Cum „văd” mașinile autonome? - Sajan Saini

Vezi lecția întreagă: https://ed.ted.com/lessons/how-do-self-driving-cars-see-sajan-saini

E târziu, întuneric beznă și o mașină autonomă merge pe un drum de țară îngust. Deodată, trei pericole apar în același timp. Fără un șofer la volan, mașina folosește senzori ce vor afla toate datele problemei în câteva fracțiuni de secundă. Cum e posibil așa ceva? Sajan Saini explică cum LIDAR-ul și sistemul fotonic integrat transformă mașinile autonome în realitate.

Lecție de Sajan Saini, regia de Artrake Studio.

E târziu, e beznă și o mașină autonomă
merge pe un drum de țară îngust.

Deodată, apar trei pericole
în același timp.

Ce se va întâmpla?

Înainte de a putea ocoli aceste obstacole,

mașina trebuie să le detecteze,

adunând destule informații
despre mărimea, forma și poziția lor,

astfel încât algoritmul de control
poate stabili cel mai sigur traseu.

Fără un șofer la volan,

mașina are nevoie de senzori
pentru a afla aceste detalii,

indiferent de mediu,
vreme sau cât e de întuneric,

totul într-o fracțiune de secundă.

E o misiune dificilă, dar există
o soluție alcătuită din două lucruri:

un instrument cu laser denumit LIDAR

și o versiune în miniatură
a metodei tehnologice

ce susține funcțional internetul,
denumită fotonică integrată.

Pentru a înțelege LIDAR-ul, putem începe
cu o metodă asemănătoare, radarul.

În aviație,

antenele radar emit impulsuri de unde
radio sau de microunde spre avioane

pentru a le afla locația prin măsurarea
timpului necesar reîntoarcerii undei.

E o metodă limitată, desigur,

deoarece mărimea undei nu permite
o vizualizare a micilor detalii.

În contrast, sistemul LIDAR
al unei mașini autonome,

ce se traduce prin detectare
și măsurare luminoasă,

folosește un laser infraroșu
cu undă îngustă.

Acesta poate detecta
chiar și nasturele unui pieton

de peste stradă.

Dar cum detectăm forma
și adâncimea obiectelor?

LIDAR-ul emite o serie de impulsuri foarte
scurte ce oferă o rezoluție în adâncime.

Să luăm exemplu un elan
ce se află pe un drum de țară.

În timp ce mașina merge, un impuls LIDAR
se lovește de baza coarnelor,

în timp ce următorul impuls se lovește
de vârful coarnelor și se întoarce.

Măsurând timpul necesar
ca pulsul să se întoarcă,

se determină forma coarnelor.

Folosind multe impulsuri scurte,

sistemul LIDAR formează
rapid un profil detaliat.

Cel mai evident mod de a crea
impulsuri de lumină

e să pornești și să oprești un laser.

Dar astfel laserul devine instabil

și afectează măsurarea exactă
a duratei impulsurilor,

afectând rezoluția în adâncime.

E mai bine să îl lași pornit

și să folosești altceva pentru a bloca
lumina periodic, precis și rapid.

Aici intervine fotonica integrată.

Informațiile de pe internet

sunt purtate de impulsuri
de lumină precise,

unele scurte cât o sutime de picosecundă.

Un mod de a crea aceste pulsuri
e să folosești un modulator Mach-Zehnder.

Acest dispozitiv folosește
o anumită proprietate a undei,

numită interferență.

Imaginează-ți că arunci
niște pietre într-un lac:

pe măsură ce undele se împrăștie
și se suprapun, se formează un model.

În unele locuri, undele se unesc
și devin foarte mari;

în alte locuri se anulează reciproc.

Modulatorul Mach-Zehnder
face ceva similar.

Desparte undele de lumină în două brațe
paralele și apoi le reunește.

Dacă lumina e încetinită într-un braț,

reunirea undelor e desincronizată
și se anulează reciproc.

Prin provocarea acestei
întârzieri într-un braț,

modulatorul se comportă
ca un întrerupător,

emițând impulsuri luminoase.

Un impuls luminos cu o durată
de o sutime de picosecundă

are o rezoluție în adâncime
de câțiva centimetri,

dar mașinile viitorului vor trebui
să vadă mai bine de atât.

Folosind modulatorul împreună
cu un detector de lumină ultra-sensibil,

rezoluția poate ajunge la un milimetru.

Asta e de o sută de ori mai bine

decât putem noi vedea de peste drum.

Prima generație de automobile LIDAR
foloseau un sistem complex rotativ

ce stătea pe plafon sau pe capotă.

Folosind fotonica integrată,

modulatoarele și detectoarele
au fost micșorate

la mai puțin de o zecime de milimetru,

și introduse în cipuri mici
ce vor fi puse în farurile mașinilor.

Aceste cipuri vor avea o variantă
mai bună a modulatorului

ce vor putea elimina componentele
mecanice și vor scana mai rapid.

Încetinind doar puțin lumina într-un braț,

acest dispozitiv va acționa mai mult
ca un graduator decât ca un întrerupător.

Dacă o rețea cu multe astfel de brațe,
fiecare cu întârziere controlată,

sunt puse în paralel,
poate rezulta ceva nou:

un impuls laser orientabil.

Din poziția lor superioară,

acești detectori inteligenți
vor scana și vedea mai bine

decât orice altceva din natură

și ne vor ajuta să ocolim orice obstacole.

Asta fără niciun efort din partea nimănui,

poate cu excepția elanului dezorientat.