Лидары на CES

Несмотря на то, что CES – выставка потребительской электроники, лидары и другие компоненты роботизированных автомобилей стали важной частью того, что на ней демонстрируется. По меньшей мере 43 компании представили свои лидары на CES, и некоторые источники утверждают, что в настоящее время еще около 150 различных компаний работают в этой области. Если посмотреть на продукты этих компаний, то можно увидеть, что у них на удивление редко повторяются дизайны – почти каждое устройство сделано по-своему, и каждая компания считает, что у их подхода есть шанс принести им победу.

Главной новостью этой CES стало участие лидара для машин-роботов от Bosch, рост производительности, недорогие лидары от различных компаний и несколько новых участников, представляющих свои варианты дизайна.

Компании, производящие лидары, стремятся выиграть в одной или нескольких из следующих категорий:

1. Основной успех для компании – использование их лидаров для полноценного роботизированного автомобиля
2. Другие компании стремятся к созданию лидаров для «автопилота», который помогает водителю, хотя некоторые из таких систем (например, в Tesla) не используют лидары.
3. Более дешевые устройства с меньшим радиусом действия, которые могут обеспечить обзор для навигации на низких скоростях и наблюдения за близкими к автомобилю объектами, которые пропали из поля зрения основного лидара.
4. Некоторые компании надеются на хороший бизнес в других областях. Примерами таких областей являются низкоскоростная робототехника, интеллектуальное распознавание городов и обеспечение безопасности.

Цели лидаров

В частности, в первых двух категориях существует множество важных методов дифференциации, и все эти методы направлены на достижение следующих целей:

1. Цена: Такси могут позволить себе дорогостоящие датчики, но для частных автомобилей они могут быть недоступны. И все хотят экономить, если есть такая возможность.
2. Дальность действия: Для езды по шоссе необходима дальность в 200 метров или более. Для лидаров с длиной волны 1550 нм в этом нет проблемы, а лидары с 905 нм для этого еще необходимо дорабатывать. Особый интерес представляют темные и сложные для обнаружения объекты, такие как шины на асфальте.
3. Надежность: все хотят, чтобы устройство продолжало работать и оставалось откалиброванным в жесткой автомобильной среде с большим количеством вибраций. Многие ранние лидары имели с этим проблемы.
4. Разрешение: высокий уровень детализации, особенно в определенных областях, таких как горизонт или отдельные препятствия.
5. Поле зрения: некоторые лидары сканируют сцену на все 360 градусов. Существуют и модели с узким полем зрения, и для полного покрытия сцены вам потребуется несколько таких лидаров. Некоторые используют лидары с узким полем зрения и и высокой дальностью для фокусирования на дороге перед автомобилем, а для всего остального используют лидары с обычной дальностью обзора.
6. Скорость работы: люди хотят, чтобы лидары осуществляли по меньшей мере 10 сканирований в секунду, а, при возможности, и 20-30. Обычно существует компромисс между частотой кадров и разрешением или полем зрения и стоимостью.
7. Специальные функции: измерение скорости целей, предотвращение помех, захват всей сцены за одну вспышку – все это дополнительные особенности, которые могут быть плюсами лидара.
8. Размер: меньшие габариты и простота интеграции в автомобиль являются плюсами лидара, хотя первые пользователи могут предпочесть более очевидные и понятные датчики вроде устройств с обзором в 360 градусов, монтируемых на крышу.
9. Декодирование: сюда входят и лучшее аппаратное обеспечение для декодирования возвращаемого сигнала, и его связь с специальным ПО, которое помогает интерпретировать формируемое облако точек.

Отличия технологий

Для достижения всех вышеперечисленных целей нужны различные лидары. Они могут различаться по длине волны, типу излучателей и детекторов, оптике и тому, как они направляют лучи (если они их направляют) и тому, как они обрабатывают сигналы.

Длина волны лазера имеет большое значение. Работа на 1550 нм (длинноволновая часть инфракрасного спектра) позволяет безопасно использовать гораздо больше энергии для повышения дальности работы. Также эта технология достаточно дорога, так как мы не можем использовать недорогие кремниевые микросхемы. В коротком инфракрасном спектре работает следующее соотношение – чем короче волна, тем выше эффективность кремниевых микросхем, но тем больше и окружающего солнечного света. В этих диапазонах сложно добиться распознавания сложных темных целей на большом расстоянии, но многие производители утверждают, что они с этим справляются. Распознавать объекты вроде ретрорефлекторов (отражатели, которые можно увидеть на дорожных знаках и разметке полос) легко, но черные машины, одежда и шины – это другая история.

