Солид-Стате Лидар: Кључ за јефтине аутомобиле који се сами возе

Да ли сте икада приметили како аутомобили који се сами возе на крају носе неке чудне шешире?

Најранији самовозећи војни камиони изгледали су као да имају лименке кафе које се окрећу на врху. Царнегие Меллон'с култни самовозећи Хамер на врху је била огромна пинг-понг лоптица. Вејмов насмејани мали прототип носи куполу у облику сирене која га чини као најслађи полицијски аутомобил на свету.

Унутар сва три налази се десетак ласера, који пуцају кроз оптику телескопског квалитета, окрећући се стотинама пута у минути, да би генерисали 300.000 тачака података у секунди. Зове се лидар, и без њега би сви ови аутомобили били слепи. То је такође један од највећих разлога зашто тренутно немате самовозећи аутомобил на свом прилазу. Са око 75.000 долара, један лидар може лако коштати више од аутомобила на којем се вози. А то је само један састојак у самовозећој супи.

Али нова технологија се ове године појављује свуда: Солид-стате лидар. Без покретних делова, обећава да ће аутомобилима који се сами возе дати оштрији, бољи вид, уз само делић цене електромеханичких система старе школе. Солид-стате лидар ће утрти пут за прве самовозеће аутомобиле које можете себи приуштити. Ево како то функционише - и шта је одмах иза угла.

Како ради лидар

Термин „лидар“ долази од мешања „светлости“ и „радара“, што такође чини згодан начин за разумевање јер… па, то је радар, али са светлом.

Освежавање из физике у средњој школи: Радар одбија пулс радио таласа од објекта, попут авиона, да би одредио колико је удаљен, на основу тога колико је времена потребно да се пулс одбије. Лидар користи импулс светлости из ласера ​​да уради исту ствар.

Узмите довољно тих ласера, завртите их у круг и на крају ћете добити тродимензионални „облак тачака“ света око себе. Вероватно сте видели ове тачке дугиних боја које приказују градске пејзаже, планине, па чак и распевану, бестелесну главу Тома Јорка у Радиохеад'с Кућа карата спот. Та 3Д мапа од 360 степени је попут камена из Розете за самовозећи аутомобил, омогућавајући му да дешифрује свет око себе.

„Потребна вам је комбинација камера, радара и лидара да бисте креирали систем за самосталну вожњу“, објашњава Јада Таплеи, потпредседница напредног инжењеринга у Аптив-у. Она би знала. Аптив је изградио аутономни Лифт аутомобили који је превозио учеснике по Лас Вегасу за ЦЕС 2018. У најгорем застоју који град види целе године. И услови попут монсуна. Са нула незгода.

Ти аутомобили су имали девет лидара, десет радара и четири камере. Комбинација сва три омогућава да се сам вози, али лидар обавља кључну функцију коју инжењери називају локализацијом. „Важно је да возило може са веома високим степеном прецизности да идентификује где се налази на мапи“, објашњава Тапли. "Користимо наш лидар да то урадимо."

Објашњени нивои аутономног аутомобила
Међународне инжењерске организације су се одлучиле на шест нивоа аутоматизације како би разговарале о еволуцији коју ћемо видети између глупих аутомобила и потпуне аутономије.

Ниво 0: Нема аутономије
Ово је аутомобил који вероватно већ поседујете. Престани да шаљеш поруке! Морате учинити све.
Ниво 1: Руке на
Ваш аутомобил ће вам помоћи у неким сценаријима, као што је адаптивни темпомат који вас успорава на аутопуту када то учини аутомобил испред вас.
Ниво 2: Руке даље
Ваш аутомобил може да вози баш као и ви - под правим околностима, као што је Тесла аутопилот на подељеном, обележеном аутопуту.
Ниво 3: Искључене очи
Само напред и пошаљите тај текст; овај аутомобил се неће срушити ако нема вашу пажњу. Али и даље ћете морати да ухватите волан ако се ствари закомпликују, као код Ауди Траффиц Јам Пилот.
Ниво 4: Пазите
Ићи на спавање; ваш ауто је под контролом. Али и даље морате седети за воланом за сваки случај.
Ниво 5: Потпуна аутономија
Ваш аутомобил нема волан, јер може да вози боље него ви у свим сценаријима. Иди седи позади, нејаки човече.

