.

Nastavite fazerje za skeniranje

Na srečo obstaja še en način. Louay Eldada se ukvarja s problemom, odkar je doktoriral iz optoelektronike v zgodnjih 90-ih; in danes teče Quanergy, eden od najpomembnejših akterjev na področju polprevodniškega lidarja. Eldada in njegova ekipa sta izpeljala drugačen pristop, ko sta pogledala, kako radar deluje. Navsezadnje je bližnji sorodnik lidarja. Izkazalo se je, da se je radar včasih vrtel tako kot lidar, dokler znanstveniki niso razvili briljantne rešitve, znane kot fazni niz.

Fazni niz lahko oddaja radijske valove v katero koli smer – brez vrtenja v krogih – z uporabo mikroskopskega niza posameznih anten, sinhroniziranih na določen način. Z nadzorovanjem časa - ali faze - med vsako anteno, ki oddaja svoj signal, lahko inženirji "usmerijo" en kohezivni signal v določeno smer.

Fazni nizi se v radarjih uporabljajo od leta 1950. Toda Eldada in njegova ekipa so ugotovili, kako uporabiti isto tehniko s svetlobo. "Imamo veliko, običajno milijon, optičnih antenskih elementov," pojasnjuje Eldada. "Na podlagi medsebojnega postopnega razmerja tvorijo sevalni vzorec ali točko, ki ima določeno velikost in je usmerjena v določeno smer."

S pametnim določanjem natančnega utripa milijona posameznih oddajnikov lahko Quanergy »usmerja« svetlobo samo s silicijem. "Učinek motenj določa, v katero smer gre svetloba, ne premikajoče se ogledalo ali leča," pojasnjuje Eldada.

To pomeni, da gnezdo optike in motorjev v vedru lidarja za 75.000 $ izgine in ostanejo vam samo žetoni. Trenutno Quanergy uporablja več čipov in prodaja paket za 900 $, vendar bodo prihodnje različice postale en sam čip. "Na tej točki bo naša prodajna cena padla pod 100 dolarjev," napoveduje Eldada.

Solid state ni samo cenejši, je boljši. »Zmožnost učinkovitega spreminjanja oblike leče v poljubno obliko vam omogoča povečavo in pomanjšavo,« pojasnjuje Eldada. »Predstavljajte si torej, da gledate predmet na svojem voznem pasu in želite v visoki ločljivosti definirati, kaj to je. Zmanjšate velikost točke in ugotovite, da je to jelen, to je guma, to je žimnica, ki je padla s tovornjaka. Hkrati lahko skačeš med tem in gledanjem na veliko sceno.« To "skakanje" se lahko zgodi večkrat krat na sekundo, ne da bi voznik sploh vedel, saj algoritem odloča in določi, kaj si zasluži bližje poglej.

Polprevodniške naprave tudi trajajo dlje. Elektromehanski lidar lahko deluje od 1.000 do 2.000 ur, preden odpove. S povprečno ameriško porabo 293 ur v avtomobilu na leto, bi večina od nas na koncu zamenjala lidar pred pnevmatikami. Quanergy trdi, da bo njegov polprevodniški lidar deloval 100.000 ur – več, kot bo večina avtomobilov kadarkoli vozila.

Ogledalo ogledalo, na steni

Flash in optični fazni nizi so res edini prav polprevodniški lidar. Obstaja pa še tretji nov način za izdelavo lidarja, rdečelasi pastorek, znan kot mikroelektromehanska ogledala - ali ogledala MEMS.

Kot nakazuje "mehanični" v "mikroelektromehanski", obstajajo gibljivi deli, zato zrcala MEMS niso resnično trdna. Vendar so tudi tako majhni, da tehnologija še vedno predstavlja izboljšavo v primerjavi z velikim elektromehanskim lidarjem.

"Arhitektura je zelo preprosta," pojasnjuje Tapley. "Imate en laser, eno ogledalo." Laser se sproži v zelo majhno zrcalo, ki se vrti kot vrh in zagotavlja rotacijo, ki jo dobi običajni lidar, ko zavrti celotno vedro naokrog.

To je dovolj preprosto, dokler ne želite premikati laserja gor in dol poleg vrtenja v krogih. Nato ga morate "kaskadno" spustiti z drugega ogledala, ki se vrti na drugi osi. Lahko pa streljate z več laserji v eno ogledalo. V vsakem primeru se stroški in zapletenost začnejo povečevati.

