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

翻訳: Sola Watanabe 校正: Tomoyuki Suzuki

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

夜遅く 暗闇に１台の自動運転車が 狭い田舎道をクネクネと進む

Suddenly, three hazards appear at the same time.

突然 ３つの危険物が 同時に現れる

What happens next?

次に何が起こるのか？

Before it can navigate this onslaught of obstacles,

障害物の猛攻撃を通り抜ける前に

the car has to detect them—

車がそれらを検知しなければならない

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

大きさ、形、位置といった 情報を十分に収集することで

so that its control algorithms can plot the safest course.

制御アルゴリズムが 一番安全なコースを決めるのだ

With no human at the wheel,

運転席に人間がいない車は

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

スマートアイを必要とする

これは どんな環境、天気、暗さにおいても これらの詳細を

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

all in a split-second.

一瞬の内に解析する センサーのことだ

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

無理な要求のようだが 次の２つを組合せることで解決する

a special kind of laser-based probe called LIDAR,

ライダーとよばれる レーザーを用いた特殊な検知器と

and a miniature version of the communications technology

インターネット通信に 用いられている

that keeps the internet humming, called integrated photonics.

集積フォトニクスという通信技術の ミニチュア版だ

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

ライダーを理解するには 関連技術であるレーダーから始めると良い

In aviation,

航空技術では

radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes

レーダーアンテナが飛行機に向けて 電波かマイクロ波のパルスをだす

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

ビームが跳ね返り戻ってくるまでの時間で 場所を特定するのだ

That’s a limited way of seeing, though,

視角が限られているが

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

太いビームでは対象物の 細部の見分けがつかないためだ

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

一方 自動運転車の ライダーシステムは ―

which stands for Light Detection and Ranging,

ライダーとは「光による検知と測距」の 意味だが

uses a narrow invisible infrared laser.

細く絞り込んだ 目には見えない赤外線をつかっている

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

歩行者のシャツのボタンほどの 小さなものを

across the street.

通りの向い側から検知できる

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

しかし 対象物の形や奥行きを どのように検知するのか

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

ライダーは奥行き解析のために 超短パルスレーザーを次々と発する

Take the moose on the country road.

仮にヘラジカが田舎道にいたとして

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

車が走り過ぎる時 ライダーのパルス波が 角の生え際で散乱し

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

元の位置に戻ってくるより先に 次のパルスが角の先端に到達する

Measuring how much longer the second pulse takes to return

２つ目のパルスが戻ってくるのに 余分にかかる時間を計測することで

provides data about the antler’s shape.

角の形に関するデータが得られる

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

短いパルスを多く発することで ライダーは形の詳細を迅速に伝えるのだ

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

光のパルスを発する最もわかりやすい方法は レーザーをオンオフすることである

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

しかし これではレーザーが安定せず パルスを正確なタイミングで発信するのに影響し

which limits depth resolution.

奥行きの分解能が 制限されてしまうので

Better to leave it on,

オン状態のままにし

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

光の周期的な遮蔽を 信頼性が高く 高速に行える方法を用いるのが良い

That’s where integrated photonics come in.

ここで 集積フォトニクスが登場する

The digital data of the internet

インターネットのデジタルデータは

is carried by precision-timed pulses of light,

100ピコ秒ほどの間隔しかない

some as short as a hundred picoseconds.

高精度に時間制御された 光パルスにより伝送されている

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

このようなパルスを作りだす１つの方法は マッハ・ツェンダー変調器を使うことだ

This device takes advantage of a particular wave property,

この装置は干渉という 波の特性を利用している

called interference.

この装置は干渉という 波の特性を利用している

Imagine dropping pebbles into a pond:

池に小石を落とした時の様子を 想像してみたまえ

as the ripples spread and overlap, a pattern forms.

波が広がり 互いに重なり合うと 模様が作り出される

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

ある箇所では波の山が重なり とても大きくなるし

in other places, they completely cancel out.

完全に打ち消しあう箇所もある

The Mach-Zehnder modulator does something similar.

マッハ・ツェンダー変調器は 似たような働きをする

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

平行する２本のアームに沿って 光の波を分岐させ 最後に再び合流させる

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

もし光が一本のアームで 速度を落とし 遅延させれば

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

２つの波は同調を失った状態で合流し 打ち消し合うことで 光をブロックする

By toggling this delay in one arm,

１本のアームで この遅延を切換えることで

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

変調器が光のパルスを発するための オンとオフのスイッチのように作動する

A light pulse lasting a hundred picoseconds

100ピコ秒続く光のパルスは

leads to a depth resolution of a few centimeters,

奥行きについて 数センチの解像度をもたらす

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

しかし近い将来に登場する車には それ以上の解像度が必要だ

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

変調器に超高感度で高速に作動する 光検出器を組合わせることで

the resolution can be refined to a millimeter.

ミリ単位まで解像度が向上する

That’s more than a hundred times better

これは 通りの向う側のものを見る時に

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

正常な人間の視力よりも 100倍以上良いということだ

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

初期の車載ライダーは 屋根かボンネットに取り付けてスキャンする

that scan from rooftops or hoods.

複雑に組み合わさった回転部品に 依存していた

With integrated photonics,

集積フォトニクスにより

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

変調器と検知器が 0.1ミリ以下まで小さくなりつつあり

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

車のライトに入るほどの 小さなチップに搭載されるようになるだろう

These chips will also include a clever variation on the modulator

さらにこのチップは 巧妙に改良された変調器を搭載しており

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

動く部品を無くして 高速スキャンを可能にしている

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

変調器のアームの中の 光の速度をほんの少し減速させることで

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

この追加装置はオンオフスイッチというよりは 制光装置として機能するだろう

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

制御のきいたわずかな遅延を 発生させる一連のアームを

is stacked in parallel, something novel can be designed:

並列に配置することで 画期的なものができる

a steerable laser beam.

操作可能なレーザービームだ

From their new vantage,

この新たな特長により

these smart eyes will probe and see more thoroughly

スマートアイは 自然の生き物が捉えられるよりも

than anything nature could’ve imagined—

徹底的に探査して 見ることができ

and help navigate any number of obstacles.

どんな数の障害物も 通り抜けられるようになるだろう

All without anyone breaking a sweat—

難なく ―

except for maybe one disoriented moose.

ただし 方向性を失ったヘラジカは 難しいかもしれないが