Katı Hal Lidar: Ucuz Sürücüsüz Arabaların Anahtarı

Kendi kendini süren arabaların nasıl tuhaf şapkalar taktığını hiç fark ettiniz mi?

İlk sürücüsüz askeri kamyonlar, üstlerinde dönen kahve kutularına benziyordu. Carnegie Mellon'un ikonik otonom Hummer tepesinde dev bir pinpon topu vardı. Waymo'nun gülen küçük prototipi, onu dünyanın en sevimli polis arabasına benzeten siren şeklinde bir kubbeye sahip.

Üçünün de içinde, saniyede 300.000 veri noktası oluşturmak için, teleskop düzeyindeki optiklerle ateş eden, dakikada yüzlerce kez dolaşan yaklaşık bir düzine lazer var. Buna lidar deniyor ve o olmasaydı bu arabaların hepsi kör olurdu. Ayrıca şu anda garajınızda sürücüsüz bir arabanın bulunmamasının en büyük nedenlerinden biri de bu. Yaklaşık 75.000 dolar değerindeki tek bir lidar, bindiği arabadan kolaylıkla daha pahalıya mal olabilir. Ve bu, sürücüsüz çorbanın içindeki maddelerden sadece biri.

Ancak bu yıl her yerde yeni bir teknoloji ortaya çıkıyor: Katı hal lidarı. Hareketli parça içermemesi nedeniyle, eski tip elektromekanik sistemlerin maliyetinin çok altında bir maliyetle, sürücüsüz arabalara daha keskin, daha iyi görüş sağlamayı vaat ediyor. Katı hal lidarı, gerçekten karşılayabileceğiniz ilk otonom arabaların önünü açacak. İşte nasıl çalışıyor - ve hemen köşede ne var.

Lidar nasıl çalışır?

"Lidar" terimi, "ışık" ve "radar"ın bir araya getirilmesinden gelir, bu da onu anlamanın kullanışlı bir yolunu sağlar çünkü... yani, bu bir radardır, ama ışıkla birlikte.

Lise fiziğinden bir tazeleme: Radar, darbenin geri dönmesinin ne kadar sürdüğüne bağlı olarak, nesnenin ne kadar uzakta olduğunu belirlemek için uçak gibi bir nesneden radyo dalgası darbesi yansıtır. Lidar aynı şeyi yapmak için lazerden gelen ışık darbesini kullanıyor.

Bu lazerlerden yeterince alın, onları bir daire şeklinde döndürün ve etrafınızdaki dünyanın üç boyutlu bir "nokta bulutu" elde edin. Şehir manzaralarını, dağları ve hatta Thom Yorke'un şarkı söyleyen bedensiz kafasını tasvir eden bu gökkuşağı rengindeki noktaları muhtemelen görmüşsünüzdür. Radiohead'in Kart Evi müzik video. Bu 360 derecelik 3 boyutlu harita, sürücüsüz bir arabanın Rosetta Stone'u gibidir ve etrafındaki dünyanın şifresini çözmesine olanak tanır.

Aptiv İleri Mühendislik Başkan Yardımcısı Jada Tapley, "Kendi kendine sürüş sistemi oluşturmak için kamera, radar ve lidar kombinasyonuna ihtiyacınız var" diye açıklıyor. Bilirdi. Aptiv inşa etti otonom Lyft arabaları CES 2018 için katılımcıları Las Vegas'a taşıdı. Şehir tüm yıl boyunca en kötü çıkmazda. Ve muson benzeri koşullar. Sıfır kazayla.

Bu arabalarda dokuz lidar, on radar ve dört kamera vardı. Üçünün birleşimi, kendi kendine hareket etmesine izin verir, ancak Lidar, mühendislerin yerelleştirme dediği çok önemli işlevi yerine getirir. Tapley, "Aracın haritada nerede olduğunu çok yüksek derecede doğrulukla tespit edebilmesi önemli" diye açıklıyor. “Bunu yapmak için lidarımızı kullanıyoruz.”

Otonom araç seviyeleri açıklandı
Uluslararası mühendislik kuruluşları, aptal arabalar ile tam özerklik arasında göreceğimiz evrim hakkında konuşmak için altı otomasyon düzeyi üzerinde anlaştılar.

