Xe tự lái "thấy đường" như thế nào? - Sajan Saini

Xem toàn bộ bài học tại: https://ed.ted.com/lessons/how-do-elf-dishing-cars-see-sajan-saini

Đêm đã khuya, trời tối đen, một chiếc xe tự lái chạy dọc con đường làng nhỏ hẹp. Đột nhiên, ba chướng ngại vật xuất hiện. Không có người lái, xe sử dụng những con mắt thông minh, cảm biến để xử lí mọi thông tin trong tích tắc. Sao lại có thể? Sajan Saini sẽ giải thích cách mà LIDAR và công nghệ quang tử tích hợp giúp biến xe tự lái thành hiện thực.

Bài học bởi Sajan Saini, đạo diễn bởi Artrake Studio.

Đêm đã khuya, trời tối đen,

một chiếc xe tự lái
chạy dọc con đường làng nhỏ hẹp.

Đột nhiên, ba chướng ngại vật
cùng xuất hiện.

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Trước khi có thể
đổi hướng để tránh,

xe phải phát hiện ra
các chướng ngại vật,

thu thập đầy đủ thông tin
về kích cỡ, hình dáng và vị trí của chúng,

để các thuật toán điều khiển
có thể tính toán lộ trình an toàn nhất.

Vì không có người lái,

xe cần những con mắt thông minh,
cảm biến để xử lý thông tin chi tiết.

Bất kể môi trường xung quanh,
thời tiết hay trời tối thế nào,

nó cần thu thập mọi thông tin
trong tích tắc.

Một nhiệm vụ khó khăn,

nhưng khả thi
bằng cách kết hợp hai thiết bị:

đầu dò laser đặc biệt
tên là LIDAR,

và phiên bản thu nhỏ
của công nghệ truyền thông

thúc đẩy sự phát triển của internet,
gọi là quang tử tích hợp.

Để hiểu LIDAR, trước tiên cần hiểu
về một công nghệ tương quan - radar.

Trong ngành hàng không,

ăng-ten radar phát ra xung sóng vô tuyến
hoặc vi sóng đến máy bay,

thời gian chùm tia phản hồi trở lại
cho biết vị trí của chúng.

Tuy nhiên, cách này có những hạn chế,

vì dù chùm tia có lớn hơn

cũng không thể cho ra
thông số hình ảnh chi tiết.

Ngược lại, hệ thống LIDAR
của xe tự lái,

viết tắt của
Phát hiện và Định tầm bằng Ánh sáng,

dùng tia laser hồng ngoại nhỏ, vô hình,

có thể nhận dạng các vật nhỏ
như chiếc nút trên áo sơ mi

của người đi bộ bên kia đường.

Nhưng làm thế nào để xác định
hình dạng và độ dày của các vật thể này?

LIDAR phát ra
chuỗi xung laser siêu ngắn để đo độ dày.

Lấy con nai trên đường làm ví dụ.

Khi xe chạy ngang,
một xung LIDAR truyền đến đáy gạc,

tia kế tiếp truyền đến đỉnh,
rồi phản xạ trở lại.

Tính toán khác biệt
thời gian của hai xung

cho ta dữ liệu về hình dạng gạc.

Nhờ nhiều xung ngắn
liên tục được phát ra,

hệ LIDAR nhanh chóng thiết lập
hồ sơ chi tiết về đối tượng.

Dĩ nhiên, cách đơn giản nhất
để tạo ra xung ánh sáng

là bật và tắt nguồn laser

nhưng sẽ làm nó không ổn định

và khiến thời gian phát xung
không chuẩn xác,

giới hạn việc phân giải độ sâu.

Tốt hơn hết là giữ nó luôn mở,

và dùng một vật đáng tin khác
để chặn ánh sáng thật nhanh.

Đó là lúc cần đến
quang tử tích hợp.

Dữ liệu số của Internet

được truyền tải với thời gian chuẩn xác
bằng xung ánh sáng,

đôi khi ngắn cỡ
một trăm pico giây (100x10^−12 giây).

Một phương pháp để tạo ra xung này
là sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder.

Thiết bị này dựa trên
một thuộc tính đặc biệt của sóng,

gọi là giao thoa.

Hãy tưởng tượng
thả những viên sỏi xuống ao:

vân giao thoa hình thành
khi các gợn sóng lan ra và chồng lên nhau.

Tại vài vị trí, đỉnh sóng tăng cường,
dao động có biên độ lớn;

một số khác,
chúng hoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau.

Giao thoa kế Mach-Zehnder
có nguyên lý hoạt động tương tự:

phân tách sóng ánh sáng
thành hai nhánh song song

rồi kết hợp chúng lại tại đầu ra.

Nếu chùm sáng
trong một nhánh bị trễ pha,

sóng kết hợp sẽ lệch pha và bị triệt tiêu,
nên không có ánh sáng đi ra.

Bằng cách thay đổi độ trễ
trong một nhánh,

bộ điều biến
hoạt động như một công tắc bật / tắt,

phát ra các xung ánh sáng.

Một xung ánh sáng
dài một trăm pico giây

có thể phân giải độ sâu
vài xen-ti-mét,

nhưng trong tương lai,
xe cần có độ phân giải tốt hơn.

Bằng cách ghép nối bộ điều biến
với máy dò ánh sáng nhanh và siêu nhạy,

có thể tăng độ phân giải
lên tầm một mi-li-mét.

Tốt hơn hàng trăm lần

thị lực 20/20 của người bình thường
từ bên kia đường.

Thế hệ xe tự lái đầu tiên
sử dụng một hệ thống quay phức tạp

quét từ đỉnh hoặc mui xe.

Với quang tử tích hợp,

kích cỡ bộ điều biến và máy dò
có thể giảm xuống còn dưới 1/10 mi-li-mét,

và tích hợp thành những con chip nhỏ,
một ngày kia, có thể lắp vừa trong đèn xe.

Những con chip này cũng sẽ có thêm
một biến tấu trên bộ điều biến

giúp tách biệt với bộ phận quay
và quét tốc độ cao.

Bằng cách làm trễ pha ánh sáng
trong một nhánh của bộ điều biến,

phụ kiện này sẽ hoạt động giống như
dụng cụ chỉnh sáng hơn là công tắc.

Việc tạo ra một dãy các nhánh
có thể kiểm soát độ trễ pha,

và đặt song song với nhau,
có thể tạo ra một thứ mới:

một chùm tia laser ổn định.

Với những lợi thế mới này,

những con mắt thông minh này
có thể dò và nhìn kỹ lưỡng hơn

bất cứ tạo vật nào
mà tạo hóa tạo ra,

và giúp điều hướng
qua mọi chướng ngại vật

mà không khiến bất kì ai
phải toát mồ hôi,

ngoại trừ, có lẽ,
chú nai bị mất phương hướng.