ภาพรวมเทคโนโลยี LiDAR สำหรับรถยนต์

 (viksnewsletter.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-11-27 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • LiDAR (Light Detection and Ranging) สำหรับรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติเป็นเซ็นเซอร์หลักที่รับรู้สภาพแวดล้อมรอบตัวแบบ 3D ได้อย่างรวดเร็ว แต่การนำไปใช้ในวงกว้างจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อต้องลดราคาของอุปกรณ์ระดับหลายพันดอลลาร์ลงอย่างมาก
  • ความยาวคลื่นหลักอย่าง 905nm และ 1550nm มีข้อดีข้อเสียต่างกันในด้านต้นทุน กำลังส่ง ความไวของตัวตรวจจับ ความปลอดภัยต่อดวงตา การรบกวนจากแสงอาทิตย์ และสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น
  • การเลือก ตัวตรวจจับแสง เช่น APD, SPAD, SiPM ส่งผลโดยตรงต่อความไว ต้นทุน และวิธีผสานการประมวลผลสัญญาณ โดย SPAD สามารถตรวจจับเวลาที่โฟตอนเดี่ยวมาถึงได้ในระดับพิโควินาที
  • ปัจจุบัน dToF แบบเรียบง่ายถูกใช้อย่างแพร่หลาย และระยะใช้งานเชิงพาณิชย์อยู่ราว 100~200m ส่วน FMCW สามารถคำนวณทั้งระยะและความเร็วได้พร้อมกัน แต่มีความซับซ้อนในการใช้งานสูง
  • แนวโน้มชัดเจนคือการลดชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว จากโครงสร้างเชิงกลแบบหมุน ไปสู่ MEMS, Flash และ OPA เพื่อปรับปรุง ต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความเร็วในการเก็บข้อมูล

บทบาทของ LiDAR ในรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ

  • LiDAR (Light Detection and Ranging) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้เลเซอร์อินฟราเรดวัดระยะทางไปยังวัตถุระยะไกล
  • เทคโนโลยีนี้ถูกใช้งานอยู่แล้วในด้านพืชพรรณ ภูมิประเทศในเมือง โบราณสถานที่ซ่อนอยู่ สถาปัตยกรรม และความเป็นจริงเสริม ส่วนในรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติทำหน้าที่เป็น “ดวงตา” ที่สร้างภาพ 3D ความละเอียดสูงของสภาพแวดล้อมรอบตัวได้อย่างรวดเร็ว
  • หลักการพื้นฐานคล้ายกับเรดาร์ แต่ใช้เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าไมโครเวฟ จึงสร้างภาพที่ละเอียดกว่าได้
  • มีการใช้งานแล้วในแท็กซี่ขับเคลื่อนอัตโนมัติของ Waymo และ Cruise และได้รับการยืนยันว่าเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ได้จริงสำหรับระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ Level 4
  • ข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดคือ ต้นทุน
    • โดม LiDAR แบบหมุนบนหลังคารถมีราคาระดับหลายพันดอลลาร์
    • แหล่งกำเนิดแสง ตัวตรวจจับ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ และชิ้นส่วนเชิงกล ล้วนผลักดันต้นทุนโดยรวมให้สูงขึ้น
    • เพื่อให้เกิดการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง จำเป็นต้องลดต้นทุนลงอย่างน้อยหนึ่งหลัก
  • ในวงการ LiDAR มีสตาร์ทอัพมากกว่า 140 รายกำลังแข่งขันกันเพื่อการลดต้นทุนและการนำไปใช้เชิงพาณิชย์

ความยาวคลื่นที่ใช้ทำงาน: 905nm และ 1550nm

  • LiDAR สำหรับรถยนต์ส่วนใหญ่ทำงานในย่านอินฟราเรดที่อยู่นอกช่วงแสงที่ตามองเห็น 380~700nm โดยความยาวคลื่นหลักคือ 905nm และ 1550nm
  • การเลือกความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับกำลังเลเซอร์ ความไวของตัวตรวจจับ และระดับการรบกวนจากแสงธรรมชาติและแสงประดิษฐ์
  • แสงอาทิตย์เป็นแหล่งรบกวนที่รุนแรงแม้ในย่านอินฟราเรด และปริมาณแสงอาทิตย์ที่เดินทางถึงพื้นผิวในความยาวคลื่นหนึ่ง ๆ วัดด้วย solar photon flux
  • บริเวณใกล้ 905nm, 940nm และ 1550nm มีช่วงที่ลดลงจากการดูดกลืนของไอน้ำในบรรยากาศชั้นบน ซึ่งช่วยลดการรบกวนต่อระบบภาคพื้นดิน
    • แต่ผลการดูดกลืนเดียวกันนี้อาจทำให้สัญญาณ LiDAR อ่อนลงบนถนนที่มีหมอกและฝน

  • ข้อดีและข้อเสียของ 905nm

    • 905nm อยู่ใกล้แสงที่ตามองเห็น จึงเกิดทั้งปัญหาความปลอดภัยต่อดวงตาและการรบกวน
    • เนื่องจากถูกจอประสาทตาดูดกลืนได้ง่ายและอาจก่อความเสียหายเมื่อได้รับแสงเป็นเวลานาน จึงต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยต่อดวงตาอย่างเข้มงวด
    • มีแหล่งรบกวนใกล้ย่านแสงที่ตามองเห็นจำนวนมาก เช่น แสงอาทิตย์และไฟหน้ารถ ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง
    • ในทางกลับกัน ที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า โดยทั่วไปตัวตรวจจับแสงจะมีความไวสูงกว่า และแหล่งกำเนิดเลเซอร์มีกำลังสูงกว่าและราคาถูกกว่า
    • Ouster เลือกใช้ 850nm แม้จะมี solar photon flux สูง
      • การมองเห็นในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น
      • ประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงและตัวตรวจจับ
      • แนวทางที่จดสิทธิบัตรสำหรับตัดการรบกวนจากสภาพแวดล้อม คือเหตุผลที่เลือกใช้

