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

Переводчик: Антон Замараев Редактор: Ростислав Голод

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

Уже поздно, кромешная тьма, и беспилотник спускается по узкой просёлочной дороге.

Suddenly, three hazards appear at the same time.

Внезапно на дороге появляются одновременно три помехи движению.

What happens next?

Что сейчас произойдёт?

Before it can navigate this onslaught of obstacles,

Прежде чем начать лавировать сквозь эту череду препятствий,

the car has to detect them—

автомобиль сначала должен распознать их

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

путём сбора требуемой информации о размерах, форме и положении преград,

so that its control algorithms can plot the safest course.

чтобы алгоритмы управления проложили наиболее безопасную траекторию движения.

With no human at the wheel,

В отсутствие водителя

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

автомобилю нужны «умные глаза» — датчики, которые за доли секунды

смогут «разглядеть» мельчайшие детали

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

вне зависимости от окружающей обстановки, погодных условий или освещения.

all in a split-second.

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

Задача непростая, но существует решение, объединившее два главных компонента:

a special kind of laser-based probe called LIDAR,

специальный вид лазерного дальномера под названием лидар (LIDAR)

and a miniature version of the communications technology

и миниатюрную версию устройства связи —

that keeps the internet humming, called integrated photonics.

фактически «движка́» интернета — под названием интегральная фотоника.

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

Понять, как работает лидар, поможет смежная технология радаров.

В радиолокационных антеннах авиации

In aviation,

radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes

применяются радио- и микроволновые импульсы,

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

а время возврата их отражённых лучей

помогает определить местоположение самолётов.

That’s a limited way of seeing, though,

Но у этого способа есть ограничения,

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

связанные с тем, что большой размер луча не позволяет показать мелкие детали.

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

А в системах лидаров беспилотного автомобиля —

LIDAR означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света» —

which stands for Light Detection and Ranging,

uses a narrow invisible infrared laser.

используется узконаправленный невидимый инфракрасный лазер.

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

Он может различать такие мелкие детали, как пуговица на рубашке пешехода

across the street.

на другой стороне улицы.

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

Но как определить форму или глубину этих деталей?

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

Чтобы добиться разрешения по глубине,

лидар испускает серию сверхкоротких импульсов.

Take the moose on the country road.

Представим, что на загородную трассу вышел лось.

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

При приближении автомобиля один луч лидара отражается от основания рогов,

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

а другой — от кончика одного из рогов лося.

Measuring how much longer the second pulse takes to return

Измерив время отражения второго импульса,

provides data about the antler’s shape.

мы получим представление о форме рога.

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

Используя множество коротких импульсов, лидар даёт детальное изображение.

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

Световые импульсы проще всего генерировать включением и выключением лазера.

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

Но это ведёт к нестабильной работе прибора и влияет на синхронизацию его лучей,

which limits depth resolution.

что ограничивает разрешение по глубине.

Better to leave it on,

Лучше оставить его постоянно включённым

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

и использовать нечто другое для цикличной, быстрой и надёжной блокировки света.

That’s where integrated photonics come in.

Вот для этого и нужна интегральная фотоника.

The digital data of the internet

Цифровые данные интернета

is carried by precision-timed pulses of light,

переносятся точнейшими импульсами света

some as short as a hundred picoseconds.

продолжительностью всего в сотню пикосекунд.

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

Одним из способов создания этих импульсов является модулятор Маха-Цендера.

This device takes advantage of a particular wave property,

Это устройство работает благодаря особому свойству волн

called interference.

под названием интерференция.

Imagine dropping pebbles into a pond:

Представьте, что вы бросаете камешки в пруд:

as the ripples spread and overlap, a pattern forms.

по мере расхождения и наложения кругов на воде образуется узор.

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

В некоторых местах волновые пики усиливаются и увеличиваются в размерах;

in other places, they completely cancel out.

в других — полностью гасятся.

The Mach-Zehnder modulator does something similar.

Модулятор Маха-Цендера делает то же самое.

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

В нём световые волны разветвляются надвое, а затем сводятся воедино.

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

Если задержать свет в одной из веток на половину длины волны,

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

то объединённая рассинхронизованная волна погасится и свет пропадёт.

By toggling this delay in one arm,

Переключая эту задержку в одной из веток,

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

модулятор действует как семафор, излучающий световые импульсы.

A light pulse lasting a hundred picoseconds

Импульс света продолжительностью в сто пикосекунд

leads to a depth resolution of a few centimeters,

позволяет достичь разрешения по глубине в несколько сантиметров,

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

но автомобилям завтрашнего дня нужно разрешение побольше.

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

Соединив модулятор со сверхчувствительным, быстродействующим детектором света,

the resolution can be refined to a millimeter.

можно улучшить разрешение до миллиметра.

That’s more than a hundred times better

Это более чем в сто раз лучше того,

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

что человек с идеальным зрением способен разглядеть на другой стороне дороги.

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

В лидарах беспилотников первого поколения применялись сложные вращающиеся агрегаты,

that scan from rooftops or hoods.

сканировавшие дорогу с крыш или багажников автомобилей.

With integrated photonics,

Использование интегральной фотоники

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

позволило уменьшить модуляторы и датчики до менее чем одной десятой миллиметра

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

и поместить их в микрочипы, которые планируется встроить в фары автомобилей.

These chips will also include a clever variation on the modulator

Эти чипы будут включать в себя ещё и усовершенствованный вариант модулятора,

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

который позволит отказаться от громоздких вращающихся датчиков

и производить сканирование на высоких скоростях.

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

Если всего чуть-чуть задержать свет в одной из веток модулятора,

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

то получится диммер, а не двухпозиционный переключатель.

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

Подсоединив параллельно несколько веток с небольшой контролируемой задержкой,

is stacked in parallel, something novel can be designed:

можно создать нечто новое —

a steerable laser beam.

управляемый лазерный луч.

From their new vantage,

Благодаря этой возможности

these smart eyes will probe and see more thoroughly

«умные глаза» автомобиля будут сканировать и «видеть» столь тщательно,

than anything nature could’ve imagined—

что такого даже невозможно себе представить в мире живой природы,

and help navigate any number of obstacles.

и помогут беспилотникам проходить через любое число преград.

All without anyone breaking a sweat—

Никто даже испугаться не успеет,

except for maybe one disoriented moose.

разве что какой-нибудь заплутавший лось.