Seviye 0: Özerklik yok
Bu muhtemelen zaten sahip olduğunuz arabadır. Mesaj atmayı bırak! Her şeyi yapmalısın.
Seviye 1: Uygulamalı
Arabanız, önünüzdeki araba yavaşladığında otoyolda sizi yavaşlatan adaptif hız sabitleyici gibi bazı senaryolarda size yardımcı olacaktır.
Seviye 2: Ellerinizi bırakın
Arabanız tıpkı sizin gibi, doğru koşullar altında, bölünmüş, işaretli bir otoyoldaki Tesla Autopilot gibi gidebilir.
Seviye 3: Gözler kapalı
Devam edin ve o metni gönderin; Eğer dikkatiniz yoksa bu araba kaza yapmaz. Ancak Audi Traffic Jam Pilot'ta olduğu gibi işler karmaşıklaşırsa yine de direksiyona geçmeniz gerekecek.
Seviye 4: Dikkatinizi dağıtın
Uyu; arabanız kontrol altında. Ama yine de her ihtimale karşı direksiyon başında oturmanız gerekiyor.
Seviye 5: Tam özerklik
Arabanızın direksiyonu yoktur çünkü her senaryoda sizden daha iyi sürebilir. Git arkaya otur, zayıf insan.

GPS konumunuzu yaklaşık bir daireye kadar daraltabilirken 16 feet çapındaLidar bunu dört inç çapında bir daire içinde yapabilir. Bu, birçok sürücünün başarabileceğinden daha iyi. Tapley, Aptiv'in otonom arabası Las Vegas'ta park edilmiş bir otobüsün yanından geçerken gözlerini iri iri açan bir grup gazetecinin yüzünü buruşturduğunu hatırlıyor. Buna gerek yoktu çünkü araba yeterince yer olduğunu biliyordu. “İnsanlar olarak özellikle otobüs ve kamyonet gibi büyük araçlardan korkuyoruz. Bu yüzden onlardan biraz uzaklaşma eğilimindeyiz” diye açıklıyor. “Fakat otonom bir aracın bunu yapmasına gerek yok.”

Kameralar nesneleri tanımlayabilir ve radar onların ne kadar uzakta olduklarını söyleyebilirken, Lidar her ikisini de dokunamayacak bir hassasiyetle başarabiliyor. Tapley, "Yolun ortasında 18 tekerlekli bir lastik izi olduğunu hayal edin" diyor. “Radar bunu tespit etmeyecek. Lidar yapacak.”

Bu nedenle hem kamerası hem de radarı olan ancak lidarı olmayan bir Tesla Model S'in her an direksiyona geçmeye hazır bir sürücüsünün olması gerekiyor. Seviye 2 otonom araç olarak kabul edilir. Neredeyse tüm otomobil özerkliği uzmanları — Elon Musk'un göze çarpan istisnası - gerçek "direksiyon başında uyku" seviye 4 özerkliğine ulaşmak için Lidar'ın gerekli olduğuna inanıyorum.

Ve eğer sen ya da ben bir taneye sahip olmayı umuyorsak, bu çok büyük bir sorun. Gümüş Velodyne HDL-64E Birçok test arabasının maliyetinin 75.000 dolar olduğunu görüyorsunuz. Şirketin "bütçeli" Puck modeli bile 8.000 dolardan başlıyor. Ve bu, gözden kaçırmak isteyebileceğiniz bir kısım değil. Arabanızın camlarının saatte 80 mil hızla karardığını hayal edin ve kendi kendini süren bir arabada Lidar'ı kaybetmenin bilgisayara nasıl görüneceği konusunda oldukça iyi bir fikriniz var.

Tüm teknolojiler gibi Lidar da zamanla ucuzladı, ancak gereken hassasiyet ve devasa dönen parçalar elektromekanik lidar, telefonunuzdaki veya işlemcinizdeki işlemci gibi her yıl daha ucuz, daha küçük ve daha iyi hale gelemeyeceği anlamına gelir. bilgisayar yapar.

Peki ya... Lidar'ı yalnızca silikondan yapabilseydiniz? Hareket eden tüm parçaları ortadan kaldırdığınızda gelecek çok daha parlak görünmeye başlar.