  • ข้อดีและข้อเสียของ 1550nm

    • 1550nm มีการรบกวนจากรังสีดวงอาทิตย์ต่ำ และแสงทะลุได้ถึงแค่กระจกตา ทำให้มีความกังวลด้านความปลอดภัยต่อดวงตาในแง่การปกป้องจอประสาทตาต่ำกว่า
    • เนื่องจากมีความปลอดภัยต่อดวงตาสูงกว่า จึงสามารถใช้กำลังส่งที่สูงขึ้นเป็นเวลานานขึ้น และให้ระยะตรวจจับที่ไกลขึ้นได้
    • ข้อเสียคือมีการดูดกลืนจากไอน้ำมาก จึงใช้งานได้ยากในสภาพเปียกชื้น

ตัวตรวจจับแสง: APD, SPAD, SiPM

  • ตัวตรวจจับที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดใน LiDAR สำหรับรถยนต์คือ Avalanche Photodiode(APD)
  • APD เป็นรอยต่อสารกึ่งตัวนำ PN ที่ใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยตอบสนองต่อโฟตอนที่ตกกระทบ สร้างคู่ อิเล็กตรอน-โฮล และผลิตกระแสที่แปรผันตามจำนวนโฟตอน
  • การตอบสนองต่อความยาวคลื่นและต้นทุนแตกต่างกันตามวัสดุของ APD
    • Silicon APD ตอบสนองต่อ NIR ได้ดีและมีต้นทุนการผลิตต่ำ
    • InGaAs เหมาะกับความยาวคลื่น SWIR แต่มีราคาแพงกว่า
    • Germanium ก็ใช้เป็นวัสดุ APD เช่นกัน

  • SPAD

    • SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) ไม่ได้สร้างสัญญาณแอนะล็อกที่แปรผันตามปริมาณแสงเหมือน APD แบบเดิม แต่สร้างการตอบสนองแบบไบนารีที่ใกล้เคียงกับการมาถึงของโฟตอน
    • ทำงานใน Geiger-mode ที่มี reverse bias สูง และแม้โฟตอนเดี่ยวก็ทำให้เกิด avalanche breakdown จนเกิดกระแสขนาดใหญ่ได้
    • สามารถวัดเวลาที่โฟตอนมาถึงได้ด้วยความแม่นยำระดับพิโควินาที หรือหนึ่งในล้านล้านวินาที จึงเหมาะกับการวัดระยะอย่างแม่นยำ
    • สามารถสร้างด้วยกระบวนการ CMOS ได้ จึงเอื้อต่อการลดต้นทุน และสามารถผสานการประมวลผลสัญญาณจำนวนมากไว้ติดกับอาร์เรย์ตัวตรวจจับได้โดยตรง

  • SiPM

    • ในย่าน 905nm Silicon Photomultiplier(SiPM) เข้ามาแทนที่ Silicon APD ไปมาก
    • SiPM เป็นอาร์เรย์ของไมโครเซลล์ที่ประกอบด้วย SPAD และตัวต้านทาน quenching
    • สามารถจำกัดการไหลของกระแส avalanche ได้ด้วยตัวเอง พร้อมให้ gain โฟโตอิเล็กทริกสูง และตรวจจับจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบได้อย่างแม่นยำตามระดับกระแสเอาต์พุต

วิธีวัดระยะ: dToF และ FMCW

  • Direct Time-of-Flight

    • dToF(Direct Time-of-Flight) เป็นวิธียิงพัลส์เลเซอร์แล้ววัดเวลาที่สัญญาณสะท้อนกลับมา
    • เวลารวมตั้งแต่ส่งถึงรับคือ round-trip delay และเวลาจริงถึงวัตถุคือครึ่งหนึ่งของค่านี้
    • ระยะทางคำนวณโดยใช้ความเร็วแสงในตัวกลางที่คลื่นเดินทาง
    • ระยะต่ำสุดที่วัดได้ถูกจำกัดโดยความละเอียดของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ด้านเวลา
      • วัตถุที่อยู่ใกล้อาจมีการหน่วงไป-กลับสั้นเกินกว่าที่ตัวตรวจจับจะแยกแยะได้
      • ด้วยเหตุนี้ ความลึกขั้นต่ำจึงมักถูกจำกัดไว้ที่ระดับไม่กี่ cm
    • ระยะสูงสุดถูกกำหนดโดยกำลังส่ง ความไวของตัวตรวจจับ และการสูญเสียเส้นทางในอวกาศว่าง
      • หากสัญญาณสะท้อนแยกจากสัญญาณรบกวนพื้นหลังไม่ได้ ก็ไม่สามารถตีความระยะได้
      • ช่วงสูงสุดของระบบ dToF เชิงพาณิชย์คือ 100~200m
    • ปัจจุบันระบบ LiDAR ส่วนใหญ่ใช้ dToF เพราะมีความเรียบง่าย

