Твердотільний лідар: ключ до дешевих безпілотних автомобілів

Ви коли-небудь помічали, як на безпілотних автомобілях надягають якісь дивні капелюхи?

Найперші безпілотні військові вантажівки виглядали так, ніби вони мали кавові банки, що обертаються. Карнегі Меллона культовий безпілотний Hummer був увінчаний гігантським м’ячем для пінг-понгу. Маленький усміхнений прототип Waymo має купол у формі сирени, що робить його схожим на найчарівнішу поліцейську машину у світі.

Усередині всіх трьох розташовано близько дюжини лазерів, які стріляють через оптику телескопічного класу, обертаючись навколо сотні разів на хвилину, генеруючи 300 000 точок даних на секунду. Це називається лідар, і без нього всі ці автомобілі були б сліпими. Це також одна з головних причин, чому зараз у вас на під’їзді немає безпілотного автомобіля. Приблизно в 75 000 доларів один лідар може легко коштувати дорожче, ніж автомобіль, на якому він їздить. І це лише один з інгредієнтів супу для самостійного водіння.

Але цього року всюди з’являється нова технологія: твердотільний лідар. Без рухомих частин він обіцяє надати безпілотним автомобілям чіткіший і кращий огляд за невелику частку вартості електромеханічних систем старої школи. Твердотільний лідар прокладе шлях першим безпілотним автомобілям, які ви можете собі дозволити. Ось як це працює — і що не за горами.

Як працює лідар

Термін «лідар» походить від поєднання «світла» та «радару», що також є зручним способом його розуміння, тому що… ну, це радар, але зі світлом.

Поновлення з фізики для середньої школи: радар відбиває імпульс радіохвилі від об’єкта, як-от літака, щоб визначити, наскільки далеко він знаходиться, виходячи з того, скільки часу потрібно, щоб імпульс відскочив. Лідар використовує імпульс світла від лазера, щоб зробити те саме.

Візьміть достатньо цих лазерів, покрутіть їх по колу, і ви отримаєте тривимірну «хмару точок» світу навколо вас. Ви, мабуть, бачили ці райдужні крапки, що зображують міські пейзажі, гори та навіть співаючу безтілесну голову Тома Йорка в Радіохед Картковий будиночок музичне відео. Ця 360-градусна 3D-карта схожа на Розеттський камінь для безпілотного автомобіля, що дозволяє йому розшифровувати навколишній світ.

«Вам потрібна комбінація камер, радарів і лідарів, щоб створити автономну систему», — пояснює Джада Теплі, віце-президент із передових інженерних розробок Aptiv. Вона б знала. Aptiv побудував автономні автомобілі Lyft який перевозив відвідувачів Лас-Вегасом на CES 2018. У найгіршому затоку, який місто бачить цілий рік. І мусонні умови. З нулем аварій.

Ці машини мали дев’ять лідарів, десять радарів і чотири камери. Поєднання всіх трьох дозволяє йому керувати автомобілем, але лідар виконує ключову функцію, яку інженери називають локалізацією. «Для транспортного засобу важливо мати можливість з дуже високою точністю визначити його місцезнаходження на карті», — пояснює Теплі. «Для цього ми використовуємо наш лідар».

Пояснення щодо рівнів автономного автомобіля
Міжнародні інженерні організації зупинилися на шести рівнях автоматизації, щоб говорити про еволюцію, яку ми побачимо між тупими автомобілями та повною автономією.

Рівень 0: немає автономії
Ймовірно, це автомобіль, яким ви вже володієте. Припиніть писати! Вам потрібно зробити все.
Рівень 1: практична робота
Ваш автомобіль допоможе вам у деяких ситуаціях, як-от адаптивний круїз-контроль, який уповільнює вас на шосе, коли це робить автомобіль попереду вас.
Рівень 2: Руки геть
Ваш автомобіль може їздити так само, як і ви — за правильних обставин, як-от автопілот Tesla на розділеній розміченій трасі.
Рівень 3: очі закриті
Надішліть цей текст; ця машина не розіб’ється, якщо на неї не звернуть увагу. Але вам все одно доведеться схопити кермо, якщо все стане складним, наприклад, з Audi Traffic Jam Pilot.
Рівень 4: Не розуміти
Йти спати; ваша машина під контролем. Але за кермо все одно треба сісти на всякий випадок.
Рівень 5: повна автономія
У вашій машині немає керма, тому що вона може їздити краще за вас у всіх сценаріях. Іди сідай ззаду, слабка людина.

