Привет, Хабр! Сегодня поговорим о лидарах, точнее, об их эволюции. Они далеко ушли от тех громоздких модулей, которые демонстрировались на техновыставках еще недавно. Правда, и о повсеместном внедрении портативных лидаров говорить рано. Что такое лидар, здесь объяснять не стоит, поскольку об этом и так опубликовано немало статей. Но зато обсудим возможности современной технологии и посмотрим, какие у неё перспективы. Что же, поехали!

Аварий много, но это количество можно снизить

Согласно данным относительно недавнего исследования, в автомобильных авариях гибнет около 1,3 млн человек ежегодно. Это население немаленького города, так что, проблема очень серьезная. Автомобили с автопилотом менее опасны, но все же они пока еще далеки от идеала. Тем не менее, количество аварий с ними меньше, чем в случае «обычных» аварий. 

Что происходит, когда автомобиль с автопилотом или робомобиль приближаются к препятствию? У всех таких машин установлены сенсоры и датчики, которые позволяют строить трёхмерную карту местности. Бортовой компьютер ещё анализирует и выбирает оптимальный путь. Один из ключевых элементов, которые помогают строить такую карту — как раз лидар. Раньше лидары были просто огромными — все мы видели лет 10 назад фото прототипов робомобилей с монструозными конструкциями на крышах. Это и были лидарные системы.

Сейчас все это портативное, встроено в корпус. Но всё же размер, а главное, стоимость лидаров, велика.

Это одна из основных причин, почему те же Tesla не достигли обещанного Маском 5 класса автономности, еле-еле добравшись до 2-го. К слову, в Tesla, как это ни удивительно, нет лидаров. Конструкторы автомобилей компании решили отказаться от лидаров в пользу портативных радаров и других сенсоров и датчиков. Как раз из-за высокой цены и низкой портативности. Сейчас лидарные системы устанавливаются в дорогих автомобилях, причём в очень немногих. В бюджетных авто они появятся только после удешевления.

Робомобили ездят с обычными лидарами — громоздкими и дорогими. Как раз об этом «обвесе» мы и говорили выше. Но если речь о роботакси или роботизированных грузовиках, то эстетика здесь важна, но она не главная. А вот личный автомобиль — дело другое. Правда, здесь тоже есть положительные подвижки.

И как с этим обстоят дела?

В целом, ситуация постепенно меняется к лучшему. Стоит помнить, что радары тоже постепенно эволюционировали. Эта технология старше, чем лидары, но уже сейчас большинство портативных радарных датчиков для авто стоит около $100 за штуку. Это позволяет устанавливать в автомобиль сразу несколько датчиков. Используются они для самых разных задач, от адаптивного круиз-контроля до автоматического экстренного торможения.

Изначально автомобильные радары тоже были относительно большими, дорогими, у них было очень ограниченное количество функций. Но развитие полупроводниковой промышленности позволило привести их к текущему виду.

Лидары сейчас идут по тому же пути развития. Вот так, например, выглядел автомобиль с лидарами в 2005 году. Понятно, это не машина для поездок по дорогам общего назначения, а, скорее, proof of concept.

Сейчас лидары стоят всё ещё много — несколько тысяч долларов, либо ещё выше. Автопромышленности же нужны устройства, стоимость которых не превышает $500 за один детектор. В этом случае лидарами можно будет оснащать многие модели автомобилей, включая относительно недорогие модели.

Достижимо ли это?

Сейчас есть сразу несколько компаний, которые работают над совершенствованием лидаров. В частности, создается технология "лидара-на-чипе", когда вся система представляет собой одну микросхему. В этом случае у лидара нет механических, движущихся частей. Отправка и получение сигнала, отраженного от внешних объектов, тоже выполняется без внешнего "железа".

Лидар, о котором идет речь, во многом похож на радар (в первую очередь, по принципу действия), но он работает в инфракрасной части спектра, с длиной волны обычно от 905 до 1550 нанометров, по сравнению с несколькими миллиметрами для автомобильного радара. Эта разница в длинах волн дает лидару гораздо лучшее пространственное разрешение, поскольку волны, исходящие от датчика, могут быть более чётко сфокусированы.

Лидар компании Analog Photonics состоит из двух частей: кремниевого фотонного чипа и полупроводникового чипа (электронная микрофотография слева). Последний содержит электронику, управляющую множеством фотонных элементов. На микрофотографии с большим увеличением подробно показаны крошечные медные выступы, которые используются для создания электрических соединений между этими двумя чипами (справа). 

Один из портативных лидаров разрабатывается сейчас компанией Analog Photonics. Это  FMCW лидар. Этот вид модулей непрерывно излучает, причем у излучения сравнительно низкая пиковая мощность. Уровни мощности лазера аналогичны тем, которые используются во многих коммуникационных приложениях, а это означает, что излучение может генерироваться и обрабатываться фотонными интегральными схемами. Эта особенность лазерной системы стала одним из ключевых факторов, которые позволили создать лидары на основе чипов.

На фото выше — рендер миниатюрной лидарной системы. К такому виду планируется привести лидары. Уже сейчас готовы работающие прототипы твердотельного лидара, которые тестируются рядом компаний, производящих компоненты для авто. Вот так выглядит работающий прототип.

Сейчас работа ведется над двумя версиями лидара — дальнего действия, который предназначен для установки в передней части автомобиля. И версией ближнего действия с более широким углом «зрения», который анализирует всё, что находится вокруг авто.

Кроме уже названной выше компании, работы над созданием собственной лидарной системы ведут и другие стартапы. Например Cepton и Luminar, чьи лидары станут устанавливать в топовых авто ряда производителей в 2023 году. Что касается лидаров от  Analog Photonics, то их планируется реализовать в виде «система на чипе» и тогда уже начать поставки автомобильным компаниям на автомобильной основе.

Но и кроме авто, использовать такие системы вскоре будут в других направлениях, включая робототехнику, промышленную автоматизацию, приложения для мобильных устройств, геодезию и даже игры. И текущая работа позволяет приблизить тот день, когда лидары будут использоваться повсеместно.