Como carros autônomos "enxergam" - Sajan Saini

Veja a lição completa: https://ed.ted.com/lessons/how-do-self-driving-cars-see-sajan-saini

Está tarde, escuro como breu e um carro autônomo segue por uma estrada estreita. De repente, surgem três perigos ao mesmo tempo. Sem um ser humano ao volante, o carro usa olhos inteligentes, sensores que resolverão esses detalhes em uma fração de segundo. Como isso é possível? Sajan Saini explica como o LIDAR e a tecnologia de fotônica integrada tornam os carros autônomos uma realidade.

Lição de Sajan Saini, direção de Artrake Studio.

Está tarde, escuro como breu

e um carro autônomo segue
por uma estrada estreita no interior.

De repente, surgem
três perigos ao mesmo tempo.

O que acontece depois?

Antes que possa navegar
por esse ataque de obstáculos,

o carro tem que detectá-los,

colhendo informações suficientes
sobre tamanho, forma e posição deles

para que seus algoritmos de controle
possam traçar o rumo mais seguro.

Sem um ser humano ao volante,

o carro precisa de olhos inteligentes,
sensores que resolverão esses detalhes,

não importa o ambiente,
o clima ou quanto esteja escuro,

tudo em uma fração de segundo.

Essa é uma tarefa difícil, mas há
uma solução que alia duas coisas:

um tipo especial de sensor
a laser chamado LIDAR,

e uma versão em miniatura
da tecnologia de comunicações

que mantém a internet ativa,

chamada fotônica integrada.

Para ajudar a entender o LIDAR, começamos
com uma tecnologia relacionada: o radar.

Na aviação,

as antenas de radar lançam pulsações
de rádio ou microondas aos aviões

para descobrir suas localizações,

cronometrando quanto tempo
os feixes de luz levam para retornar.

Porém, esse é um modo
limitado de verificação,

pois a grande extensão do feixe
não consegue visualizar detalhes precisos.

Em contraste, o sistema LIDAR
de um carro autônomo,

cuja sigla em inglês significa
"Light Detection and Ranging",

usa um laser infravermelho
estreito e invisível,

que pode visualizar aspectos tão pequenos

quanto o botão da camisa
de um pedestre do outro lado da rua.

Mas como determinamos a forma
ou a profundidade desses aspectos?

LIDAR dispara uma sucessão
de pulsações de laser supercurtas

para dar resolução de profundidade.

Considere o alce na estrada.

Enquanto o carro passa, uma pulsação LIDAR
atinge a base dos chifres do alce,

enquanto a próxima pulsação pode chegar
até a ponta de um chifre antes de voltar.

A medição do tempo que a segunda
pulsação leva para retornar

fornece dados sobre a forma do chifre.

Com muitas pulsações curtas,

um sistema LIDAR renderiza
rapidamente um perfil detalhado.

A maneira mais óbvia de criar uma pulsação
de luz é ligar e desligar um laser.

Mas isso torna o laser instável
e afeta o tempo preciso de suas pulsações,

o que limita a resolução da profundidade.

É melhor deixá-lo ligado

e usar outra coisa para bloquear
periodicamente a luz

de maneira confiável e rápida.

É aí que entram os fotônicos integrados.

Os dados digitais da internet

são carregados por pulsações de luz
com precisão cronometrada,

algumas tão curtas
quanto 100 picossegundos.

Uma maneira de criar essas pulsações
é com um modulador Mach-Zehnder.

Esse dispositivo tira proveito
de uma determinada propriedade de onda,

chamada de interferência.

Imagine jogar pedrinhas em um lago:

conforme as ondulações se espalham
e se sobrepõem, forma-se um padrão.

Em alguns lugares, os picos de ondulação
somam-se e aumentam muito;

em outros, desaparecem totalmente.

O modulador Mach-Zehnder
faz algo semelhante.

Divide ondas de luz
ao longo de dois braços paralelos

e, por fim, volta a reuni-las.

Se a luz for retardada
e atrasada em um braço,

as ondas se recombinam fora de sincronia
e desaparecem, bloqueando a luz.

Ao controlar esse atraso em um braço,

o modulador age como um interruptor
liga/desliga, emitindo pulsações de luz.

Uma pulsação de luz com duração
de 100 picossegundos

leva a uma resolução de profundidade
de alguns centímetros,

mas os carros do futuro precisarão
enxergar melhor do que isso.

Ao juntar o modulador com um detector
de luz supersensível e de ação rápida,

a resolução pode ser aperfeiçoada
para um milímetro.

Isso é mais do que 100 vezes melhor

do que o que conseguimos discernir
com visão perfeita, do outro lado da rua.

A primeira geração de automóveis LIDAR
conta com conjuntos giratórios complexos

que escaneiam a partir
do topo ou capota do carro.

Com a fotônica integrada,

moduladores e detectores
estão sendo reduzidos

a menos de um décimo de milímetro

e acondicionados em minúsculos chips

que, um dia, caberão
dentro dos faróis de um carro.

Esses chips também incluirão
uma variação inteligente no modulador

para ajudar a eliminar partes móveis
e digitalizar em velocidades rápidas.

Ao desacelerar apenas um pouco
a luz em um braço do modulador,

esse dispositivo adicional atuará
mais como regulador de intensidade

do que como interruptor liga/desliga.

Se um conjunto de muitos desses braços,
cada um com um pequeno atraso controlado,

for montado em paralelo,
algo novo pode ser projetado:

um feixe de laser direcionável.

A partir de seu novo posicionamento,

esses olhos inteligentes irão investigar
e enxergar mais profundamente

do que qualquer coisa
apresentada pela natureza

e ajudar a navegar quaisquer obstáculos.

Tudo sem que ninguém se esforce muito,

exceto talvez um alce desorientado.