  • iToF และ AMCW

    • มีอีกแนวทางแบบอิงเวลาแตกต่างจาก dToF คือใช้สัญญาณคลื่นต่อเนื่องและตรวจจับการเปลี่ยนเฟสของคลื่นสะท้อน
    • วิธีนี้เรียกว่า iToF(indirect ToF) หรือในชื่อที่เฉพาะเจาะจงกว่าคือ AMCW(Amplitude Modulated Continuous Wave)
    • iToF ไวต่อ timing drift น้อยกว่า และเหมาะกับการวัดระยะสั้นมากกว่า

  • FMCW

    • FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR จะมอดูเลตความยาวคลื่นหรือความถี่ของพัลส์ที่ส่งออก
    • เป็นเทคโนโลยีที่มีมาตั้งแต่ทศวรรษ 1960 และเป็นแนวคิดที่ใช้แพร่หลายในเรดาร์สำหรับรถยนต์ด้วย
    • ชุดสัญญาณมอดูเลตความถี่เรียกว่า chirp และสัญญาณสะท้อนจะมีความถี่ ณ ขณะนั้นต่างจากสัญญาณส่ง เพราะมี time delay
    • สามารถนำ beat frequency นี้ไปดาวน์คอนเวิร์ตด้วยมิกเซอร์เพื่อคำนวณทั้งระยะและความเร็วของวัตถุได้
    • ความซับซ้อนในการใช้งานสูงกว่า dToF
      • ต้องใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่ปรับความถี่ได้เพื่อทำการมอดูเลต
      • ต้องมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมเพื่อดึงข้อมูลจากสัญญาณส่งและรับ
    • ข้อดีก็ชัดเจนเช่นกัน
      • แต่ละช่วงเวลามีความถี่ต่างกัน จึงมีการรบกวนระหว่างระบบ LiDAR รอบข้างต่ำ
      • ต้องการกำลังเลเซอร์พีคต่ำกว่า ToF จึงส่งผลต่อมาตรฐานความปลอดภัยต่อดวงตา โดยเฉพาะที่ 905nm

LiDAR เชิงกลและกระจก MEMS

  • LiDAR สแกนแบบหมุน

    • LiDAR เชิงกล เป็นวิธีติดตั้งเลเซอร์อินฟราเรดบนมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านเพื่อหมุนเซ็นเซอร์
    • ให้มุมมองแนวนอน 360° จึงกำจัดจุดบอดได้ แต่มุมมองแนวตั้งถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 90~95°
    • Laser Bear Honeycomb ของ Waymo เป็นตัวอย่างของ LiDAR สแกนเชิงกล และมักเห็นติดตั้งอยู่บนหลังคารถขับเคลื่อนอัตโนมัติของ Waymo
    • มอเตอร์และชิ้นส่วนขับเคลื่อนความแม่นยำสูงทำให้ต้นทุนชิ้นส่วนเพิ่มขึ้น และเป็นส่วนที่สึกหรอจากการใช้งานซ้ำ
    • ด้วยเหตุนี้ ระบบ LiDAR แบบสแกนจึงมีขนาดใหญ่และราคาแพง

  • LiDAR กระจก MEMS

    • LiDAR กระจก MEMS ไม่ได้ขยับแหล่งกำเนิดเลเซอร์และเซ็นเซอร์โดยตรง แต่สะท้อนเลเซอร์ด้วยกระจกไมโครอิเล็กโทรแมคานิคส์ที่เคลื่อนที่ได้
    • เมื่อทำให้กระจก MEMS สั่นไปกลับด้วยความเร็วคงที่ ก็สามารถสแกน LiDAR ครอบคลุมพื้นที่ 3D ได้
    • วิธีขับเคลื่อนแบ่งเป็นสามประเภท
      • การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสถิต: ใช้เฉพาะสนามไฟฟ้า
      • การขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า: ใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
      • การขับเคลื่อนด้วยความร้อนไฟฟ้า: ใช้ความร้อน
    • trade-off สำคัญในการออกแบบคือ น้ำหนักกระจกและความเร็วสแกน
      • กระจกที่หนักจะมีความเร็วสแกนต่ำ
      • กระจก MEMS แบบ 2D มีแกนช้าและแกนเร็ว โดยเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในทิศทางหนึ่งเพื่อทำ raster scan
      • ในแนวตั้งจะเคลื่อนที่ช้ากว่า เพื่อสร้างการย้ายตำแหน่งคงที่สำหรับการสแกนเร็วครั้งใหม่
    • กระจก MEMS สามารถผลิตด้วยกระบวนการ back-end-of-line ของโรงงาน CMOS รุ่นเก่า และถือเป็นเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่
    • คุณสมบัตินี้เอื้อต่อการสร้าง LiDAR แบบสแกนด้วยต้นทุนต่ำ