Док ГПС може да сузи вашу локацију на круг око 16 стопа у пречнику, лидар то може да уради унутар круга пречника четири инча. То је боље него што многи возачи могу да поднесу. Таплеи се сећа једне групе новинара широм отворених очију како се тргну док је Аптивов аутономни аутомобил пролетео поред паркираног аутобуса у Лас Вегасу. Није им било потребно - јер је ауто знао да има довољно места. „Као људи, ми смо застрашени, посебно великим, великим возилима попут аутобуса или полуприколица. Тако да имамо тенденцију да се некако удаљимо од њих“, објашњава она. "Али аутономно возило не мора то да ради."

Док камере могу да идентификују објекте, а радар може да каже колико су удаљени, лидар може да постигне и једно и друго са степеном прецизности који ниједан не може да додирне. „Замислите да се на средини пута налази газиште гуме за 18 точкова“, каже Таплеи. „Радар то неће открити. Лидар ће.”

Зато Тесла Модел С, који има и камере и радар, али нема лидар, мора имати возача спремног да седне за волан у било ком тренутку. Сматра се аутономним возилом другог нивоа. Скоро сви стручњаци за аутономију аутомобила — са очигледан изузетак Елона Маска — верујте да је лидар неопходан да би се постигла права аутономија „спавања за воланом“ нивоа 4.

А то је огроман проблем ако се ти или ја икада надамо да ћемо га поседовати. Сребро Велодине ХДЛ-64Е које видите на врху многих тестних аутомобила коштају 75.000 долара. Чак и „буџетски“ модел компаније Пуцк кошта 8.000 долара. И ово није део на коме можете да уштедите. Замислите да вам стакла на аутомобилу црне при брзини од 80мпх, и имате прилично добру идеју како би губитак лидара изгледао на рачунару у аутомобилу који се самостално вози.

Као и свака технологија, лидар је временом постао јефтинији, али је потребна прецизност и масивни делови који се окрећу електромеханички лидар значи да не може сваке године постати јефтинији, мањи и бољи на исти начин на који процесор у вашем телефону или компјутер ради.

Али шта ако... можете направити лидар само од силицијума? Уклоните све покретне делове и будућност почиње да изгледа много светлија.

Добродошли у солидно стање

Солид-стате електроника, која по дефиницији нема покретних делова, променила је начин на који радимо све, од праћења времена до слушања музике. Сећате се како су преносиви ЦД плејери прескакали? То се дешава када се ослањате на ласер за читање микроскопских жлебова на диску који се окреће. Али можете ставити своје смартфон у шејкеру за фарбање и још увек слушајте Кањеа, јер је музика ускладиштена на меморијским чиповима чврстог стања којима не смета да се протресу. Лидар иде у истом правцу.

Као и преносиви ЦД плејери, електромеханички лидар који се окреће није идеалан. „Број један, они су велики“, каже Таплеи. „Под бројем два, скупи су. Солид-стате лидар нам омогућава да се смањимо, боље пакујемо у возила и смањимо трошкове.”

Како померати светлост без померања сочива или огледала? Како лидар долази у чврсто стање? Инжењери су смислили неке сасвим генијалне начине.

Први се зове блиц лидар. „Блиц је у основи тамо где имате извор светлости и тај извор светлости преплави цело видно поље једном користећи пулс“, објашњава Тапли. „Снимач времена лета прима ту светлост и може да наслика слику онога што види. Замислите то као камеру која види удаљеност уместо боје.

Али та једноставност долази са неким препрекама. Да бисте видели далеко, потребан вам је снажан рафал светлости, што га чини скупљим. А светлост не може бити тако моћан да оштећује људске мрежњаче, што ограничава домет. Једно решење је експлодирати светлост на одређеној, невидљивој таласној дужини која не утиче на људске очи. Савршен! Док не наиђете на још једну замку: Јефтини уређаји за снимање силикона неће „читати“ експлозије светлости у спектру безбедном за очи. Потребни су вам скупи снимачи галијум-арсенида, који могу повећати цену ових система до 200.000 долара.