Также устройства различаются своими методами управления лучами. Некоторые лидары, особенно старые и 360-градусные модели просто вращают весь лидар по кругу. Вы можете увидеть множество устройств с небольшим зеркалом, которое может вибрировать (зачастую в двух измерениях) чтобы направлять лучи. Другой популярный подход – использование микроэлектромеханических систем, которые могут быть встроены в чип (их зачастую называют зафиксированными, но они имеют небольшие подвижные компоненты).

Настоящие подходы с твердотельными схемами включают в себя управление фазированной решеткой (часто встречается в радарах) и управление на основе частоты (с использованием лазера, частоту которого можно быстро изменить, и призмы, задающей направление изменения света исходя из его частоты).

Новый игрок на рынке, Bajara, использует этот метод для управления в одном направлении. Strobe, которую выкупили Cruise, по слухам, также используют этот метод.

Вспышечные лидары не осуществляют сканирование. Скорее, в них установлено очень большое количество датчиков (и, возможно, излучателей), чтобы заснять всю сцену сразу. Это очень дорого, а также трудно получить высокую дальность обзора, так как для вспышки требуется огромная мощность. Благодаря дешевым массивам лазеров с вертикальным излучением, новые компании вроде Sense Photonics надеются на победу с таким подходом, хотя в настоящее время они не могут обеспечить дальность обзора, достаточную для езды по шоссе.

Эти твердотельные подходы востребованы, поскольку считается, что они будут самыми надежными в суровых автомобильных условиях. Большие движущиеся части сложнее поддерживать в надежном состоянии и калибровать. Тем не менее, как вы можете догадаться, каждый поставщик теперь настаивает на том, что его продукты надежны и не будут требовать частой замены или обслуживания, а требования автопроизводителей именно таковы. Роботакси, которые возвращаются автопарк каждую ночь могут согласиться на менее надежные устройства только в том случае, если это дает какую-либо другую значительную выгоду.

Bosch

Самым обсуждаемым новичком на выставке была Bosch. В то время как они заявляли, что запустят свой новый лидар на CES, от отошли в сторону и не стали раскрывать никаких деталей кроме того, что у их лидара будет высокая дальность действия, а его цена будет уместны для рынка технологий помощи водителю. (Как правило, на рынке помощи водителю нужны датчики, которые будут стоить значительно меньше 1000 $, поскольку никто не хочет добавлять тысячи долларов к цене продаваемого автомобиля. Для рынка такси уместны и более дорогие датчики, поскольку эта цена распределяется среди пассажиров – по несколько центов на милю).

Люди обращают внимание на Bosch, поскольку эта компания является одним из ведущих мировых поставщиков автомобильных компонентов высшего уровня. Ни у кого нет лучшего выхода на рынок автопроизводителей, при этом все хорошо знают эту компанию и доверяют ей. Это значительное преимущество над небольшими и малоизвестными стартапами. Если Bosch создадут приличный лидар, вероятно он обойдет лидары от небольших компаний. По словам сотрудников Bosch, они изучили всех поставщиков лидаров на рынке, в надежде найти того, кого они смогут приобрести, либо заключить партнерское соглашение. Они выяснили, что всем подходам чего-то не хватает, и решили создать лидар своими силами. Они утверждают, что их дизайн не идентичен ни одному из уже представленных, даже с учетом всего разнообразия. Их утверждение о том, что они не нашли ни одной компании, которую могли бы приобрести, может быть связано с очень высокими требованиями, которые выдвигают компании в области роботизированных автомобилей.

Нам придется подождать, чтобы узнать больше об устройстве, которое строит Bosch.

Направленность на помощь водителю

Еще одной темой шоу стала так называемая «зима машин-роботов» – некоторые компании заявили, что возвращаются к работе над технологиями помощи водителю. В то время как самые ранние восторги касались использования лидаров в полностью роботизированных машинах и такси, большинство компаний считают, что больший объем продаж придет с рынка более простых и дешевых лидаров, направленных на создание конкурента автопилота от Tesla (который не использует лидары, но попадал в некоторые аварии, которые могли быть предотвращены с их помощью).

Действительно, автопроизводители продадут много систем помощи водителю, прежде чем они начнут продавать конечным пользователям реально работающие полностью автономные машины. Последнее особенно сложно, так как пользователям не нравятся автомобили, работающие только в определенных местах, и они не будут каждый день привозить машину обратно в магазин для доработки (а именно так будут работать роботакси). Такой продукт как автопилот от Tesla, стал обязательной функцией для автомобилей высокого класса (Tesla продает именно такие). Лидары могут сделать такой продукт более безопасным, и сделать это быстрее (если попадут в ценовой диапазон). Не каждый OEM-производитель готов создавать такие системы (или более продвинутые системы, которые позволят водителю не обращать внимания на дорогу во время езды по шоссе) без лидаров.

