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

Translator: Ngoc Nguyen Reviewer: Nhu PHAM

Đêm đã khuya, trời tối đen,

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

một chiếc xe tự lái chạy dọc con đường làng nhỏ hẹp.

Suddenly, three hazards appear at the same time.

Đột nhiên, ba chướng ngại vật cùng xuất hiện.

What happens next?

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Before it can navigate this onslaught of obstacles,

Trước khi có thể đổi hướng để tránh,

xe phải phát hiện ra các chướng ngại vật,

the car has to detect them—

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

thu thập đầy đủ thông tin về kích cỡ, hình dáng và vị trí của chúng,

so that its control algorithms can plot the safest course.

để các thuật toán điều khiển có thể tính toán lộ trình an toàn nhất.

With no human at the wheel,

Vì không có người lái,

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

xe cần những con mắt thông minh, cảm biến để xử lý thông tin chi tiết.

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

Bất kể môi trường xung quanh, thời tiết hay trời tối thế nào,

all in a split-second.

nó cần thu thập mọi thông tin trong tích tắc.

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

Một nhiệm vụ khó khăn,

nhưng khả thi bằng cách kết hợp hai thiết bị:

a special kind of laser-based probe called LIDAR,

đầu dò laser đặc biệt tên là LIDAR,

and a miniature version of the communications technology

và phiên bản thu nhỏ của công nghệ truyền thông

that keeps the internet humming, called integrated photonics.

thúc đẩy sự phát triển của internet, gọi là quang tử tích hợp.

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

Để hiểu LIDAR, trước tiên cần hiểu về một công nghệ tương quan - radar.

Trong ngành hàng không,

In aviation,

radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes

ăng-ten radar phát ra xung sóng vô tuyến hoặc vi sóng đến máy bay,

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

thời gian chùm tia phản hồi trở lại cho biết vị trí của chúng.

That’s a limited way of seeing, though,

Tuy nhiên, cách này có những hạn chế,

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

vì dù chùm tia có lớn hơn

cũng không thể cho ra thông số hình ảnh chi tiết.

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

Ngược lại, hệ thống LIDAR của xe tự lái,

which stands for Light Detection and Ranging,

viết tắt của Phát hiện và Định tầm bằng Ánh sáng,

uses a narrow invisible infrared laser.

dùng tia laser hồng ngoại nhỏ, vô hình,

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

có thể nhận dạng các vật nhỏ như chiếc nút trên áo sơ mi

của người đi bộ bên kia đường.

across the street.

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

Nhưng làm thế nào để xác định hình dạng và độ dày của các vật thể này?

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

LIDAR phát ra chuỗi xung laser siêu ngắn để đo độ dày.

Take the moose on the country road.

Lấy con nai trên đường làm ví dụ.

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

Khi xe chạy ngang, một xung LIDAR truyền đến đáy gạc,

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

tia kế tiếp truyền đến đỉnh, rồi phản xạ trở lại.

Measuring how much longer the second pulse takes to return

Tính toán khác biệt thời gian của hai xung

provides data about the antler’s shape.

cho ta dữ liệu về hình dạng gạc.

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

Nhờ nhiều xung ngắn liên tục được phát ra,

hệ LIDAR nhanh chóng thiết lập hồ sơ chi tiết về đối tượng.

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

Dĩ nhiên, cách đơn giản nhất để tạo ra xung ánh sáng

là bật và tắt nguồn laser

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

nhưng sẽ làm nó không ổn định

và khiến thời gian phát xung không chuẩn xác,

which limits depth resolution.

giới hạn việc phân giải độ sâu.

Better to leave it on,

Tốt hơn hết là giữ nó luôn mở,

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

và dùng một vật đáng tin khác để chặn ánh sáng thật nhanh.

That’s where integrated photonics come in.

Đó là lúc cần đến quang tử tích hợp.