LiDAR แบบโซลิดสเตต: Flash และ OPA

  • Flash Lidar

    • Flash lidar คล้ายกับการถ่ายภาพ โดยไม่สแกนพื้นที่ 3D แต่ส่องสว่างพื้นที่ด้านหน้าทั้งหมดในครั้งเดียว
    • ใช้ VCSEL เป็นแหล่งกำเนิดเลเซอร์ ส่องพื้นที่เป้าหมายด้วยแสงที่กระจายออก แล้วตรวจจับสัญญาณสะท้อนด้วยอาร์เรย์ SiPM
    • เก็บแฟลช LiDAR ได้สูงสุด 30 เฟรมต่อวินาที จึงให้การเรนเดอร์พื้นที่ 3D แบบเรียลไทม์
    • มีมุมมองแคบกว่า LiDAR เชิงกลแบบหมุน และความละเอียดถูกจำกัดเหมือนกล้องดิจิทัล คือขึ้นอยู่กับว่าสามารถใส่พิกเซลได้มากเท่าไรในพื้นที่ที่กำหนด
    • เมื่อเทียบกับวิธีสแกน อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ต่ำกว่า
      • ต้องกระจายกำลังเลเซอร์แสงที่จำกัดไปยังทุกพิกเซลในอาร์เรย์
      • สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากสภาพแวดล้อมที่มีความยาวคลื่นเดียวกับเลเซอร์จำกัดความไวในการตรวจจับ
      • อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเป็นปัจจัยจำกัดสุดท้ายของระยะตรวจจับ Flash lidar
    • ในเอกสารวิชาการมีรายงานระยะตรวจจับสูงสุด 100m และความละเอียดระดับ cm
    • บางบริษัทเลือกใช้แนวทาง multi-beam
      • ส่องสว่างเฉพาะบางส่วนของสภาพแวดล้อมที่ตัวตรวจจับกำลังค้นหาข้อมูล
      • สามารถส่งกำลังแสงมากขึ้นไปยังพิกเซลที่เกี่ยวข้องจำนวนน้อยลง จึงเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนได้
      • ใกล้เคียงกับการผสมผสานระหว่าง LiDAR แบบสแกนและ Flash lidar
    • เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ระบบจึงมีความน่าเชื่อถือสูง ทนต่อผลกระทบจากแรงสั่นสะเทือน และมีความเร็วในการเก็บข้อมูลสูง

  • Optical Phased Array Lidar

    • OPA(Optical Phased Array) LiDAR เป็นแนวทางที่พยายามสร้าง LiDAR แบบสแกนบนชิปด้วยซิลิคอนโฟโตนิกส์ และยังอยู่ในขั้นวิจัย
    • แนวคิดนำมาจากเสาอากาศแบบ phased array คล้ายกับวิธีสแกนลำแสงที่แผ่ออกโดยปรับเฟสของสัญญาณแต่ละตัวในอาร์เรย์เสาอากาศ
    • ใน OPA ใช้ waveguide แสงแบบรวมบนชิปหรือฮีตเตอร์แบบรวมบนชิปเพื่อสร้างการเปลี่ยนเฟส
      • ฮีตเตอร์ทำให้แสงช้าลงผ่าน thermo-optic coupling
      • ตามการเปลี่ยนเฟส สามารถสแกนทิศทางของหน้าคลื่นที่แผ่ออกในพื้นที่ 3D ได้
    • ข้อดีคือความเร็วสแกนสูงจากการควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์และการกำจัดชิ้นส่วนเคลื่อนไหว
    • การที่สามารถสร้างได้แบบรวมล้วนบนเวเฟอร์ซิลิคอน 300mm เป็นจุดที่น่าสนใจในด้านต้นทุนและความน่าเชื่อถือ

  • ความท้าทายทางเทคนิคของ OPA

    • เมื่อนำความถี่แสงไปใช้กับ phased array จะเกิดโจทย์ยากเพิ่มเติม
    • การจัดการความร้อน: ต้องระบายความร้อนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์จำนวนมากบนชิปอย่างมีประสิทธิภาพ
    • ระยะห่างระหว่างอุปกรณ์: phased array ต้องมีระยะห่างระหว่างอุปกรณ์เท่ากับครึ่งความยาวคลื่น และสำหรับเลเซอร์ 1550nm ต้องวางแหล่งกำเนิดแสงแต่ละตัวให้ห่างกันน้อยกว่า 1 ไมครอน
    • มุมสแกน: ลำแสงคุณภาพดีที่สุดออกมาจาก boresight ซึ่งเป็นด้านหน้าของอาร์เรย์ และเมื่อเบี่ยงออกจากศูนย์กลางเกิน 60° grating lobe จะทำให้ความกว้างของลำแสงแย่ลง
    • Analog Photonics เป็นบริษัทที่แยกตัวออกมาจาก MIT ก่อตั้งโดย Prof. Michael Watts และกำลังผลักดันการนำเทคโนโลยี OPA ไปใช้เชิงพาณิชย์

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-11-27
ความคิดเห็นจาก Hacker News

  • ในฐานะภาพรวมพื้นฐาน ถือว่าสมเหตุสมผล
    น่าประหลาดใจที่ สแกนเนอร์แบบหมุน ยังถูกใช้งานอยู่ ผ่านมา 20 ปีแล้วตั้งแต่ Velodyne ทำขึ้นเป็นรายแรก และแม้มันทำงานได้ดี แต่แพงเกินไป คิดว่า Flash LiDAR หรือกระจก MEMS จะเข้ามาแทนที่เสียอีก Continental ซื้อบริษัท Flash LiDAR ชั้นนำไปเมื่อกว่าสิบปีก่อน แต่สุดท้ายตลาดมวลชนที่ใหญ่พอสำหรับซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนรายใหญ่ก็ไม่เคยเกิดขึ้น
    Waymo ยังคงใช้ LiDAR แบบหมุนแม้แต่กับเซ็นเซอร์ขนาดเล็กตรงมุมรถ ฝั่งนั้นต้องการการวัดระยะไกลน้อยกว่า จึงต้องการทางเลือกที่ถูกและฝังเข้ากับตัวถังได้ ตำแหน่งนั้นเปราะบางเกินไป บางทีอาจเป็นอย่าง เรดาร์อาร์เรย์เฟสคลื่นมิลลิเมตร ที่ติดตั้งไว้หลังแผงตัวถัง Fiberglas ก็ได้ Waymo ต้องแก้ปัญหานี้ก่อนจะเข้า New York
    LiDAR บนหลังคาอาจไม่ใช่ปัญหา แนวคิดว่า “มันต้องหายไปเพราะรถต้องดูเหมือนรถ” คล้ายกับการยืนกรานว่ารถยนต์ต้องมีรูปทรงเหมือนรถม้าที่ใช้ม้าลาก รถยนต์ยุคแรกหน้าตาเหมือนรถม้า แต่ก็อยู่ได้ไม่นาน
    ข้อได้เปรียบใหญ่ของ LiDAR แบบพัลส์เมื่อเทียบกับแบบคลื่นต่อเนื่อง คือ ปัญหาการรบกวนกัน ระหว่างอุปกรณ์ชนิดเดียวกันมีน้อยกว่ามาก duty cycle ต่ำมาก และข้อมูลการเดินทางไปกลับของพัลส์หนึ่งครั้งถูกรวบรวมได้ในเวลาไม่ถึง 1 ไมโครวินาที ถ้าใส่ความสุ่มเล็กน้อยในจังหวะเวลาพัลส์ การชนกันต่อเนื่องหลายครั้งก็จะหมดไป