„Морате да имате изузетно моћан извор светлости или изузетно осетљив пријемник, а ако немате те ствари, онда имате овај ограничени домет“, каже Тапли. Можда је савршен за владине авионе који спроводе детаљна истраживања из ваздуха, али флеш лидар вероватно није прикладан за вашу Цороллу.

Подесите фазере за скенирање

На срећу, постоји још један начин. Лоуаи Елдада се бави проблемом откако је докторирао из оптоелектронике раних 90-их; а данас трчи Куанерги, један од еминентних играча у солид-стате лидару. Елдада и његов тим су извели другачији приступ посматрајући како радар функционише. То је, ипак, блиски рођак лидара. Како се испоставило, радар се некада окретао баш као лидар, све док научници нису развили бриљантно решење познато као фазни низ.

Фазни низ може емитовати радио таласе у било ком смеру - без окретања у круг - користећи микроскопски низ појединачних антена синхронизованих на специфичан начин. Контролисањем времена - или фазе - између сваке антене која емитује свој сигнал, инжењери могу да "усмеравају" један кохезивни сигнал у одређеном правцу.

Фазни низови су у употреби у радару од 1950-их. Али Елдада и његов тим су схватили како да користе исту технику са светлом. „Имамо велики број, обично милион, оптичких антенских елемената“, објашњава Елдада. „Засновано на њиховом фазном међусобном односу, они формирају образац зрачења, или тачку, која има одређену величину и усмерена је у одређеном правцу.

Интелигентним темпирањем прецизног блица милион појединачних емитера, Куанерги може да „управља“ светлошћу користећи само силицијум. „Ефекат интерференције одређује у ком смеру иде светлост, а не огледало или сочиво које се креће“, објашњава Елдада.

То значи да гнездо оптике и мотора унутар лидарске кашике од 75.000 долара нестаје, а вама остају само чипови. Тренутно, Куанерги користи неколико чипова и продаје пакет за 900 долара, али будуће верзије ће постати један чип. „У том тренутку наша продајна цена ће постати испод 100 долара“, предвиђа Елдада.

Чврсто стање није само јефтиније, већ је и боље. „Могућност да ефикасно промените облик сочива у било који облик који желите омогућава вам да зумирате и умањујете“, објашњава Елдада. „Зато замислите да гледате објекат у својој траци и желите да дефинишете у високој резолуцији шта је то. Смањите величину тачке и утврдите да је то јелен, то је гума, то је душек који је пао са камиона. У исто време, можете да скачете између тога и гледања велике сцене.” Ово „скакање“ може се десити вишеструко пута у секунди, а да возач ни не зна, јер алгоритам позива ударце и одређује шта заслужује ближе погледај.

Уређаји у чврстом стању такође трају дуже. Електромеханички лидар може да ради између 1.000 и 2.000 сати пре квара. Са просечном америчком потрошњом 293 сата у аутомобилу годишње, већина нас би на крају заменила лидар пре гума. Куанерги тврди да ће његов солид-стате лидар радити 100.000 сати — више него што ће већина аутомобила икада возити.

Огледало огледало на зиду

Фласх и оптички фазни низови су заиста једини истина чврсти лидар. Али постоји и трећи нови начин да се уради лидар, црвенокосо пасторче познато као микроелектромеханичка огледала - или МЕМС огледала.

Као што „механичко“ у „микроелектромеханичком“ сугерише, постоје покретни делови, тако да МЕМС огледала нису заиста чврста. Али они су такође толико сићушни да технологија и даље представља побољшање у односу на електромеханички лидар великих размера.

„Архитектура је веома једноставна“, објашњава Тапли. "Имате један ласер, једно огледало." Ласер пуца у веома сићушно огледало, које се окреће попут врха, обезбеђујући ротацију коју конвенционални лидар добија окретањем целе канте.

