Как «видят» беспилотные автомобили? — Саджан Сайни

Посмотреть урок полностью: https://ed.ted.com/lessons/how-do-self-driving-cars-see-sajan-saini

Уже поздно, кромешная тьма, и автомобиль-беспилотник спускается по узкой просёлочной дороге. Внезапно на дороге появляются одновременно три помехи движению. При отсутствии водителя автомобиль использует «умные глаза» — датчики, которые принимают решение за доли секунды. Как это достигается? Саджан Сайни объясняет, как лидар (LIDAR) и технология интегральной фотоники воплощают в жизнь беспилотные автомобили.

Урок— Саджан Сайни, мультипликация — Artrake Studio.

Уже поздно, кромешная тьма, и беспилотник
спускается по узкой просёлочной дороге.

Внезапно на дороге появляются
одновременно три помехи движению.

Что сейчас произойдёт?

Прежде чем начать лавировать
сквозь эту череду препятствий,

автомобиль сначала должен распознать их

путём сбора требуемой информации
о размерах, форме и положении преград,

чтобы алгоритмы управления проложили
наиболее безопасную траекторию движения.

В отсутствие водителя

автомобилю нужны «умные глаза» —
датчики, которые за доли секунды

смогут «разглядеть» мельчайшие детали

вне зависимости от окружающей обстановки,
погодных условий или освещения.

Задача непростая, но существует решение,
объединившее два главных компонента:

специальный вид лазерного дальномера
под названием лидар (LIDAR)

и миниатюрную версию устройства связи —

фактически «движка́» интернета —
под названием интегральная фотоника.

Понять, как работает лидар,
поможет смежная технология радаров.

В радиолокационных антеннах авиации

применяются радио-
и микроволновые импульсы,

а время возврата их отражённых лучей

помогает определить
местоположение самолётов.

Но у этого способа есть ограничения,

связанные с тем, что большой размер луча
не позволяет показать мелкие детали.

А в системах лидаров
беспилотного автомобиля —

LIDAR означает «обнаружение, идентификация
и определение дальности с помощью света» —

используется узконаправленный
невидимый инфракрасный лазер.

Он может различать такие мелкие детали,
как пуговица на рубашке пешехода

на другой стороне улицы.

Но как определить форму
или глубину этих деталей?

Чтобы добиться разрешения по глубине,

лидар испускает серию
сверхкоротких импульсов.

Представим, что на загородную
трассу вышел лось.

При приближении автомобиля один луч
лидара отражается от основания рогов,

а другой — от кончика
одного из рогов лося.

Измерив время отражения второго импульса,

мы получим представление о форме рога.

Используя множество коротких импульсов,
лидар даёт детальное изображение.

Световые импульсы проще всего генерировать
включением и выключением лазера.

Но это ведёт к нестабильной работе прибора
и влияет на синхронизацию его лучей,

что ограничивает разрешение по глубине.

Лучше оставить его постоянно включённым

и использовать нечто другое для цикличной,
быстрой и надёжной блокировки света.

Вот для этого и нужна
интегральная фотоника.

Цифровые данные интернета

переносятся точнейшими импульсами света

продолжительностью
всего в сотню пикосекунд.

Одним из способов создания этих импульсов
является модулятор Маха-Цендера.

Это устройство работает
благодаря особому свойству волн

под названием интерференция.

Представьте, что вы
бросаете камешки в пруд:

по мере расхождения и наложения кругов
на воде образуется узор.

В некоторых местах волновые пики
усиливаются и увеличиваются в размерах;

в других — полностью гасятся.

Модулятор Маха-Цендера делает то же самое.

В нём световые волны разветвляются надвое,
а затем сводятся воедино.

Если задержать свет в одной из веток
на половину длины волны,

то объединённая рассинхронизованная волна
погасится и свет пропадёт.

Переключая эту задержку в одной из веток,

модулятор действует как семафор,
излучающий световые импульсы.

Импульс света
продолжительностью в сто пикосекунд

позволяет достичь разрешения по глубине
в несколько сантиметров,

но автомобилям завтрашнего дня
нужно разрешение побольше.

Соединив модулятор со сверхчувствительным,
быстродействующим детектором света,

можно улучшить разрешение до миллиметра.

Это более чем в сто раз лучше того,

что человек с идеальным зрением способен
разглядеть на другой стороне дороги.

В лидарах беспилотников первого поколения
применялись сложные вращающиеся агрегаты,

сканировавшие дорогу
с крыш или багажников автомобилей.

Использование интегральной фотоники

позволило уменьшить модуляторы и датчики
до менее чем одной десятой миллиметра

и поместить их в микрочипы, которые
планируется встроить в фары автомобилей.

Эти чипы будут включать в себя ещё
и усовершенствованный вариант модулятора,

который позволит отказаться
от громоздких вращающихся датчиков

и производить сканирование
на высоких скоростях.

Если всего чуть-чуть задержать свет
в одной из веток модулятора,

то получится диммер,
а не двухпозиционный переключатель.

Подсоединив параллельно несколько веток
с небольшой контролируемой задержкой,

можно создать нечто новое —

управляемый лазерный луч.

Благодаря этой возможности

«умные глаза» автомобиля будут
сканировать и «видеть» столь тщательно,

что такого даже невозможно себе
представить в мире живой природы,

и помогут беспилотникам
проходить через любое число преград.

Никто даже испугаться не успеет,

разве что какой-нибудь заплутавший лось.