    • Waymo มีเรดาร์ของตัวเอง และเท่าที่รู้ใช้ย่านใกล้ 70GHz ในสเปกตรัมการดูดกลืน เป็นอุปกรณ์แบน ๆ ขนาดประมาณหนังสือปกอ่อน ติดอยู่ใกล้เซ็นเซอร์อื่น ๆ จึงค่อนข้างสังเกตเห็นได้
      อุปกรณ์ Velodyne รุ่นเก่าเปราะบางต่อความเสียหายหากเปิดใช้งานสองตัวติดกันตลอดเวลา ผมเคยได้ยินข้อเสนอสำหรับอุปกรณ์ลักษณะคล้ายกันว่าให้ใช้เวลา GPS เพื่อซิงโครไนซ์การหมุนของทุกอุปกรณ์ไม่ให้หันเข้าหากัน แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้ดูเป็นปัญหาใหญ่นัก
    • Flash LiDAR กระจายลำแสงออกไปยังพื้นที่กว้าง ทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำมาก
      LiDAR สำหรับรถยนต์ส่วนใหญ่ก็ทำงานอยู่ใน “ขอบเขตที่โฟตอนไม่พอ” อยู่แล้ว โดยมีโฟตอนประมาณ 200–300 ตัวต่อการสะท้อนหนึ่งครั้ง[0] ถ้ากระจายสิ่งนี้ไปทั่วทั้งฉาก อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจะลดลงอย่างรวดเร็ว
      ดังนั้นจึงต้องใช้ 1550nm และที่ 1550nm อาร์เรย์ตัวตรวจจับขนาดใหญ่กับเลเซอร์กำลังสูงมีราคาแพงมาก
      MEMS ผ่านมาสักพักแล้ว แต่จำได้ว่าเคยมีความกังวลเรื่องขอบเขตมุมมอง/มุมบังคับลำแสง ความเร็วในการบังคับลำแสง และกำลังลำแสงสูงสุด
      Jake เพื่อนที่ทำงานด้าน LiDAR บอกว่า ขนาดช่องรับแสง ก็เป็นปัญหาของ MEMS เช่นกัน ถ้าช่องรับแสงเล็ก แสงที่รวบรวมได้ก็น้อยลง และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนก็ต่ำลง
      [0] https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/si...
    • สแกนเนอร์แบบหมุนนั้นเก่ากว่า 20 ปี SICK ยิงเครื่องวัดระยะเลเซอร์ใส่กระจกหมุนมาตั้งแต่ราวปี 1995 แล้ว เพียงแต่ส่วนใหญ่ใช้กับ ระบบความปลอดภัยในอุตสาหกรรม ซึ่งไม่ค่อยอ่อนไหวต่อราคา
      หากต้องการเข้าใจว่าทำไมเลเซอร์แบบหมุนจึงสมเหตุสมผล ต้องรู้บางเรื่องเกี่ยวกับ LiDAR
      อย่างแรก อุปกรณ์ใดก็ตามที่ปล่อยแสงออกมาเป็นรูปกรวยจะเจอ การลดลงตามกฎกำลังสองผกผัน เมื่อระยะทางเพิ่มเป็นสองเท่า แสงที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่จะเหลือ 1/4 เห็นได้ชัดที่สุดในภาพถ่ายใช้แฟลชตอนกลางคืน แต่ก็ใช้กับ LiDAR เช่นกัน ในรถยนต์ ตามอุดมคติควรตรวจจับวัตถุที่อยู่ห่าง 100m ได้ ดังนั้นการฉายจุดเลเซอร์จึงทำได้จริงกว่าการส่องสว่างทั้งพื้นที่มาก
      อย่างที่สอง ไม่ว่าจะใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบใดก็ต้องปลอดภัยต่อดวงตา อินฟราเรดมีข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยเมื่อเทียบกับแสงที่มองเห็นได้ แต่การทำแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างพอจะส่องวัตถุที่ระยะ 100m ให้ปลอดภัยนั้นยากมาก แม้จะคำนึงถึงข้อได้เปรียบของอินฟราเรดแล้วก็ตาม เลเซอร์แบบสแกนไม่ค้างอยู่บนจุดเดียวเป็นเวลานาน จึงสามารถใช้ความเข้มสูงกว่าได้อย่างปลอดภัย
      อย่างที่สาม ไม่ว่าจะใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบใดก็ต้องแข่งกับดวงอาทิตย์ บางครั้งดวงอาทิตย์อยู่ต่ำจนส่องทำให้เซ็นเซอร์พร่าตรง ๆ และยังส่องวัตถุเดียวกันกับที่เราต้องการตรวจจับด้วย ดังนั้นจึงไม่สามารถชดเชยแหล่งกำเนิดแสงที่อ่อนและการลดลงตามกฎกำลังสองผกผันได้ด้วยการประมวลผลสัญญาณที่ชาญฉลาดเพียงอย่างเดียว
      สุดท้าย ผู้ผลิตรถยนต์เหล่านี้สมมติถึงอนาคตที่รถทุกคันบนถนนใช้เทคโนโลยีนี้ แบบนั้นก็มีความเสี่ยงที่สัญญาณสะท้อนจากรถต่างคันจะรบกวนกัน LiDAR แบบหมุนก็อาจเปราะบางได้ แต่ Flash LiDAR เปราะบางเป็นพิเศษ
      ในทางกลับกัน บริษัทรถยนต์ไม่ได้กลัวชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว รถยนต์มีชิ้นส่วนหมุนอยู่มากอยู่แล้ว และพวกเขาเชี่ยวชาญพอในการทำสิ่งของที่หมุนต่อเนื่องได้หลายพันชั่วโมง
    • Continental กำลังปิด แผนก LiDAR สำหรับยานยนต์ และเลิกจ้างพนักงานทั้งหมด
    • ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ต้นทุนลดลงอย่างมาก และตอนนี้ก็ยังลดลงต่อเนื่อง
      มุมรถเป็นตำแหน่งติดตั้งที่เหมาะที่สุดเพื่อให้มองเห็นได้สูงสุด มันทำให้รถมองเห็นข้ามหัวมุมได้ในทางปฏิบัติ ซึ่งเป็นสิ่งที่เซ็นเซอร์ติดตั้งกลางรถทำไม่ได้
      ผมไม่เข้าใจว่าทำไม Waymo ต้องแก้เรื่องนี้ก่อน New York เป็นเพราะการทำลายทรัพย์สินหรือเปล่า?

