Перед тем, как объехать кучу препятствий, беспилотному автомобилю необходимо тщательно проанализировать всю информацию об их размере, форме и положении на дороге, чтобы алгоритм управления мог проложить самый безопасный курс. Без человека за рулем машине нужны умные глаза — сенсоры, способные «увидеть» детали независимо от того, где это происходит, в какую погоду и насколько в данный момент темно. И все это за доли секунды. Достаточно большой список, но есть решение, в котором задействованы две вещи: специальный лазерный сенсор, также известный как ЛИДАР и миниатюрная версия коммуникационной технологии, используемая в интернете — фотонная интегральная схема.
Что такое лидар?
Чтобы понять, что такое лидар, необходимо понять работу похожей технологии — радара. В авиации антенны радара посылают радио- или микроволновые импульсы в самолеты для определения их местоположения с помощью времени, которое потребуется лучу, чтобы отразиться и вернуться к радару. Но это ограниченный метод «зрения», потому что большой размер луча не может визуализировать точные детали, в отличие от лидара на беспилотной машине, который применяется для обнаружения света и измеряет расстояние. Лидар использует узкий, невидимый инфракрасный лазер и может «увидеть» такие мелкие детали, как пуговица на рубашке пешехода на другой стороне улицы.
Как определяется форма или глубина этих деталей? Лидар выстреливает большое количество сверхкоротких импульсов, чтобы получить высокое разрешение. С помощью них система лидара быстро «рисует» детализированный профиль препятствия. Самый очевидный способ получить короткий импульс света — это выключить и снова включить лазер. Но это делает его нестабильным и ограничивает глубину разрешения. В этом случае лучше оставить лазер включенным и использовать что-то, что могло бы надежно и быстро блокировать свет. И именно здесь пригодится фотонная интегральная схема.
Модулятор Маха-Цендера
Цифровые данные в интернете передаются очень точными по времени импульсами света. Некоторые настолько короткие, что могут достигать 100 пикосекунд. Чтобы создать такие импульсы, необходим модулятор Маха-Цендера, устройство использующее конкретное свойство волн — интерференцию. Модулятор Маха-Цендера разделяет волны света вдоль двух параллельно излучаемых ветвей, а затем соединяет их.
Если свет замедляется или задерживается на одной из ветвей, волны сбрасываются, блокируя свет. Учитывая задержку в одной ветви, модулятор действует как переключатель, испуская импульсы света. Импульс длинной в 100 пикосекунд дает глубину разрешения в несколько сантиметров. Но, по мнению производителей, автомобилям будущего нужно «видеть» намного лучше. Используя модулятор в паре со сверхчувствительным скоростным световым детектором, разрешение можно оптимизировать до 1 мм. Это в 100 раз лучше, чем может разглядеть человек со 100% зрением.
Эволюция лидара
Первое поколение автомобильных лидаров основывалось на крутящихся системах, которые устанавливали на крыши или капоты. С фотонной интегральной схемой модуляторы и детекторы уменьшились до размера менее 1/10 миллиметра и стали умещаться в крошечных чипах, которые могут быть установлены даже в фары автомобилей.
Современные чипы не имеют движущихся частей, сканируют с огромной скоростью и работают больше как диммер, чем как переключатель. С массивом ветвей, на каждой из которых транслируется такая маленькая задержка в параллельной сцепке, может быть использовано кое-что новое, а именно поворотный лазерный луч.
С помощью нового преимущества умные «глаза» беспилотных автомобилей станут намного детальней и смогут гораздо лучше сканировать и видеть, чем любое природное зрение, а также находить путь сквозь огромное количество препятствий.