Довољно је једноставно, све док не пожелите да померате ласер горе-доле поред окретања у круговима. Затим га морате „каскадно одвојити“ од другог огледала, које се окреће на другој оси. Или можете пуцати више ласера ​​​​на једно огледало. У сваком случају, цена и сложеност почињу да расту.

„Уверите се да је све савршено усклађено ствара изазове“, објашњава Тапли. „Ако имате овај ласер у огледалу које се ротира на обе осе, понекад може бити подложан шок и вибрације.” Знате, као тип који можете наћи у аутомобилу, који скаче низ пут на 70 мпх.

Елдада указује на друга питања. „Микро МЕМ огледала се померају из поравнања. Не одржавају калибрацију. Када дође до великих промена у температури, потребно их је поново калибрисати током животног века."

„Ако се огледала заглаве, имате проблем са безбедношћу очију“, истиче он. А сунчева светлост може сама да направи хаос. "Имате великих проблема када сте окренути сунцу", каже Елдада. "Сунчева светлост ће га погодити, светлост ће се рефлектовати унутар лидара, засићити детекторе и угушити сигнал."

Са толико разлика између сва три типа лидара следеће генерације, Аптив штити своје опкладе радећи са свима њима и улажући у њих. „Сваки има различите компромисе у односу на видно поље, домет и резолуцију“, објашњава Таплеи. „У зависности од тога где се тај лидар налази на возилу, то ће диктирати који од њих треба да буде најважнији.

Бочно окренутом лидару, на пример, можда неће бити потребан домет као предњи лидар. Мешањем и усклађивањем између различитих сорти, Аптив се нада да ће искористити најбоље од свих светова.

Па где је мој ауто који се вози?

1999. Јагуар је представио први темпомат заснован на радару у КСК, купеу који се продавао за око 100.000 долара у данашњим доларима. У то време, сензори су били толико скупи да су се, како каже Тапли, „људи шалили да добијате бесплатан Јаг уз сваку куповину радара.

Данас можете добити исту функцију у Цоролли од 18.000 долара. “Ми смо некако на истој кривуљи учења са лидаром", каже она. „Док чврсто стање не постане зрело и не уђе у масовну производњу, ова возила ће бити прилично скупа за просечног потрошача.

Куанерги-јев полупроводнички лидар сензор од 900 долара помаже да се то догоди. Предстојеће Фискер Емотион биће прво возило које ће изаћи на улице са тим сензорима унутра - њих пет - када стигне 2019. Не веће од батерије за бежичну бушилицу, закопане су у вентилационе отворе, скривене иза хромираних решетки и потпуно невидљиве осим ако их не тражите. Далеко од јучерашњих канти које се окрећу.

Елдада верује да ћемо видети аутономне аутомобиле нивоа 4 од озлоглашеног „агресивног“ америчког произвођача већ 2020. „2021, 2022, видећете још неколико. 2023 је велика година. Већина произвођача аутомобила ће имати аутомобиле који се сами возе."

Док ће Фискер коштати 130.000 долара, могао би на крају изгледати као Јагуар КСК из 1999. године: скупи предзнак технологије која долази. На крају, солид-стате лидар значи да аутомобили који се сами возе неће бити само робошофери за богате. „То значи да свако може да има ауто који се самостално вози“, каже Елдада. „То није само за Мерцедес С-класу и БМВ серије 7. То значи да ће људи који возе Тоиоте Цоролла имати и аутомобиле који се сами возе.

И колико год та промена звучала фундаментално, аутомобили могу бити само почетак за солид-стате лидар. „Видећете то у уређајима, видећете то у носивим уређајима, у шлемовима ватрогасаца и војника. Апликације су скоро неограничене.”

Препоруке уредника

• Волксваген покреће сопствени програм тестирања самовозећих аутомобила у САД
• Роботакис имају проблем са путницима на који нико није помислио
• Форд и ВВ затварају аутономну аутомобилску јединицу Арго АИ
• Нвидиа Дриве Цонциерге ће испунити ваш аутомобил екранима
• Цруисеови робот таксији крећу у Аризону и Тексас