Тоді як GPS може звузити ваше місцезнаходження до кола навколо 16 футів у діаметрілідар може робити це в межах кола діаметром чотири дюйми. Це краще, ніж може впоратися багато водіїв. Теплі пам’ятає, як одна група журналістів з широко розплющеними очима скривилася, коли автономний автомобіль Aptiv проносився повз припаркований автобус у Лас-Вегасі. Їм не потрібно було це робити, тому що машина знала, що місця достатньо. «Нас, як людей, лякають, особливо великі, великі транспортні засоби, такі як автобуси чи напівфабрикати. Тому ми, як правило, віддаляємося від них», — пояснює вона. «Але автономному транспортному засобу це не потрібно».

У той час як камери можуть ідентифікувати об’єкти, а радар може визначити, на якій відстані вони знаходяться, лідар може досягти обох з певним ступенем точності, ані не може торкнутися. «Уявіть, що посеред дороги стоїть протектор шини 18-колісного автомобіля», — каже Теплі. «Радар цього не виявить. Лідар буде».

Ось чому Tesla Model S, яка має і камери, і радар, але не має лідара, повинна мати водія, готового сісти за кермо в будь-який момент. Він вважається автономним транспортним засобом 2 рівня. Майже всі експерти з автономії — зі своїм явний виняток Ілона Маска — вважаю, що лідар необхідний для досягнення справжнього рівня автономності «сну за кермом» 4.

І це величезна проблема, якщо ви чи я колись сподіватимемося мати такий. Срібло Velodyne HDL-64E Ви бачите, що на багатьох тестових автомобілях коштує 75 000 доларів. Навіть «бюджетна» модель компанії Puck коштує 8000 доларів. І це не та частина, на якій можна економити. Уявіть, що вікна вашої машини тьмяніють на швидкості 80 миль на годину, і ви добре уявляєте, як втрачений лідар виглядатиме для комп’ютера в безпілотному автомобілі.

Як і будь-яка технологія, лідар з часом став дешевшим, але потрібна точність і масивні обертові частини електромеханічний лідар означає, що він не може ставати дешевшим, меншим і кращим щороку так само, як процесор у вашому телефоні або комп'ютер робить.

Але що, якби... ви могли зробити лідар лише з кремнію? Приберіть усі рухомі частини, і майбутнє стане набагато світлішим.

Ласкаво просимо до твердого стану

Твердотільна електроніка, яка за визначенням не має рухомих частин, змінила те, як ми робимо все, від відстеження часу до прослуховування музики. Пам'ятаєте, як раніше стрибали портативні програвачі компакт-дисків? Ось що відбувається, коли ви покладаєтеся на лазер для зчитування мікроскопічних канавок на обертовому диску. Але ви можете поставити свій смартфон у шейкері для фарб і все ще слухати Каньє, тому що музика зберігається на твердотільних мікросхемах пам’яті, які не проти потрясти. Лідар прямує в тому ж напрямку.

Як і портативні програвачі компакт-дисків, обертовий електромеханічний лідар не ідеальний. «По-перше, вони великі, — каже Теплі. «По-друге, вони дорогі. Твердотільний лідар дозволяє нам зменшуватися, краще упаковувати транспортні засоби та зменшувати витрати».

Як переміщувати світло, не рухаючи лінзи чи дзеркала? Як лідар переходить у твердий стан? Інженери винайшли кілька справді геніальних способів.

Перший називається спалах лідар. «Спалах — це, по суті, місце, де у вас є джерело світла, і це джерело світла одноразово заповнює все поле зору за допомогою імпульсу», — пояснює Теплі. «Часопролітний тепловізор отримує це світло і може намалювати зображення того, що він бачить». Уявіть це як камеру, яка бачить відстань замість кольору.

Але ця простота має деякі недоліки. Щоб бачити дуже далеко, потрібен потужний спалах світла, що здорожує. А світла бути не може такий потужний що він пошкоджує сітківку ока людини, що обмежує діапазон. Один з обхідних шляхів — випромінювати світло певної невидимої довжини хвилі, яка не впливає на очі людини. Ідеально! Поки ви не натрапите на ще одну заковику: недорогі кремнієві фотокамери не «прочитають» вибухи світла в безпечному для ока спектрі. Вам потрібні дорогі фотокамери з арсеніду галію, які можуть збільшити вартість цих систем до 200 000 доларів США.