  • มี “อัญมณี LiDAR” ที่น่าสนใจชิ้นหนึ่งที่เคยขึ้น Hacker News เมื่อไม่กี่ปีก่อน
    https://news.ycombinator.com/item?id=33554679
    เป็น อัลกอริทึมตรวจจับสิ่งกีดขวางด้วย LiDAR จาก Git repository ที่รั่วไหลบน Tor
    เป็นอัลกอริทึมทำแผนที่พื้นที่ที่ขับผ่านได้ ซึ่งพบใน Git repository ที่ดูเหมือนรั่วมาจากบริษัทรถยนต์ไร้คนขับในปี 2017 repository นี้เข้าถึงได้จาก Tor hidden service อย่างน้อยหนึ่งแห่งเป็นเวลาหลายปี
    โค้ด LiDAR ดูเหมือนเขียนขึ้นสำหรับ Velodyne HDL-32E มันทำงานหลายขั้นตอน โดยแต่ละขั้นจะปรับแต่งผลลัพธ์จากขั้นก่อนหน้า อัลกอริทึมนี้อยู่ในขั้นที่สอง และวิธีอื่น ๆ แค่เพิ่มการปรับปรุงเล็กน้อยเท่านั้น จึงเป็นวิธีหลักในการตรวจจับสิ่งกีดขวาง
    โค้ดที่รั่วใช้เมทริกซ์แบบ column-major ของจุดต่าง ๆ และจัดการ NaN หรือจุดที่ไม่มีการส่งกลับอย่างชัดเจน ผมเขียนใหม่ให้เป็นการจัดวางเมทริกซ์แบบ row-major ที่มีประสิทธิภาพต่อแคชมากกว่า และใช้เงื่อนไขที่ละเลยจุด NaN โดยไม่ต้องตรวจสอบอย่างชัดเจน
    เมื่อคำนึงถึงความเรียบง่ายแล้ว นี่เป็นวิธีตรวจจับสิ่งกีดขวางที่มีประสิทธิภาพน่าทึ่ง

    • สงสัยจังว่า Tor hidden service นั้นคือที่ไหน
      เพื่อนฝากถามมา

  • ผมเคยทำงานกับ FMCW LiDAR สำหรับยานยนต์ที่แทบไม่ได้ออกสู่ตลาด เป็นเทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยม แต่ยากที่จะลดต้นทุนเพื่อขยายสเกล และในตลาดยานยนต์เรื่องนั้นสำคัญมาก ตลาดนั้นมีมาร์จินต่ำมาก

  • LiDAR เป็นอันตรายต่อดวงตาของผู้ขับขี่คนอื่นหรือคนเดินถนนหรือไม่?

    • เคยมีกรณีที่ LiDAR 1550nm ทำให้กล้อง Sony เสียหายที่งาน CES - http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/01/1550nm-lidar...
    • ไม่ใช่ ความปลอดภัยของเลเซอร์มีระบบจัดระดับอยู่
      ระดับนั้นกำหนดจากเกณฑ์ว่าแม้เอาตาไปจ่อใกล้ ๆ โดยตรงเป็นเวลานานก็ยังปลอดภัยหรือไม่
    • ไม่ควรเป็นอันตราย ในทางทฤษฎีอาจเป็นอันตรายได้ แต่มีข้อกำกับดูแลที่เข้มงวดเพื่อป้องกันเรื่องนี้
    • รู้ว่าเรากำลังพูดถึง LiDAR สำหรับรถยนต์ แต่ iPhone Pro ก็มี LiDAR แบบหนึ่งและใช้สร้าง depth map ของภาพถ่าย ดังนั้นมันก็เหมือนยิงใส่ทุกคนที่คุณถ่ายรูป

