How do self-driving cars “see”? - Sajan Saini

Translator: Hajar Almasi Reviewer: Pedram Pourasgari

It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road.

دیروقت است و اوجِ تاریکی و خودرویی خود‌ران از جاده‌ باریکِ برون‌شهری به آرامی می‌گذرد

Suddenly, three hazards appear at the same time.

ناگهان، سه خطر همزمان پدیدار می‌شوند.

What happens next?

بعدش چه اتفاقی می‌افتد؟

Before it can navigate this onslaught of obstacles,

پیش از اینکه بتواند یورش این موانع را هدایت کند،

the car has to detect them—

خودرو باید آن‌ها را شناسایی کند ــ

gleaning enough information about their size, shape, and position,

اطلاعات کافی درباره اندازه، شکل و موقعیت‌شان جمع کند‌،

so that its control algorithms can plot the safest course.

به‌طوری که الگوریتم‌های کنترلی آن بتوانند امن‌ترین مسیر را طراحی کنند.

With no human at the wheel,

درحالی که هیچ‌کس پشت فرمان نیست،

the car needs smart eyes, sensors that’ll resolve these details—

خودرو به چشمان هوشمند نیاز دارد، حسگرهای که این جزئیات را حل خواهند کرد ــ

no matter the environment, weather, or how dark it is—

مهم نیست محیط‌ یا آب و هوا چطور باشد یا اینکه چقدر تاریک است ــ

all in a split-second.

همه در کسری از ثانیه.

That’s a tall order, but there’s a solution that partners two things:

دستور بلندی‌ست اما راه حلی است که دو چیز را شریک موضوع می‌کند:

a special kind of laser-based probe called LIDAR,

نوع خاصی از کاوشگرِ مبتنی بر لیزر به نام LIDAR،

and a miniature version of the communications technology

و یک نسخه بسیار ریز از فناوری ارتباطات

that keeps the internet humming, called integrated photonics.

که اینترنت را پاسخگو نگه داشته که فوتونیکِ یکپارچه نامیده می‌شود.

To understand LIDAR, it helps to start with a related technology— radar.

برای درک LIDAR، کمک کننده است که با فناوریِ مرتبط شروع کنیم ــ رادار.

In aviation,

در صنعت هواپیمایی،

radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes

آنتن‌های رادار، پالس‌های رادیویی یا مایکروویوی را در هواپیما می‌فرستند

to learn their locations by timing how long the beams take to bounce back.

تا محل‌شان را با زمان‌گیری مدتی که طول می‌کشد تا پرتو‌ها بازگردند.

That’s a limited way of seeing, though,

با این حال، این روشِ محدودی برای دیدن است،

because the large beam-size can’t visualize fine details.

چون پرتو‌هایِ بزرگ قادر به تصویرسازی جزئیات کوچک نیستند.

In contrast, a self-driving car’s LIDAR system,

در مقابل، سیستم LIDAR خودروهای خودران

which stands for Light Detection and Ranging,

که مخفف «تشخیص و اندازه‌گیری فاصله با استفاده از نور» است.

uses a narrow invisible infrared laser.

از لیزر مادون‌قرمزِ محدودِ نامرئی استفاده می‌کند.

It can image features as small as the button on a pedestrian’s shirt

(این سیستم) می‌تواند ویژگی‌های یک تصویر به کوچکی دگمه پیراهن عابر پیاده‌ای را

across the street.

در خیابان نشان دهد.

But how do we determine the shape, or depth, of these features?

اما چطور شکل، یا عمقِ این ترکیبات را تعیین کنیم؟

LIDAR fires a train of super-short laser pulses to give depth resolution.

LIDAR رشته‌ای از پالس‌های لیزری فوق‌ِ کوتاه برای ایجاد وضوح عمق پرتاب می‌کند.

Take the moose on the country road.

یک گوزن در جاده برون‌شهری را در نظر بگیرید.

As the car drives by, one LIDAR pulse scatters off the base of its antlers,

همان‌طور که ماشین در حال حرکت است‌، یک پالسِ LIDAR از وسط شاخ‌های گوزن رد می‌شود،

while the next may travel to the tip of one antler before bouncing back.

در حالی که ممکن است بعدی پیش از بازگشت به نوک شاخ گوزن برخورد کند.

Measuring how much longer the second pulse takes to return

اندازه‌گیری این‌که چقدر پالسِ دوم طول می‌کشد تا برگردد

provides data about the antler’s shape.

اطلاعات مربوط به شکل شاخ را تامین می‌کند.

With a lot of short pulses, a LIDAR system quickly renders a detailed profile.

با کمک شمار زیادی پالس‌های کوتاه، سیستمِ LIDAR به سرعت نمایه دقیقی ارائه می‌دهد.

The most obvious way to create a pulse of light is to switch a laser on and off.

مشخص‌ترین راه برای ایجاد یک پالس نوری، روشن و خاموش کردنِ لیزر است.

But this makes a laser unstable and affects the precise timing of its pulses,

اما این کار، لیزر را ناپایدار کرده و بر زمان‌ْگیریِ دقیق پالس‌هایش اثر می‌گذارد،

which limits depth resolution.

که وضوح عمق را محدود می‌سازد.

Better to leave it on,

بهتر است آن را روشن بگذارید

and use something else to periodically block the light reliably and rapidly.

و از چیز دیگری استفاده کنید تا به شکل دوره‌ای نور را مطمئن و سریع مسدود کند.

That’s where integrated photonics come in.