«Ви повинні мати надзвичайно потужне джерело світла або надзвичайно чутливий приймач, і якщо у вас немає цього, тоді у вас обмежений радіус дії», — каже Теплі. Це може бути ідеальним для урядових літаків, які проводять детальні аерофотозйомки, але спалаховий лідар, ймовірно, не підходить для вашої Corolla.

Встановіть фазери для сканування

На щастя, є інший спосіб. Луай Ельдада намагався вирішити цю проблему з тих пір, як отримав ступінь доктора філософії з оптоелектроніки на початку 90-х; і сьогодні він біжить Кванергія, один із видатних гравців у галузі твердотільного лідара. Ельдада та його команда знайшли інший підхід, досліджуючи, як працює радар. Зрештою, це близький родич лідару. Як виявилося, раніше радар обертався так само, як і лідар, поки вчені не розробили блискуче обхідне рішення, відоме як фазована ґратка.

Фазова решітка може транслювати радіохвилі в будь-якому напрямку, не обертаючись по колу, використовуючи мікроскопічну решітку окремих антен, синхронізованих певним чином. Контролюючи синхронізацію — або фазу — між кожною антеною, яка транслює свій сигнал, інженери можуть «скеровувати» один зв’язаний сигнал у певному напрямку.

Фазові ґратки використовуються в радарах з 1950-х років. Але Ельдада та його команда придумали, як використовувати ту саму техніку зі світлом. «У нас є велика кількість, зазвичай мільйон, елементів оптичної антени», — пояснює Ельдада. «Грунтуючись на їх поетапному взаємозв’язку один з одним, вони утворюють діаграму спрямованості або пляму, яка має певний розмір і спрямована в певному напрямку».

Розумно визначаючи час спалаху мільйона окремих випромінювачів, Quanergy може «керувати» світлом, використовуючи лише кремній. «Ефект інтерференції визначає, у якому напрямку йде світло, а не рухоме дзеркало чи лінза», — пояснює Ельдада.

Це означає, що гніздо оптики та двигунів усередині лідарного відра вартістю 75 000 доларів зникає, і у вас залишаються лише мікросхеми. Зараз Quanergy використовує кілька чіпів і продає пакет за 900 доларів, але майбутні версії стануть одним чіпом. «На той момент наша продажна ціна стане нижче 100 доларів», — прогнозує Ельдада.

Твердотільний не просто дешевший, він кращий. «Можливість ефективно змінювати форму об’єктива на будь-яку потрібну вам форму дозволяє збільшувати та зменшувати масштаб», — пояснює Ельдада. «Отже, уявіть, що ви дивитеся на об’єкт на своїй смузі руху і хочете визначити у високій роздільній здатності, що це таке. Ви зменшуєте розмір плями й визначаєте, що це олень, це шина, це матрац, який впав із вантажівки. У той же час ви можете стрибати між цим і дивитися на велику сцену». Ці «стрибки» можуть відбуватися кілька разів разів на секунду, навіть не знаючи водія, оскільки алгоритм виконує дії та визначає, що заслуговує ближчого подивіться.

Твердотільні пристрої також служать довше. Електромеханічний лідар може працювати від 1000 до 2000 годин до виходу з ладу. Із середніми американськими витратами 293 години в автомобілі на рік, більшість із нас замінили б лідар, а не шини. Quanergy стверджує, що її твердотільний лідар працюватиме 100 000 годин — більше, ніж коли-небудь проїде більшість автомобілів.

Дзеркало дзеркало, на стіну

Флеш-пам'ять і оптичні фазовані решітки дійсно єдині правда твердотільний лідар. Але є третій новий спосіб створення лідара — рудоголосого пасинка, відомого як мікроелектромеханічні дзеркала — або MEMS-дзеркала.

Як означає «механічний» у «мікроелектромеханічний», існують рухомі частини, тому MEMS-дзеркала не є справді твердотільними. Але вони також настільки маленькі, що ця технологія все ще є кращою в порівнянні з великомасштабним електромеханічним лідаром.

«Архітектура дуже проста, — пояснює Теплі. «У вас один лазер, одне дзеркало». Лазер спрацьовує в дуже крихітне дзеркало, яке обертається, як верхівка, забезпечуючи обертання, яке отримує звичайний лідар, коли обертається ціле відро.

