Solid State Lidar: Nyckeln till billiga självkörande bilar

Har du någonsin märkt hur självkörande bilar slutar med konstiga hattar?

De tidigaste självkörande militärlastbilarna såg ut att ha snurrande kaffeburkar uppe. Carnegie Mellon ikoniska självkörande Hummer toppades av en gigantisk pingisboll. Waymos smiley lilla prototyp bär en sirenformad kupol som får den att se ut som världens mest bedårande polisbil.

Inuti alla tre finns ungefär ett dussin lasrar som skjuter genom teleskopoptik, slingrar runt hundratals gånger per minut, för att generera 300 000 datapunkter per sekund. Det kallas lidar, och utan det skulle alla dessa bilar vara blinda. Det är också en av de största anledningarna till att du inte har en självkörande bil på din uppfart just nu. Till cirka 75 000 dollar kan en enda lidar lätt kosta mer än bilen den åker på. Och det är bara en ingrediens i den självkörande soppan.

Men en ny teknik dyker upp överallt i år: Solid-state lidar. Utan rörliga delar lovar den att ge självkörande bilar skarpare, bättre sikt, till en bråkdel av kostnaden för gamla elektromekaniska system. Solid-state lidar kommer att bana väg för de första självkörande bilarna du faktiskt har råd med. Så här fungerar det – och vad som finns precis runt hörnet.

Hur lidar fungerar

Termen "lidar" kommer från att blanda ihop "ljus" och "radar", vilket också är ett praktiskt sätt att förstå det eftersom... ja, det är radar, men med ljus.

En uppfräschning från gymnasiefysik: Radar studsar en puls av radiovågor från ett objekt, som ett flygplan, för att avgöra hur långt bort det är, baserat på hur lång tid det tar för pulsen att studsa tillbaka. Lidar använder en ljuspuls från en laser för att göra samma sak.

Ta tillräckligt med dessa lasrar, snurra dem i en cirkel, och du slutar med ett tredimensionellt "punktmoln" av världen omkring dig. Du har förmodligen sett dessa regnbågsfärgade prickar som visar stadsbilder, berg och till och med Thom Yorkes sjungande, kroppslösa huvud i Radioheads Korthus musikvideo. Den 360-graders 3D-kartan är som en Rosetta-sten för en självkörande bil, vilket gör att den kan dechiffrera världen runt den.

"Du behöver en kombination av kameror, radar och lidar för att skapa ett självkörande system", förklarar Jada Tapley, VP of Advanced Engineering på Aptiv. Hon skulle veta. Aptiv byggde autonoma Lyft-bilar som förde deltagarna runt Las Vegas för CES 2018. I den värsta grus som staden ser hela året. Och monsunliknande förhållanden. Med noll olyckor.

Dessa bilar hade nio lidar, tio radar och fyra kameror. En kombination av alla tre gör att den kan köra sig själv, men lidar utför den avgörande funktionen som ingenjörer kallar lokalisering. "Det är viktigt för fordonet att med en mycket hög grad av noggrannhet kunna identifiera var det är på kartan", förklarar Tapley. "Vi använder vår lidar för att göra det."

Autonoma bilnivåer förklaras
Internationella ingenjörsorganisationer har bestämt sig för sex nivåer av automatisering för att prata om utvecklingen vi kommer att se mellan dumma bilar och fullständig autonomi.

Nivå 0: Ingen autonomi
Det här är bilen du förmodligen redan äger. Sluta smsa! Du måste göra allt.
Nivå 1: Hands on
Din bil kommer att hjälpa dig i vissa scenarier, som adaptiv farthållare som saktar ner dig på motorvägen när bilen framför dig gör det.
Nivå 2: Hands off
Din bil kan köra precis som du gör – under precis rätt omständigheter, som Tesla Autopilot på en delad, markerad motorväg.
Nivå 3: Eyes off
Varsågod och skicka texten; den här bilen kraschar inte om den inte har din uppmärksamhet. Men du måste fortfarande ta tag i ratten om saker och ting blir komplicerade, som med Audi Traffic Jam Pilot.
Nivå 4: Mind off
Gå och lägg dig; din bil är under kontroll. Men du måste ändå sitta bakom ett hjul i fall.
Nivå 5: Total autonomi
Din bil har ingen ratt, eftersom den kan köra bättre än du kan i alla scenarier. Sätt dig där bak, svag människa.