Katı duruma hoş geldiniz

Tanımı gereği hareketli parçaları olmayan katı hal elektronikleri, zamanı takip etmekten müzik dinlemeye kadar her şeyi yapma biçimimizi değiştirdi. Taşınabilir CD çalarların nasıl atladığını hatırlıyor musunuz? Dönen bir diskteki mikroskobik olukları okumak için lazere güvendiğinizde olan şey budur. Ama koyabilirsin akıllı telefon boya çalkalayıcıda ve hala Kanye'yi dinliyorum çünkü müzik, sarsılmayı umursamayan katı hal bellek çiplerinde saklanıyor. Lidar da aynı yöne doğru gidiyor.

Taşınabilir CD çalarlar gibi dönen elektromekanik lidar da ideal değildir. Tapley, "Birincisi, büyükler" diyor. “İkincisi, pahalılar. Katı hal lidar, küçülmemize, araçlarda daha iyi paketlememize ve maliyetleri azaltmamıza olanak sağlıyor.”

Bir merceği veya aynayı hareket ettirmeden ışığı nasıl hareket ettirirsiniz? Lidar katı duruma nasıl geçer? Mühendisler bazı düpedüz dahiyane yöntemler geliştirdiler.

İlki denir flaş Lidar. Tapley şöyle açıklıyor: "Flaş, temel olarak bir ışık kaynağına sahip olduğunuz ve bu ışık kaynağının bir darbe kullanarak tüm görüş alanını tek seferde doldurduğu yerdir." "Uçuş zamanı görüntüleyicisi bu ışığı alır ve gördüğü şeyin görüntüsünü çizebilir." Bunu renk yerine mesafeyi gören bir kamera olarak düşünün.

Ancak bu basitlik bazı engelleri de beraberinde getiriyor. Çok uzağı görmek için güçlü bir ışık patlamasına ihtiyacınız var, bu da onu daha pahalı hale getiriyor. Ve ışık olamaz çok güçlü menzili sınırlayan insan retinalarına zarar veriyor. Çözümlerden biri, ışığı insan gözünü etkilemeyen belirli, görünmez bir dalga boyunda patlatmaktır. Mükemmel! Ta ki başka bir sorunla karşılaşana kadar: Ucuz silikon görüntüleme cihazları, göze zarar vermeyen spektrumdaki ışık patlamalarını "okumaz". Bu sistemlerin maliyetini 200.000 dolara kadar çıkarabilecek pahalı galyum-arsenit görüntüleyicilere ihtiyacınız var.

Tapley, "Son derece güçlü bir ışık kaynağına veya son derece hassas bir alıcıya sahip olmanız gerekiyor ve eğer bunlara sahip değilseniz, o zaman sınırlı bir menzile sahipsiniz" diyor. Ayrıntılı hava araştırmaları yapan hükümet uçakları için mükemmel olabilir, ancak flaş lidar muhtemelen Corolla'nıza uygun değildir.

Taramak için fazerleri ayarlayın

Neyse ki başka bir yol daha var. Louay Eldada, 90'ların başında optoelektronik alanında doktorasını aldığından beri bu sorun üzerinde çalışıyor; ve bugün koşuyor Kuanerjikatı hal lidarının önde gelen oyuncularından biri. Eldada ve ekibi radarın nasıl çalıştığına bakarak farklı bir yaklaşım elde etti. Sonuçta Lidar'ın yakın kuzenidir. Görünen o ki, bilim insanları aşamalı dizi olarak bilinen harika bir geçici çözüm geliştirene kadar radar da tıpkı Lidar gibi dönüyordu.

Aşamalı bir dizi, belirli bir şekilde senkronize edilmiş mikroskobik bireysel anten dizisini kullanarak, radyo dalgalarını herhangi bir yönde - daireler halinde dönmeden - yayınlayabilir. Mühendisler, sinyalini yayınlayan her anten arasındaki zamanlamayı veya fazı kontrol ederek, uyumlu bir sinyali belirli bir yöne "yönlendirebilir".

Aşamalı diziler 1950'lerden beri radarda kullanılmaktadır. Ancak Eldada ve ekibi aynı tekniği ışıkla nasıl kullanacaklarını buldular. Eldada, "Çok sayıda, genellikle bir milyon optik anten elemanımız var" diye açıklıyor. "Birbirleri arasındaki aşamalı ilişkilere dayanarak, belirli bir boyuta sahip ve belirli bir yöne işaret eden bir radyasyon modeli veya nokta oluştururlar."