Более низкие цены

Почти все компании прогнозируют, что после начала широкого производства их лидары будут стоить меньше 1000 $. Средняя цена лидаров с 1550 нм – от 500 до 1000 $. У 905 нм – от 200 до 300. Китайские поставщики продвигают низкую стоимость своего производства, так как они будут первыми устанавливать эти цены. Одним из наиболее впечатляющих игроков был Livox – они предлагали свои лидары по цене от 600 до 1200 долларов.

Несмотря на то, что всем компаниями нужно обещать низкие цены, многие, похоже, уверены в своих оценках, а значит мы можем быть уверены, что недорогие лидары от какого-то из поставщиков будут доступны в течение нескольких лет – большинство прогнозов насчет машин-роботов именно таковы. Это важно для спора между камерами и лидарами, ведь одним из главных аргументов в пользу камер была высокая стоимость лидаров. Игроки, использующие только камеры (вроде Tesla) делают ставку на то, что компьютерное зрение может работать достаточно хорошо. Игроки с лидарами делают ставку на дешевизну своих датчиков. Скорее всего, сыграет ставка на лидары. Вся эта дискуссия далеко не так проста, но стоимость является важным компонентом. Такие люди как Илон Маск считают, что лидары не нужны по любой цене и называют их костылями. В то же самое время, у компьютерного зрения пока что только одна нога.

Возвращение скорости

Некоторые компании предлагают обеспечить замеры скорости движущихся целей при помощи лидаров. Обычно это делается с помощью эффекта Допплера, который может быть рассчитан в устройствах, которые используют непрерывные волны с частотной модуляцией – так и работают большинство автомобильных радаров.

В прошлом году компания Blackmore, занимавшаяся радиолокаторами непрерывного излучения с частотной модуляцией была приобретена компанией Aurora. Несколько других независимых компаний (вроде Aeva и других) продвигают такой же подход.

Знать с какой скоростью движется цель очень полезно. Если вы используете традиционный лидар, то для определения скорости объекта вам нужно изучить несколько кадров. Это может привести к задержке от 100 до 200 мс на кадр, а затем еще столько же на обработку. Это может иметь значение в критических ситуациях (вроде неожиданного препятствия на дороге).

Компания Luminar, ведущий игрок в области лидаров на 1550 нм, разработала другой подход. Они посылают несколько лазерных импульсов на интересующие объекты каждые несколько миллисекунд. Если делать это точно, то этого достаточно для определения скорости объекта. С помощью этой технологии (или с помощью радиолокаторов непрерывного излучения с частотной модуляцией) вы можете идентифицировать стоячий объект за несколько миллисекунд без каких либо вычислений, вместо того, чтобы тратить 400 мс при использовании компьютерного зрения или обычных лидаров. Недавние аварии с участием Tesla, связанные с столкновениями с автомобилями, припаркованными на левой полосе, показывают насколько важна эта технология распознавания.

Кто же победил?

У каждой компании есть своя история о том, как она придет к победе. Вот факторы, которые определяет победителя:

1. Увеличенная дальность и мощность лидаров с длиной волны 1550 нм обеспечивают превосходство над устройствами с короткими волнами, но это сказывается на цене.
2. Более простые устройства без движущихся частей или очень малыми подвижными компонентами (вроде микроэлектромеханических систем) будут более надежными.
3. Устройства, у которых лазеры, излучатели и оптика будут установлены на одном чипе также будут более надежны.
4. Компании с историей и опытом продаж OEM-автопроизводителям (вроде Bosch) и некоторые игроки на рынке лидаров с крупными заказами от этих производителей будут иметь преимущество.
5. Компании, которые смогут обеспечить масштабное производство с высоким уровнем качества выиграют в долгосрочной перспективе. Любой, кто не сможет этого сделать, не сможет выйти за пределы небольшого рынка роботакси вне зависимости от того, насколько хорош их продукт.
6. На рынке роботакси (который придет первым) могут преобладать более привычные конструкции, работающие на 360 градусов, потому что на машину нужно купить всего одно или два устройства.
7. Дополнительные функции вроде замера скорости объектов могут стать решающими для полностью роботизированных автомобилей. Люди будут платить больше, если эти функции исключат важные классы аварий.

В ближайшие месяцы появятся новые темы для разговора о лидарах. В том числе такие вопросы как создание базы данных, содержащей информацию о всех основных поставщиках лидаров, и более глубокое изучение противостояния лидаров и чистого компьютерного зрения.

Об авторе: Брэд Тэмплтон — инженер-программист, евангелист робоавтомобилей с 2007 года, работал над Гуглокаром в его ранние годы. Основатель ClariNet, почетный председатель Electronic Frontier Foundation и директор Foresight Institute, основатель факультета в Singularity University.

Читать еще полезные статьи:

• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…