The digital data of the internet

Dữ liệu số của Internet

is carried by precision-timed pulses of light,

được truyền tải với thời gian chuẩn xác bằng xung ánh sáng,

some as short as a hundred picoseconds.

đôi khi ngắn cỡ một trăm pico giây (100x10^−12 giây).

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

Một phương pháp để tạo ra xung này là sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder.

This device takes advantage of a particular wave property,

Thiết bị này dựa trên một thuộc tính đặc biệt của sóng,

called interference.

gọi là giao thoa.

Imagine dropping pebbles into a pond:

Hãy tưởng tượng thả những viên sỏi xuống ao:

as the ripples spread and overlap, a pattern forms.

vân giao thoa hình thành khi các gợn sóng lan ra và chồng lên nhau.

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

Tại vài vị trí, đỉnh sóng tăng cường, dao động có biên độ lớn;

in other places, they completely cancel out.

một số khác, chúng hoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau.

The Mach-Zehnder modulator does something similar.

Giao thoa kế Mach-Zehnder có nguyên lý hoạt động tương tự:

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

phân tách sóng ánh sáng thành hai nhánh song song

rồi kết hợp chúng lại tại đầu ra.

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

Nếu chùm sáng trong một nhánh bị trễ pha,

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

sóng kết hợp sẽ lệch pha và bị triệt tiêu, nên không có ánh sáng đi ra.

By toggling this delay in one arm,

Bằng cách thay đổi độ trễ trong một nhánh,

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

bộ điều biến hoạt động như một công tắc bật / tắt,

phát ra các xung ánh sáng.

A light pulse lasting a hundred picoseconds

Một xung ánh sáng dài một trăm pico giây

leads to a depth resolution of a few centimeters,

có thể phân giải độ sâu vài xen-ti-mét,

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

nhưng trong tương lai, xe cần có độ phân giải tốt hơn.

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

Bằng cách ghép nối bộ điều biến với máy dò ánh sáng nhanh và siêu nhạy,

the resolution can be refined to a millimeter.

có thể tăng độ phân giải lên tầm một mi-li-mét.

That’s more than a hundred times better

Tốt hơn hàng trăm lần

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

thị lực 20/20 của người bình thường từ bên kia đường.

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

Thế hệ xe tự lái đầu tiên sử dụng một hệ thống quay phức tạp

that scan from rooftops or hoods.

quét từ đỉnh hoặc mui xe.

With integrated photonics,

Với quang tử tích hợp,

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

kích cỡ bộ điều biến và máy dò có thể giảm xuống còn dưới 1/10 mi-li-mét,

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

và tích hợp thành những con chip nhỏ, một ngày kia, có thể lắp vừa trong đèn xe.

These chips will also include a clever variation on the modulator

Những con chip này cũng sẽ có thêm một biến tấu trên bộ điều biến

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

giúp tách biệt với bộ phận quay và quét tốc độ cao.

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

Bằng cách làm trễ pha ánh sáng trong một nhánh của bộ điều biến,

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

phụ kiện này sẽ hoạt động giống như dụng cụ chỉnh sáng hơn là công tắc.

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

Việc tạo ra một dãy các nhánh có thể kiểm soát độ trễ pha,

is stacked in parallel, something novel can be designed:

và đặt song song với nhau, có thể tạo ra một thứ mới:

a steerable laser beam.

một chùm tia laser ổn định.

From their new vantage,

Với những lợi thế mới này,

these smart eyes will probe and see more thoroughly

những con mắt thông minh này có thể dò và nhìn kỹ lưỡng hơn

than anything nature could’ve imagined—

bất cứ tạo vật nào mà tạo hóa tạo ra,

and help navigate any number of obstacles.

và giúp điều hướng qua mọi chướng ngại vật

All without anyone breaking a sweat—

mà không khiến bất kì ai phải toát mồ hôi,

except for maybe one disoriented moose.

ngoại trừ, có lẽ, chú nai bị mất phương hướng.