»Zagotoviti, da je vse popolnoma poravnano, povzroča izzive,« pojasnjuje Tapley. »Če imate ta laser v zrcalu, ki se vrti na obeh oseh, je lahko včasih dovzeten za udarci in vibracije." Saj veste, kot tip, ki ga lahko najdete v avtu, ki poskakuje po cesti pri 70 mph

Eldada opozarja na druga vprašanja. »Ogledala mikro MEM se premaknejo iz poravnave. Ne vzdržujejo kalibracije. Ko pride do velikih temperaturnih sprememb, jih je treba v življenjski dobi ponovno umeriti.«

"Če se ogledala zataknejo, imate težave z varnostjo oči," poudarja. In sončna svetloba lahko povzroči svoje lastno uničenje. "Imaš velike težave, ko si obrnjen proti soncu," pravi Eldada. "Sončna svetloba ga bo zadela, svetloba se bo odbila znotraj lidarja, nasičila detektorje in zadušila signal."

S toliko razlikami med vsemi tremi vrstami lidarjev naslednje generacije Aptiv varuje svoje stave tako, da sodeluje z vsemi in vlaga vanje. "Vsak ima različne kompromise glede na vidno polje, doseg in ločljivost," pojasnjuje Tapley. "Glede na to, kje je ta lidar nameščen na vozilu, bo to narekovalo, kateri od teh mora biti najpomembnejši."

Stranski lidar, na primer, morda ne bo potreboval dosega, ki ga potrebuje sprednji lidar. Z mešanjem in usklajevanjem različnih sort Aptiv upa, da bo izkoristil najboljše iz vseh svetov.

Kje je torej moj samovozeči avto?

Leta 1999 je Jaguar predstavil prvi radarski tempomat v XK, kupeju, ki je bil prodan za približno 100.000 dolarjev v današnjih dolarjih. Takrat so bili senzorji tako dragi, da so se, kot pravi Tapley, "ljudje šalili, da ob vsakem nakupu radarja dobite brezplačno Jag."

Danes lahko dobite isto funkcijo v Corolli za 18.000 USD. “Z lidarjem smo nekako na isti krivulji učenja,« pravi. "Dokler trdno stanje ne dozori in ne vstopi v množično proizvodnjo, bodo ta vozila za povprečnega potrošnika precej previsoka."

Quanergyjev polprevodniški lidarski senzor v vrednosti 900 USD pomaga k temu. Prihajajoči Fisker EMotion bo prvo vozilo, ki bo zapeljalo na ulice s temi senzorji v notranjosti – pet jih bo – ko bo prispelo leta 2019. Niso večji od paketa baterij za akumulatorski vrtalni vijačnik, zakopani so v zračnike, skriti za kromiranimi rešetkami in popolnoma nevidni, razen če jih iščete. Daleč od včerajšnjih vrtečih se veder.

Eldada verjame, da bomo že leta 2020 videli avtonomne avtomobile stopnje 4 razvpitega "agresivnega" ameriškega proizvajalca. »2021, 2022, videli boste še več. 2023 je veliko leto. Večina proizvajalcev avtomobilov bo imela samovozeče avtomobile.«

Medtem ko bo cena Fiskerja znašala 130.000 dolarjev, bo morda na koncu zelo podoben Jaguarju XK iz leta 1999: drag znanilec prihajajoče tehnologije. Navsezadnje polprevodniški lidar pomeni, da samovozeči avtomobili ne bodo le robošoferji za premožne. "To pomeni, da ima lahko vsakdo samovozeči avto," pravi Eldada. »Ne velja samo za Mercedes razreda S in BMW serije 7. To pomeni, da bodo ljudje, ki vozijo Toyote Corolle, imeli tudi samovozeče avtomobile.”

In ne glede na to, kako temeljni se morda sliši ta premik, so lahko avtomobili šele začetek za polprevodniški lidar. »Videli ga boste v napravah, videli ga boste v nosljivih izdelkih, v čeladah gasilcev in vojakov. Aplikacije so skoraj neomejene.”

Priporočila urednikov

• Volkswagen začenja lasten program testiranja samovozečih avtomobilov v ZDA
• Robotaxiji imajo težavo s potniki, na katero nihče ni pomislil
• Ford in VW zapirata enoto za avtonomne avtomobile Argo AI
• Nvidijin Drive Concierge bo vaš avto napolnil z zasloni
• Cruisovi robotski taksiji se odpravijo v Arizono in Teksas