Medan GPS kan begränsa din position till en cirkel omkring 16 fot i diameter, lidar kan göra det inom en cirkel fyra tum i diameter. Det är bättre än vad många förare kan hantera. Tapley minns en grupp storögda journalister som ryckte till när Aptivs autonoma bil blåste förbi en parkerad buss i Las Vegas. De behövde inte – för bilen visste att det fanns gott om plats. "Som människor blir vi skrämda, särskilt av stora, stora fordon som bussar eller semibilar. Så vi tenderar att komma bort från dem, förklarar hon. "Men ett autonomt fordon behöver inte göra det."

Medan kameror kan identifiera objekt och radar kan berätta hur långt borta de är, kan lidar uppnå båda med en viss precision som varken kan röra. "Föreställ dig att det finns ett 18-hjuligt däckmönster mitt på vägen", säger Tapley. "Radar kommer inte att upptäcka det. Lidar kommer.”

Det är därför en Tesla Model S, som har både kameror och radar, men ingen lidar, måste ha en förare beredd att ta ratten när som helst. Det anses vara ett autonomt fordon på nivå 2. Nästan alla experter på bilautonomi — med ett uppenbart undantag från Elon Musk — tror att lidar är nödvändigt för att uppnå verklig "sömn bakom ratten" nivå 4 autonomi.

Och det är ett enormt problem om du eller jag någonsin hoppas kunna äga en. Silvret Velodyne HDL-64E du ser att ovanpå många testbilar kostar $75 000. Till och med företagets "budget" Puck-modell kostar $8 000. Och det här är inte en del du kan vilja snåla med. Föreställ dig att dina bilrutor blir svarta i 80 mph, och du har en ganska bra uppfattning om hur att förlora lidar skulle se ut för datorn i en självkörande bil.

Liksom all teknik har lidar blivit billigare med tiden, men precisionen krävs och massiva snurrande delar in elektromekaniska lidar betyder att det inte kan bli billigare, mindre och bättre varje år på samma sätt som processorn i din telefon eller datorn gör det.

Men tänk om... du kunde göra lidar av bara kisel? Ta bort alla rörliga bitar, och framtiden börjar se mycket ljusare ut.

Välkommen till solid state

Solid-state elektronik, som per definition inte har några rörliga delar, har förändrat hur vi gör allt från att hålla koll på tiden till att lyssna på musik. Kommer du ihåg hur bärbara CD-spelare brukade hoppa över? Det är vad som händer när du litar på en laser för att läsa mikroskopiska spår i en snurrande skiva. Men du kan lägga din smartphone i en färgskakare och fortfarande lyssna på Kanye, eftersom musiken är lagrad på solid-state minneschips som inte har något emot att skakas om. Lidar är på väg åt samma håll.

Precis som bärbara CD-spelare är spinning av elektromekanisk lidar inte idealiskt. "Nummer ett, de är stora", säger Tapley. "Nummer två, de är dyra. Solid-state lidar tillåter oss att bli mindre, paketera bättre i fordonen och minska kostnaderna."

Hur flyttar du runt ljus utan att flytta en lins eller en spegel? Hur kommer lidar till fast tillstånd? Ingenjörer har utarbetat några rent geniala sätt.

Den första heter blixt lidar. "Blixt är i princip där du har en ljuskälla och den ljuskällan översvämmer hela synfältet en gång med hjälp av en puls," förklarar Tapley. "En tidsbildskamera tar emot det ljuset och kan måla bilden av vad den ser." Se det som en kamera som ser avstånd istället för färg.

Men den enkelheten kommer med en del nackdelar. För att se väldigt långt behöver du en kraftfull ljusskur, vilket gör det dyrare. Och ljuset kan inte vara så kraftfull att det skadar mänskliga näthinnor, vilket begränsar räckvidden. En lösning är att spränga ljus vid en specifik, osynlig våglängd som inte påverkar mänskliga ögon. Perfekt! Tills du stöter på ännu en hake: Billiga silikonbilder "läser" inte ljusstötar i det ögonsäkra spektrumet. Du behöver dyra gallium-arsenid-avbildare, vilket kan öka kostnaden för dessa system så högt som $200 000.