Bir milyon bireysel yayıcının flaşını akıllı bir şekilde zamanlayan Quanergy, yalnızca silikon kullanarak ışığı "yönlendirebilir". Eldada şöyle açıklıyor: "Parazit etkisi, hareketli bir ayna veya mercek değil, ışığın hangi yöne gideceğini belirler."

Bu, 75.000 dolarlık bir lidar kovasının içindeki optik ve motor yuvasının ortadan kaybolduğu ve elinizde yalnızca çiplerin kaldığı anlamına gelir. Şu anda Quanergy birkaç çip kullanıyor ve paketi 900 dolara satıyor, ancak gelecekteki sürümler tek bir çip olacak. Eldada, "Bu noktada satış fiyatımız 100 doların altına düşecek" öngörüsünde bulunuyor.

Katı hal sadece daha ucuz değil, aynı zamanda daha iyi. Eldada şöyle açıklıyor: "Merceğin şeklini etkili bir şekilde istediğiniz herhangi bir şekle getirebilmek, yakınlaştırma ve uzaklaştırma yapmanıza olanak tanıyor." "Şeridinizdeki bir nesneye baktığınızı ve bunun ne olduğunu yüksek çözünürlükte tanımlamak istediğinizi hayal edin. Noktanın boyutunu küçültürsünüz ve bunun bir geyik, lastik, kamyondan düşen bir şilte olduğunu belirlersiniz. Aynı zamanda bunu yapmakla büyük sahneye bakmak arasında geçiş yapabilirsiniz." Bu "atlama" birden fazla kez gerçekleşebilir Bir algoritma kararları verirken ve neyin daha yakın olmayı hak ettiğini belirlerken, sürücünün haberi bile olmadan saniyede kaç kez Bakmak.

Katı hal cihazları da daha uzun süre dayanır. Elektromekanik lidar, arızalanmadan önce 1.000 ila 2.000 saat arasında çalışabilir. Ortalama Amerikan harcamasıyla Yılda 293 saat arabadaçoğumuz lastiklerimizden önce lidarımızı değiştirirdik. Quanergy, katı hal lidarının 100.000 saat boyunca çalışacağını iddia ediyor; bu, çoğu arabanın kullanabileceğinden daha fazla.

Ayna ayna söyle bana

Flaş ve optik fazlı diziler gerçekten tek doğru katı hal lidarı. Ancak Lidar yapmanın üçüncü yeni bir yolu var; mikroelektromekanik aynalar veya MEMS aynaları olarak bilinen kızıl saçlı üvey çocuk.

"Mikroelektromekanik" sözcüğündeki "mekanik" sözcüğünden de anlaşılacağı gibi, hareketli parçalar vardır, dolayısıyla MEMS aynaları gerçek anlamda katı hal değildir. Ama aynı zamanda o kadar küçükler ki teknoloji hala büyük ölçekli elektromekanik lidara göre bir gelişmeyi temsil ediyor.

Tapley, "Mimarisi çok basit" diye açıklıyor. “Bir lazeriniz, bir aynanız var.” Lazer, bir tepe gibi dönen çok küçük aynaya ateş ederek, geleneksel lidarın bütün bir kovanın etrafında dönmesiyle elde ettiği dönüşü sağlar.

Dairesel dönmenin yanı sıra lazeri yukarı ve aşağı hareket ettirmek istediğinize kadar bu yeterince basittir. Daha sonra onu başka bir eksende dönen başka bir aynadan "aşamalı" hale getirmeniz gerekir. Veya bir aynaya birden fazla lazer çekebilirsiniz. Her iki durumda da maliyet ve karmaşıklık artmaya başlar.

Tapley, "Her şeyin mükemmel şekilde hizalandığından emin olmak zorluklar yaratıyor" diye açıklıyor. "Eğer bu lazeri her iki eksende de dönen bir aynaya yerleştirirseniz, bazen hassas olabilir. şok ve titreşimler.” Bilirsin, bir arabada bulabileceğiniz türden, yolda 70 hızla zıplayan tipler gibi. mil.

Eldada başka konulara işaret ediyor. "Mikro MEM'lerin aynaları hizadan çıkıyor. Kalibrasyonu sürdürmezler. Sıcaklıkta büyük değişiklikler olduğunda bunların kullanım ömrü boyunca yeniden kalibre edilmesi gerekiyor."