  • “ซูเปอร์พาวเวอร์พิเศษของ LiDAR คือสามารถสร้างภาพความละเอียดสูงของสภาพแวดล้อมได้ดีกว่าเรดาร์มาก”
    นี่ถูกจริงหรือ? เรดาร์รถยนต์เป็นแบบติดตั้งตายตัว LiDAR ที่คล้ายกันก็น่าจะติดตั้งตายตัวเหมือนกัน และคงเป็นลักษณะมีจุด n จุดต่อเลเซอร์ n ตัว
    ถ้าเป็นเรดาร์แบบหมุน ก็น่าจะมองสภาพแวดล้อมได้ด้วยความละเอียดต่อเนื่อง ส่วน LiDAR ไม่ใช่การสุ่มตัวอย่างหรือ?
    ผมเคยคิดว่าข้อดีของ LiDAR อยู่ที่ความแม่นยำและการวัดความสูงของวัตถุได้ดีกว่า ส่วนเรดาร์ทำให้มุมมองแบนลง

    • ประเด็นสำคัญไม่ใช่ว่าติดตั้งตายตัวหรือหมุนได้ แต่คือโดยพื้นฐานแล้วเรดาร์ไม่สามารถทำ ความละเอียด ที่จำเป็นต่อการแยกแยะคุณลักษณะสำคัญของสภาพแวดล้อมได้ เรดาร์ถูกหลอกได้ง่ายจากวัตถุรูปร่างแปลก ๆ โดยเฉพาะลักษณะเว้าอย่างมุมต่าง ๆ มันยอดเยี่ยมสำหรับการตอบว่า “มีอะไรอยู่ใกล้ ๆ ไหม” แต่ไม่น่าเชื่อถือในการบอกว่าสิ่งนั้นคืออะไร โดยเฉพาะในระยะไกล
    • เรดาร์ระดับสูงมากสามารถสร้างภาพที่น่าทึ่งได้ แต่ก็ยังไม่เกินระดับที่ LiDAR ทำได้ ในเชิงแนวคิด ทั้งคู่ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานคล้ายกัน แต่ LiDAR ใช้ความยาวคลื่นสั้นกว่ามาก จึงมี ข้อได้เปรียบด้านความละเอียดโดยธรรมชาติ โดยเฉพาะในระยะและขนาดฮาร์ดแวร์ที่เหมาะกับรถยนต์
    • เท่าที่เข้าใจ เรดาร์รถยนต์อ่านกรวยความไวหนึ่งกรวยเหมือนเป็น “พิกเซล” เดียวของข้อมูล ต่อให้เรดาร์หมุนเหมือน LiDAR กรวยความไวของเรดาร์ก็กว้างกว่าลำแสง LiDAR หลายพันเท่า ทำให้สร้างภาพด้วยเรดาร์ได้ยาก

  • เป็นเทคโนโลยีเจ๋ง ๆ ที่ Musk ไม่ชอบ

    • ในพอดแคสต์ No Priors ตอนล่าสุด Dmitri Dolgov ซีอีโอร่วมของ Waymo ประเมินแนวทางขับขี่ด้วยกล้องอย่างเดียว แต่บอกว่ายังไม่เพียงพอสำหรับการขับขี่อัตโนมัติเต็มรูปแบบ และไม่ผ่านมาตรฐานความปลอดภัยของ Waymo[1]
      1: https://www.youtube.com/watch?v=d6RndtrwJKE&t=1119s
    • มีวิดีโอที่เขาพูดถึงหัวข้อนี้ เขาไม่ได้ไม่ชอบตัวเทคโนโลยีเอง เขาบอกว่ามันแพงเกินเหตุสำหรับใช้ในรถยนต์ แต่ที่ SpaceX ใช้กันเยอะ
    • ไม่ใช่แค่ Musk ที่คิดแบบนั้น ผู้ผลิตรถยนต์ส่วนใหญ่ก็ยืนกรานว่าต้องหาวิธีแก้ด้วย เซนเซอร์ที่ถูกและดูดี
    • Musk คิดว่าตัวเองฉลาดกว่าความเป็นจริงมากและไม่ฟังใคร ดูจากจำนวนคนที่เขาไล่ออกที่ Twitter, Tesla และเร็ว ๆ นี้ในรัฐบาลกลางสหรัฐฯ ก็ดูเหมือนเขาจะสนุกกับมัน
    • Musk พูดหลายครั้งว่า LiDAR เป็นสิ่งที่ยอดเยี่ยม เพียงแต่มองว่าสำหรับการใช้งานในรถยนต์มันเป็นไอเดียที่โง่ และเขาก็ไม่ได้ผิด
      การที่ธรรมชาติไม่มีอะไรคล้าย ๆ กันย่อมมีเหตุผล

  • มีอุปกรณ์ LiDAR ที่เอากลับบ้านไปสแกนบ้านด้วยความละเอียดสูงกว่า iPhone ได้ไหม?