"Du måste ha en extremt kraftfull ljuskälla eller en extremt känslig mottagare, och om du inte har de sakerna så har du det här begränsade räckvidden", säger Tapley. Det kan vara perfekt för statliga flygplan som utför detaljerade flygundersökningar, men flash lidar passar förmodligen inte för din Corolla.

Ställ in phasers för att skanna

Lyckligtvis finns det ett annat sätt. Louay Eldada har knäckt problemet sedan han tog sin doktorsexamen i optoelektronik i början av 90-talet; och idag springer han Quanergi, en av de framstående spelarna i solid-state lidar. Eldada och hans team fick ett annat tillvägagångssätt genom att titta på hur radar fungerar. Det är trots allt en nära kusin till lidar. Som det visar sig snurrade radar precis som lidar, tills forskare utvecklade en briljant lösning som kallas den fasade arrayen.

En fasad array kan sända radiovågor i vilken riktning som helst - utan att snurra i cirklar - genom att använda en mikroskopisk grupp av individuella antenner som synkroniseras på ett specifikt sätt. Genom att kontrollera timingen - eller fasen - mellan varje antenn som sänder sin signal, kan ingenjörer "styra" en sammanhängande signal i en specifik riktning.

Fasade arrayer har använts i radar sedan 1950-talet. Men Eldada och hans team kom på hur man använder samma teknik med ljus. "Vi har ett stort antal, vanligtvis en miljon, optiska antennelement", förklarar Eldada. "Baserat på deras fasförhållande mellan varandra bildar de ett strålningsmönster, eller fläck, som har en viss storlek och pekar i en viss riktning."

Genom att intelligent tajma den exakta blixten från en miljon individuella sändare kan Quanergy "styra" ljus med enbart kisel. "Störningseffekten avgör i vilken riktning ljuset går, inte en rörlig spegel eller lins", förklarar Eldada.

Det betyder att boet av optik och motorer inuti en lidarhink på $75 000 försvinner, och du har bara chips kvar. Just nu använder Quanergy flera marker och säljer paketet för $900, men framtida versioner kommer att bli ett enda marker. "Vid den tidpunkten kommer vårt försäljningspris att bli under $100," förutspår Eldada.

Solid state är inte bara billigare, det är bättre. "Att effektivt kunna ändra formen på linsen till vilken form du vill gör att du kan zooma in och zooma ut", förklarar Eldada. "Så föreställ dig att du tittar på ett objekt i din körfält och du vill definiera i hög upplösning vad det är. Du minskar fläckstorleken och avgör att det är ett rådjur, det är ett däck, det är en madrass som ramlade av en lastbil. Samtidigt kan du hoppa mellan att göra det och titta på den stora scenen.” Denna "hoppning" kan hända flera gånger gånger per sekund utan att en förare ens vet det, eftersom en algoritm anropar skotten och avgör vad som förtjänar en närmare se.

Solid-state-enheter håller också längre. Elektromekanisk lidar kan köras i mellan 1 000 och 2 000 timmar innan fel. Med de genomsnittliga amerikanska utgifterna 293 timmar i bil per år, de flesta av oss skulle sluta byta ut vår lidar före våra däck. Quanergy hävdar att dess solid-state lidar kommer att köra i 100 000 timmar - mer än de flesta bilar någonsin kommer att köra.

Spegel spegel på väggen där

Flash och optiska fasade arrayer är egentligen de enda Sann solid-state lidar. Men det finns ett tredje nytt sätt att göra lidar, det rödhåriga styvbarnet känt som mikroelektromekaniska speglar - eller MEMS-speglar.

Som det "mekaniska" i "mikroelektromekaniskt" antyder, finns det rörliga delar, så MEMS-speglar är inte riktigt solid-state. Men de är också så små att tekniken fortfarande representerar en förbättring jämfört med storskalig elektromekanisk lidar.

"Arkitekturen är väldigt enkel," förklarar Tapley. "Du har en laser, en spegel." Lasern skjuter in i den mycket lilla spegeln, som snurrar som en topp, vilket ger den rotation som konventionell lidar får av att snurra runt en hel hink.