"Aynalar sıkışırsa göz güvenliği sorununuz var demektir" diye belirtiyor. Ve güneş ışığı kendi tahribatını yaratabilir. Eldada, "Güneşe döndüğünüzde büyük sorunlar yaşıyorsunuz" diyor. "Güneş ışığı ona çarpacak, ışık lidarın içine yansıyacak, dedektörleri doyuracak ve sinyali bastıracak."

Her üç yeni nesil lidar türü arasında pek çok farklılık olmasına rağmen Aptiv, hepsiyle çalışarak ve onlara yatırım yaparak bahislerini koruyor. Tapley, "Her birinin görüş alanı, menzil ve çözünürlük açısından farklı tercihleri ​​var" diye açıklıyor. "Lidarın araçta nereye yerleştirildiğine bağlı olarak hangisinin en önemli olması gerektiğini belirleyecek."

Örneğin yana bakan lidar, öne bakan lidarın ihtiyaç duyduğu aralığa ihtiyaç duymayabilir. Aptiv, çeşitleri karıştırıp eşleştirerek tüm dünyaların en iyilerinden yararlanmayı umuyor.

Peki sürücüsüz arabam nerede?

1999 yılında Jaguar, bugünün dolarıyla yaklaşık 100.000 dolara satılan bir coupe olan XK'da ilk radar tabanlı hız sabitleyiciyi tanıttı. O zamanlar sensörler o kadar pahalıydı ki Tapley'in söylediği gibi, "İnsanlar her radar alımında bedava bir Jag alacağınıza dair şakalaşıyorlardı."

Bugün aynı özelliği 18.000 dolarlık Corolla'da da alabilirsiniz. “Lidar ile aynı öğrenme eğrisindeyiz" diyor. "Katı hal olgunlaşana ve seri üretime girene kadar, bu araçların sahibi olmak ortalama bir tüketici için oldukça yüksek maliyetli olacak."

Quanergy'nin 900 dolarlık katı hal lidar sensörü bunun gerçekleşmesine yardımcı oluyor. Yaklaşan Fisker E-Motion 2019 yılında piyasaya sürüldüğünde, içinde beş adet sensör bulunan sensörlerle sokaklara çıkan ilk araç olacak. Akülü bir matkabın pil takımından daha büyük olmayan bu parçalar, havalandırma deliklerine gömülü, krom ızgaraların arkasına gizlenmiş ve siz onları aramadığınız sürece tamamen görünmez durumda. Dünün dönen kovalarından çok uzaktayız.

Eldada, 2020 gibi erken bir tarihte "agresif" bir Amerikan üreticisinin 4. seviye otonom arabalarını göreceğimize inanıyor. “2021, 2022'de birkaç tane daha göreceksiniz. 2023 büyük yıl. Çoğu otomobil üreticisinin sürücüsüz arabaları olacak.”

Fisker'in fiyatı 130.000 dolar olacak olsa da, 1999'daki Jaguar XK'ye çok benzeyebilir: Gelecek teknolojinin pahalı bir habercisi. Sonuçta, katı hal lidar, sürücüsüz arabaların sadece zenginler için roboşoför olmayacağı anlamına geliyor. Eldada, "Bu herkesin sürücüsüz bir arabaya sahip olabileceği anlamına geliyor" diyor. “Bu sadece Mercedes S-Serisi ve BMW 7 Serisi için geçerli değil. Bu, Toyota Corolla kullanan kişilerin aynı zamanda otonom araçlara da sahip olacağı anlamına geliyor.”

Bu değişim kulağa ne kadar temel gelse de, arabalar katı hal lidarının sadece başlangıcı olabilir. “Bunu cihazlarda, giyilebilir cihazlarda, itfaiyecilerin ve askerlerin kasklarında göreceksiniz. Uygulamalar neredeyse sınırsız.”

Editörlerin Önerileri

• Volkswagen, ABD'de kendi otonom araç test programını başlatıyor.
• Robotaksilerin kimsenin düşünmediği bir yolcu sorunu var
• Ford ve VW, Argo AI otonom araç ünitesini kapattı
• Nvidia'nın Drive Concierge'i arabanızı ekranlarla dolduracak
• Cruise'un robot taksileri Arizona ve Teksas'a gidiyor