Hogyan látnak az önvezető autók?

A teljes lecke angol nyelven itt található:
https://ed.ted.com/lessons/how-do-self-driving-cars-see-sajan-saini

Késő van, koromsötét, egy önvezető autó hajt lassan egy keskeny országúton. Hirtelen három veszély bukkan fel egyszerre. Mivel nincs sofőr a volánnál, az autó okosszemeket, szenzorokat használ, hogy megfejtse ezeket a részleteket, mindezt a másodperc töredéke alatt. Hogyan lehetséges ez? Sajan Saini elmagyarázza, hogy a LIDAR és az integrált fotonika hogyan teszi lehetővé az önvezető autók közlekedését.

Lecke: Sajan Saini
Rendezte: Artrake Studio

Késő van, koromsötét, egy önvezető autó
hajt lassan egy keskeny országúton.

Hirtelen három veszély
bukkan fel egyszerre.

Mi fog történni?

Mielőtt navigálhatna
a felmerülő akadályok között,

az autónak fel kell ismernie azokat.

Elég információra van szüksége azok
méretéről, alakjáról és elhelyezkedéséről

ahhoz, hogy a vezérlő algoritmusa
megtervezhesse a legbiztonságosabb utat.

Mivel nincs sofőr a volánnál,
az autónak okosszemekre,

szenzorokra van szüksége,
hogy megfejtse ezeket a részleteket,

környezettől, időjárástól függetlenül,
és bármilyen sötét is legyen –

mindezt a másodperc töredéke alatt.

Ez kemény dió, de van egy megoldás,
amely két részből áll:

egy különleges lézer-alapú
távérzékelés, a LIDAR,

és a kommunikációs technológia
egy miniatűr verziója,

ami az internetet működteti,
az integrált fotonika.

A LIDAR megértését kezdjük a radarral,
ami egy kapcsolódó technológia.

A légi közlekedésben

a radar antennák rádió- vagy
mikrohullámokat bocsátanak ki a repülőkre,

hogy a visszaverődés idejét mérve
megismerjék a helyzetüket.

Ez azonban korlátozott képet ad,

mert a nagy méretű sugarak
nem adnak képet a finom részletekről.

Ezzel ellentétben egy önvezető autó
LIDAR rendszere,

vagyis lézer-alapú távérzékelési rendszere

egy vékony, láthatatlan
infravörös lézert használ.

Ez képes olyan apró
részleteket felismerni,

mint egy gomb az út túloldalán álló
gyalogos ingén.

De hogyan határozzuk meg
a jellemzők alakját vagy mélységét?

A LIDAR nagyon rövid lézerimpulzusok
sorát kibocsátva ad képet a mélységről.

Vegyük például
a jávorszarvast az országúton.

Ahogy az autó elhalad, egy LIDAR impulzus
szétszóródik az agancsai tövéről,

míg egy másik talán az egyik agancsa
tetejéhez jut el, mielőtt visszaverődne.

Ha megmérjük, mennyivel több idő,
mire a második impulzus visszaérkezik,

információt kapunk az agancs alakjáról.

A LIDAR rendszer sok rövid impulzust
használva gyorsan ad részletes képet.

Fényimpulzust legegyszerűbben egy lézer
ki- és bekapcsolásával hozhatunk létre.

Így viszont a lézer instabil lesz, és ez
hat az impulzusok pontos időzítésére is,

ami korlátozza a mélységről kapott képet.

Jobb, ha bekapcsolva hagyjuk,

és mással zárjuk le periodikusan,
megbízhatóan és gyorsan a fény útját.

Itt jön a képbe az integrált fotonika.

Az internet digitális adatait

olyan precízen időzített
fényimpulzusok szállítják,

melyek olykor csak száz
pikomásodperc hosszúak.

Egy Mach-Zehnder modulátorral lehet
például ilyen impulzusokat létrehozni.

Ez az eszköz a hullámok egyik
tulajdonságát használja fel,

melyet interferenciának nevezünk.

Képzeld el, hogy kavicsokat
dobálsz egy tóba.

Ahogy a fodrok terjednek és egymásba
érnek, létrejön egy minta.

Néhány helyen a hullámok összeadódnak,
és nagyon nagyok lesznek,

máshol kioltják egymást.

A Mach-Zehnder modulátor
hasonlóképpen működik.

A fényhullámokat két párhuzamos elágazás
mentén elválasztja, majd újra egyesíti.

Ha a fényt lelassítjuk
és késleltetjük az egyik ágon,

a hullámok az újraegyesüléskor
kioltják egymást, elzárva a fényt.

Ha váltogatjuk ezt a késést az egyik ágon,

a modulátor kapcsolóként működik,
fényimpulzusokat bocsát ki.

Egy száz pikomásodpercig
tartó fényimpulzus

néhány centiméter pontosságú
mélységfelbontásról ad képet,

de a jövő autóinak
jobban kell látniuk ennél.

Ha összepárosítjuk a modulátort
egy igen pontos, gyors fényérzékelővel,

a felbontás milliméter
pontosságúra finomítható.

Ez több, mint százszor jobb annál,

amit éles látással láthatunk
az utca túloldaláról.

Az első generációs autós LIDAR
összetett forgó rendszereken alapult,

mely az autó tetejéről
vagy a motorháztetőről szkennel.

Az integrált fotonika segítségével

a modulátorok és detektorok a milliméter
tizedénél kisebb nagyságúra zsugorodnak,

parányi chipekbe kerülnek, amelyek egy nap
elférnek majd egy autó lámpájában.

Ezek a chipek a modulátor egy okos
variációját is tartalmazni fogják

a mozgó részek kiiktatására és
a nagy sebességű szkennelés elősegítésére.

Ha csupán egész kicsit lassítjuk a fényt
a modulátor egyik ágán,

ez a másik eszköz inkább fénytompítóhoz
hasonlít majd, nem pedig kapcsolóhoz.

Ha sok ilyen ágat párhuzamosan
egymásra halmozunk,

mindet egy kis kontrollált késleltetéssel,
valami újat hozhatunk létre:

egy irányítható lézersugarat.

Új előnyükből adódóan

ezek az okosszemek
sokkal alaposabban észlelnek majd,

mint bármi, amit a természet alkotott –

és bármennyi akadály között
segítenek majd navigálni.

Mindezt anélkül, hogy bárki
megizzadna közben –

kivéve talán egy zavarodott jávorszarvast.