Det är enkelt nog, tills du vill flytta lasern upp och ner förutom att snurra i cirklar. Sedan måste du "kaskadera" den från en annan spegel, som snurrar på en annan axel. Eller så kan du skjuta flera lasrar mot en spegel. Hur som helst, kostnaden och komplexiteten börjar byggas upp.

"Att se till att allt är perfekt anpassat skapar utmaningar", förklarar Tapley. "Om du har den här lasern i en spegel som roterar på båda axlarna, kan den ibland vara känslig för stötar och vibrationer." Du vet, som den typ du kan hitta i en bil, som studsar nerför vägen vid 70 mph.

Eldada pekar på andra frågor. "Micro MEM-speglar glider ur linje. De upprätthåller inte kalibreringen. När det sker stora temperaturförändringar måste de kalibreras om under hela livet."

"Om speglarna fastnar har du ett ögonsäkerhetsproblem", påpekar han. Och solljus kan orsaka sin egen förödelse. "Du har stora problem när du står inför solen", säger Eldada. "Solljuset kommer att träffa det, ljuset kommer att reflekteras inuti lidaren, och mätta detektorerna och överrösta signalen."

Med så många skillnader mellan alla tre typerna av nästa generations lidar, säkrar Aptiv sina insatser genom att arbeta med – och investera i – dem alla. "Var och en har olika avvägningar i förhållande till synfält, räckvidd och upplösning," förklarar Tapley. "Beroende på var den där lidaren är placerad på fordonet, kommer det att diktera vilken av dem som måste vara viktigast."

Sidovända lidar, till exempel, behöver kanske inte det intervall som framåtvända lidar gör. Genom att blanda och matcha sorten hoppas Aptiv kunna utnyttja det bästa av alla världar.

Så var är min självkörande bil?

1999 introducerade Jaguar den första radarbaserade farthållaren i XK, en coupé som såldes för cirka 100 000 dollar i dagens dollar. På den tiden var sensorerna så dyra att som Tapley säger: "Folk skämtade med att du fick en gratis Jag med varje radarköp."

Idag kan du få samma funktion i en $18 000 Corolla. “Vi är ungefär på samma inlärningskurva med lidar, säger hon. "Tills solid state blir mogen och går in i massproduktion kommer dessa fordon att vara ganska oöverkomliga för en genomsnittlig konsument att äga."

Quanergys $900 solid-state lidar-sensor hjälper till att få det att hända. Den kommande Fisker EMotion kommer att vara det första fordonet som kommer ut på gatorna med dessa sensorer inuti – fem av dem – när det kommer 2019. De är inte större än batteripaketet för en sladdlös borrmaskin, de är begravda i ventiler, gömda bakom kromade galler och helt osynliga om du inte letar efter dem. Långt från gårdagens snurrande hinkar.

Eldada tror att vi kommer att se nivå 4 autonoma bilar från en notoriskt "aggressiv" amerikansk tillverkare redan 2020. "2021, 2022 kommer du att se flera fler. 2023 är det stora året. De flesta biltillverkare kommer att ha självkörande bilar."

Även om Fisker kommer att kosta 130 000 $, kan den i slutändan likna Jaguar XK från 1999: Ett dyrt förebud om kommande teknik. I slutändan betyder solid-state lidar att självkörande bilar inte bara kommer att vara robochaufförer för de rika. "Det betyder att alla kan ha en självkörande bil", säger Eldada. "Det är inte bara för Mercedes S-klass och BMW 7-serie. Det betyder att personer som kör Toyota Corollas också kommer att ha självkörande bilar.”

Och hur grundläggande det skiftet än kan låta, kan bilar bara vara början på solid-state lidar. "Du kommer att se det i enheter, du kommer att se det i wearables, i brandmäns och soldaters hjälmar. Applikationerna är nästan obegränsade.”

Redaktörens rekommendationer

• Volkswagen lanserar sitt eget självkörande biltestprogram i USA.
• Robotaxis har ett passagerarproblem som ingen tänkt på
• Ford och VW lägger ner Argo AI autonom bilenhet
• Nvidias Drive Concierge kommer att fylla din bil med skärmar
• Cruises robottaxi åker till Arizona och Texas