Це досить просто, доки ви не захочете рухати лазер вгору та вниз на додаток до обертання по колу. Потім вам потрібно «каскадувати» його з іншого дзеркала, яке обертається на іншій осі. Або ви можете стріляти кількома лазерами в одне дзеркало. У будь-якому випадку вартість і складність починають зростати.

«Переконатись, що все ідеально вирівняно, створює труднощі», — пояснює Теплі. «Якщо у вас є цей лазер у дзеркалі, яке обертається по обох осях, іноді він може бути чутливим до удари та вібрації». Ви знаєте, як тип, якого ви можете зустріти в машині, яка підстрибує дорогою на 70 миль/год

Ельдада вказує на інші проблеми. «Дзеркала мікропам’яті не вирівнюються. Вони не підтримують калібрування. Коли відбуваються значні зміни температури, їх потрібно перекалібрувати протягом усього терміну експлуатації».

«Якщо дзеркала застрягли, у вас є проблеми з безпекою очей», — зазначає він. І сонячне світло може завдати власної шкоди. «У вас є великі проблеми, коли ви дивитесь на сонце», — каже Ельдада. «Сонячне світло потраплятиме на нього, світло відбиватиметься всередині лідара, наситить детектори та заглушить сигнал».

Маючи так багато відмінностей між усіма трьома типами лідарів наступного покоління, Aptiv намагається підстрахуватися, працюючи з усіма та інвестуючи в них. «Кожен має різні компроміси щодо поля зору, діапазону та роздільної здатності», — пояснює Теплі. «Залежно від того, де цей лідар розташований на транспортному засобі, це визначатиме, який із них має бути найважливішим».

Бічний лідар, наприклад, може не потребувати діапазону, який необхідний передньому лідару. Змішуючи та поєднуючи різноманіття, Aptiv сподівається використати найкраще з усіх світів.

Тож де моя безпілотна машина?

У 1999 році Jaguar представив перший радарний круїз-контроль у XK, купе, яке було продано приблизно за 100 000 доларів США в сучасному перерахунку. У той час датчики були настільки дорогими, що, як розповідає Теплі, «люди жартували, що ви отримуєте безкоштовний Jag з кожною покупкою радара».

Сьогодні ви можете отримати ту саму функцію в Corolla за 18 000 доларів. “Ми начебто на тому ж етапі навчання з лідаром», — каже вона. «Поки твердий стан не стане зрілим і не почне масове виробництво, ці транспортні засоби будуть досить дорогими для середнього споживача».

Твердотільний лідарний датчик Quanergy вартістю 900 доларів допомагає це зробити. Майбутнє Fisker EMotion стане першим транспортним засобом, який вийде на вулиці з цими датчиками всередині — їх п’ятьма — коли він з’явиться у 2019 році. Не більші, ніж акумуляторна батарея для бездротової дрилі, вони заховані у вентиляційних отворах, приховані за хромованими решітками, і абсолютно невидимі, якщо ви їх не шукаєте. Далеко від вчорашніх обертових відер.

Eldada вважає, що ми побачимо автономні автомобілі рівня 4 від відомого «агресивного» американського виробника вже у 2020 році. «2021, 2022, ви побачите ще кілька. 2023 рік – великий рік. Більшість автовиробників матимуть безпілотні автомобілі».

Хоча Fisker буде коштувати 130 000 доларів, він може виглядати дуже схожим на Jaguar XK 1999 року: дорогий провісник майбутніх технологій. Зрештою, твердотільний лідар означає, що безпілотні автомобілі не будуть просто шоферами для багатих. «Це означає, що кожен може мати безпілотний автомобіль», — каже Ельдада. «Це не тільки для Mercedes S-Class і BMW 7 серії. Це означає, що люди, які керують Toyota Corolla, також матимуть безпілотні автомобілі».

І як би принципово не звучала ця зміна, автомобілі можуть бути лише початком твердотільного лідара. «Ви побачите це в пристроях, ви побачите це в речах, шоломах пожежників і солдатів. Застосування майже безмежні».

Рекомендації редакції

• Volkswagen запускає власну програму тестування безпілотних автомобілів у США.
• Роботаксі мають проблему з пасажирами, про яку ніхто не подумав
• Ford і VW закривають підрозділ автономних автомобілів Argo AI
• Drive Concierge від Nvidia наповнить ваш автомобіль екранами
• Робот-таксі Круза прямують до Арізони та Техасу