    • ทำได้ แต่ของที่ไม่ใช่ iPhone นั้นแพง อุปกรณ์พกพาพื้นฐานอยู่ราว 8,000 ดอลลาร์ เช่น Trion P1 และแบบติดโดรนราว 15,000 ดอลลาร์ เช่น DJI Zenmuse L1 อุปกรณ์แบบติดขาตั้งสามขาที่นักสำรวจใช้จริงจังยิ่งแพงกว่านั้น
      ในตลาดผู้บริโภค photogrammetry ถูกกว่ามาก จึงมักเป็นตัวเลือกที่นิยมกว่า ถ้าไม่จำเป็นต้องมีความถูกต้องตามที่กำหนดในระดับรายละเอียดสูง LiDAR ตอนนี้เหมาะกับบริบทอุตสาหกรรม/มืออาชีพมากกว่า เพราะมีความแม่นยำสูงกว่า คำถามใหญ่ที่ยังไม่คลี่คลายคือ LiDAR จะลดต้นทุนลงมาถึงระดับผู้บริโภคได้หรือไม่ ซึ่งโดยพื้นฐานก็เป็นปัญหาเดียวกับในรถยนต์
    • ผมก็เคยสงสัยเพื่อใช้งานอีกแบบหนึ่ง เมื่อหลายปีก่อนตอนเดินในทุ่ง/ที่โล่งไม่ไกลจาก Centralia รัฐ WA ผมเจอสิ่งที่ดูเหมือนหลุมศพ
      สิ่งที่ดูเหมือน “หลุมศพ” นั้นมีขนาดและรูปทรงประมาณคน พื้นดินยุบเว้าลงโดยตรงกลางลึกที่สุด และล้อมรอบด้วยก้อนหินที่ใหญ่กว่าส้มโอเล็กน้อย
      เหตุผลที่สงสัยว่าเป็นหลุมศพคือผมเคยบังเอิญเห็นสิ่งที่คล้ายกันมากที่โบราณสถานชื่อ Mercur cemetery ใน Tooele county รัฐ Utah
      LiDAR จะช่วยพิสูจน์หรือหักล้าง สมมติฐานหลุมศพ ของผมได้ไหม?
    • ลองดูอุปกรณ์ตระกูล RPLidar ได้ เป็นอุปกรณ์หนึ่งมิติราคาถูกและใช้งานง่าย คำว่าหนึ่งมิติในที่นี้หมายถึงการวัดระยะในทิศทาง 360 องศาบนระนาบที่หมุน
    • น่าจะขึ้นอยู่กับงบประมาณและสิ่งที่ต้องการทำอย่างแน่ชัด คุณจะสแกนภายนอกบ้านหรือเปล่า? ดูแพงและคงต้องติดกับโดรน และขึ้นอยู่กับรูปทรงบ้าน โดรนอาจต้องบินวนรอบ ๆ อยู่พักหนึ่ง ถ้าเป็นภายในและรับความคลาดเคลื่อนได้บ้าง แม้ไม่ใช่ LiDAR แต่ Kinect รุ่นเก่าอาจเพียงพอ
    • ใช้ iPhone Pro ที่มี LiDAR กับแอปฟรีอย่าง Scaniverse หรือ Polycam ก็พอ

  • บทความที่เกี่ยวข้อง: https://www.viksnewsletter.com/p/teslas-big-bet-cameras-over...

    • Waymo ก็เพิ่งทดลองแนวทาง ใช้กล้องอย่างเดียว ในโปรเจกต์วิจัยเช่นกัน[1][2]
      ดูเหมือนอยู่ในระดับใกล้เคียงกับ Tesla แต่ Waymo ดูจะไม่มองว่าระดับนั้นเพียงพอ
      [1] https://www.forbes.com/sites/bradtempleton/2024/10/30/waymo-...
      [2] https://arxiv.org/pdf/2410.23262

  • ทำไม LiDAR ถึงแพงขนาดนี้? ยังต้องทำให้มีขนาดเล็กลงด้วย ถึงอย่างนั้นก็มีความพยายามทางวิศวกรรมมากพอ จึงดูเหมือนเป็นปัญหาที่เวลาจะช่วยแก้ได้

    • หากต้องการ การวัดที่แม่นยำ ถึงระดับวัดเวลาที่แสงสะท้อนจากวัตถุด้านหน้าแล้วกลับมาได้ จำเป็นต้องมีระบบออปติกและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำมาก อีกทั้ง LiDAR สำหรับรถยนต์ยังอยู่ในขอบเขตของอุปกรณ์เฉพาะทางที่ผลิตในปริมาณต่ำ จึงแทบไม่มี economy of scale ในการผลิต

  • เลเซอร์พอยเตอร์สำหรับผู้บริโภคก็ทำให้ตาบอดได้ เลยสงสัยว่ามีระบบป้องกันการโจมตีแบบมุ่งร้ายหรือการโจมตีแบบปฏิเสธการให้บริการหรือไม่

    • คนขับก็อาจตาบอดจากเลเซอร์พอยเตอร์สำหรับผู้บริโภคได้เช่นกัน
      ถ้าใครเริ่มโจมตีระบบความปลอดภัยทางกายภาพ คิดว่าน่าจะได้รับโทษจำคุกค่อนข้างยาว
    • ดวงอาทิตย์ก็ทำให้ตาบอดได้เช่นกัน
      สมัยก่อนตอนทำงานเป็นวิศวกรวิจัยที่มหาวิทยาลัย เคยได้จับ Velodyne 16 ลำแสงในยุคที่มันยังเป็นอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์
      ในวันสาธิต เราติดตั้งไว้บนรถและให้มันวาดจุดเป็น 3D พร้อมทำเครื่องหมายสิ่งกีดขวางเป็นสีแดง แต่ตอนพระอาทิตย์ตกดินเกิด artifact ที่ไม่มีวิธีกรองออกได้อย่างชัดเจน
      น่าแปลกที่ภายหลังเรากลับไม่สามารถสร้างปรากฏการณ์นั้นซ้ำได้ คิดว่าน่าจะเป็นเพราะสภาพบรรยากาศบางอย่าง