Як «бачать» безпілотні автомобілі

Лідар (транслітерація LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging) — технологія отримання та обробки інформації про віддалені об'єкти за допомогою активних оптичних систем, що використовують явища відбиття світла і його розсіювання в прозорих і напівпрозорих середовищах.

Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.

Пізно, непроглядна темрява, безпілотний автомобіль рухається по вузькій сільській дорозі.
Раптово, на шляху зустрічаються три перешкоди.
Що зараз станеться?
Перш ніж почати маневрувати між цими перепонами, автомобіль повинен розпізнати їх шляхом збору необхідної інформації про їхні розміри, форму і розташування, щоб алгоритми керування змогли прокласти найбезпечнішій курс.
За відсутності людини за кермом автомобілю потрібні "розумні очі" - сенсори, які побачать всі деталі незалежно від навколишнього середовища, погоди чи освітленості усього за частку секунди.
Це непросте завдання, але існує рішення, яке поєднує два головні компоненти.
Спеціальний вид лазерного локатора під назвою "лідар" і мініатюрну версію пристрою, який забезпечує функціонування інтернету під назвою "фотонна інтегральна схема".
Щоб зрозуміти, як працює лідар, почнемо зі схожого приладу — радара.
В авіації антени радіолокаторів випромінюють імпульси радіо- чи мікрохвиль в напрямку літаків, щоб дізнатися їхнє місце розташування, визначаючи час, який потрібен хвилям, щоб відбившись, повернутися назад.
Але цей метод має певні обмеження, пов’язані з тим, що великий діаметр пучка не дозволяє візуалізувати дрібні деталі.
А в безпілотному автомобілі система лідар, що означає виявлення, ідентифікація і визначення відстані за допомогою світла, використовує вузько спрямований невидимий інфрачервоний квазар.
Лідар може розрізняти такі дрібні деталі як ґудзик на сорочці пішохода, що іде на протилежному боці вулиці.
Але як визначити форму, або глибину цих деталей?
Щоб домогтися високої роздільності по глибині, лідар випускає серію надкоротких імпульсів.
Уявімо, що на заміську трасу вийшов лось.
При наближенні автомобіля один імпульс лідара відбивається від основи рогів, а інший може відбитися від кінчика одного з рогів лося.
Вимірюючи час, потрібний другому імпульсу для повернення після відбивання, ми отримуємо інформацію про форму рогів.
Використовуючи багато коротких імпульсів, лідар швидко формує детальний профіль опромінюваної поверхні.
Найпростішим способом створення імпульсів світла є вмикання і вимикання лазера.
Але це викликає нестабільну роботу лазера і впливає на тривалість його імпульсів, що обмежує роздільність за глибиною.
Краще залишити його постійно ввімкненим і використовувати щось інше для швидкого і надійного періодичного блокування світла.
Ось для цього і потрібна фотонна інтегральна схема.
Цифрові данні мережі Інтернет передаються за допомогою високоточних світлових імпульсів, тривалістю всього лише кілька сотень пікосекунд.
Одним зі способів створення цих імпульсів є модулятор Маха-Цендера.
Цей пристрій працює завдяки явищу, властивого хвилям — інтерференції.
Уявіть, що в ставок падають камінці.
В міру поширення і накладання хвиль на поверхні води утворюється своєрідний візерунок.
У одних місцях горби хвиль накладаючись підсилюють один одного, в інших — повністю гасяться.
Інтерферометр Маха-Цендера робить щось подібне.
Він розщеплює світловий пучок на два, які ідуть різними шляхами, а потім зводить їх разом.
Якщо в одному плечі світло уповільнюється і відстає на певну довжину, то хвилі не співпадатимуть по фазі, тож інтерференційна картина зміниться.
Вмикаючи й вимикаючи цю затримку в одному з плечей, модулятор діє як перемикач, випромінюючи імпульси світла.
Світловий імпульс тривалістю в 100 пікосекунд дозволяє досягти роздільної здатності по глибині в кілька сантиметрів.
Але автомобілям найближчого майбутнього знадобиться краща роздільність.
Поєднавши модулятор з надчутливим швидкодіючим фотодавачем, можна поліпшити роздільну здатність до одного міліметра.
Це більш ніж у 100 разів краще ніж те, що людина зі 100-відсотковим зором здатна розгледіти на протилежному боці вулиці.
Автомобільні лідари першого покоління базувалися на складних обертових вузлах, які сканували дорогу з автомобільних дахів чи капотів.
Використання фотонних інтегральних схем дозволило зменшити модулятори й давачі до менш ніж однієї десятої міліметра і помістити їх в мікрочипи, які одного дня будуть вмонтовані всередину автомобільних фар.
Ці чипи також міститимуть розумний варіант модулятора, який допоможе позбутися рухомих елементів і дозволить сканувати простір на високих швидкостях руху.
При незначному уповільненні світла в одному з плечей модулятора, можна отримати пристрій, який діятиме більше як димер, ні ж перемикач.
Якщо масив таких плечей, кожний з яких даватиме контрольовану затримку, з’єднати паралельно, то можна отримати дещо цілком нове — керований поворотний лазерний промінь.
Завдяки їхній новій перевазі, розумні очі автомобіля скануватимуть і бачитимуть настільки досконало, що в живій природі подібне не можливо навіть уявити.
Вони допоможуть безпілотним автомобілям прокладати курс крізь будь-яку кількість перешкод.
І все це без жодних зусиль чи загроз.
Хіба що за винятком дезорієнтованого лося.