اینجاست که پای فوتونیک یکپارچه به ماجرا باز می‌شود.

The digital data of the internet

داده‌های دیجیتالیِ اینترنت

is carried by precision-timed pulses of light,

با پالس‌های نوریِ دقیق-زمان‌بندی شده

some as short as a hundred picoseconds.

و برخی کمتر از صد پیکوثانیه منتقل می‌شوند.

One way to create these pulses is with a Mach-Zehnder modulator.

یکی از راههای ایجاد این پالس‌ها استفاده از مدولاتور یا تعدیل‌گر نوری ماخ-زندر است.

This device takes advantage of a particular wave property,

این دستگاه از یک ویژگیِ یک موج خاص

called interference.

به نام برهم‌نهی یا تداخل بهره می برد.

Imagine dropping pebbles into a pond:

تصور کنید سنگریزه‌هایی داخل حوضچه‌ای بریزید:

as the ripples spread and overlap, a pattern forms.

با گسترش و برهم‌نهی/همپوشانی امواج، الگویی شکل می گیرد.

In some places, wave peaks add up to become very large;

در بعضی جاها، اوجِ امواج به هم افزوده شده و بسیار بزرگ می‌شوند؛

in other places, they completely cancel out.

و در جاهای دیگر، آن‌ها کاملاً همدیگر را خنثی می‌کنند.

The Mach-Zehnder modulator does something similar.

تعدیل‌گرنوری ماخ-زندر نیز کار مشابهی می‌کند.

It splits waves of light along two parallel arms and eventually rejoins them.

امواج نور را درامتداد دو بازوی موازی تقسیم کرده و در نهایت آنها را به هم می‌پیوندد.

If the light is slowed down and delayed in one arm,

اگر نور در یک سو، آهسته شده و به تاخیر افتد،

the waves recombine out of sync and cancel, blocking the light.

امواج به واسطه همگام‌سازیِ، ترکیب و لغو می شوند و نور را مسدود می‌کنند.

By toggling this delay in one arm,

با استفاده از این تاخیر در یک بازو،

the modulator acts like an on/off switch, emitting pulses of light.

تعدیل‌گر مثل یک کلید روشن / خاموش عمل کرده و پالس‌های نوری را منتشر می‌کند.

A light pulse lasting a hundred picoseconds

یک پالس نوری صد پیکوثانیه طول می‌کشد

leads to a depth resolution of a few centimeters,

و منجر به وضوح عمق چند سانتی متر می‌شود،

but tomorrow’s cars will need to see better than that.

اما خودروهای آینده به دیدِ بهتری از آن نیاز خواهند داشت.

By pairing the modulator with a super- sensitive, fast-acting light detector,

با اتصال تعدیل‌گر به یک حس‌گرِ نوریابِ فوق‌العاده حساس و سریع،

the resolution can be refined to a millimeter.

دقت را می توان تا یک میلی متر اصلاح کرد.

That’s more than a hundred times better

صدها برابر بهتر از دیدی است

than what we can make out with 20/20 vision, from across a street.

که می‌توانیم با وضوح دید کامل از آن سوی خیابان داشته باشیم.

The first generation of automobile LIDAR has relied on complex spinning assemblies

نخستین نسل از خودروی LIDAR بر دستگاه گردان نصبی متکی بوده

that scan from rooftops or hoods.

که از روی سقف یا کاپوت خودرو اسکن می‌کنند.

With integrated photonics,

با فناوری فوتونیک یکپارچه

modulators and detectors are being shrunk to less than a tenth of a millimeter,

تعدیل‌گر و حس‌گر به کم‌تر از یک‌دهم میلی‌متر جمع شده‌،

and packed into tiny chips that’ll one day fit inside a car’s lights.

و به قدرِ تراشه‌های ریزی بسته‌بندی شده که روزی در داخل چراغ اتومبیل جای خواهند گرفت.

These chips will also include a clever variation on the modulator

این تراشه‌ها همچنین شاملِ تغییر هوشمندانه‌ای درتعدیل‌گر

to help do away with moving parts and scan at rapid speeds.

برای کمک به دور کردن قطعات متحرک و اسکن در سرعت‌های بالا هستند.

By slowing the light in a modulator arm only a tiny bit,

تنها با کاهش بسیار کم نور در بازوی دیگر تعدیل‌گر‌،

this additional device will act more like a dimmer than an on/off switch.

این دستگاه الحاقی بیشتر شبیهِ نورکم‌کن کار می‌کند تا کلید روشن / خاموش.

If an array of many such arms, each with a tiny controlled delay,

اگر ردیفی از شماری از این بازوها، هر یک با کمی تاخیر کنترل‌شده کوچک،

is stacked in parallel, something novel can be designed:

به طور موازی جمع شوند، چیزی نو می توان طراحی کرد:

a steerable laser beam.

پرتو لیزر قابل هدایت.

From their new vantage,

بخاطرمزایای جدیدشان،

these smart eyes will probe and see more thoroughly

این چشمان هوشمند به کاوش و دید دقیق‌تری می‌پردازند

than anything nature could’ve imagined—

از هر چیزی که طبیعت می‌تواند تصورش را بکند ــ

and help navigate any number of obstacles.

وبه هدایت از میان هر تعداد از موانع کمک می‌کنند.

All without anyone breaking a sweat—

و همه اینها بدون اینکه کسی قطره‌ای عرق بریزد ــ

except for maybe one disoriented moose.

غیر از گوزن گم‌گشته.