Hold skaber nyt Lidar-system, der kan forbedre autonom kørsels sikkerhed

Et hold af efterforskere ledet af Susumu Noda fra Kyoto Universitet i Japan har beskrevet deres nye ikke-mekaniske 3D lidar-system i Optica. Det nye system kan være mindre end en håndflade og kan bruges til at måle afstanden til dårligt reflekterende objekter og automatisk spore objekternes bevægelse.

“Med vores lidar-system kan robotter og køretøjer pålideligt og sikkert navigere i dynamiske miljøer uden at miste sight af dårligt reflekterende objekter, såsom sorte metalbiler,” siger Noda. “At integrere denne teknologi i biler, for eksempel, ville gøre autonom kørsel sikrere.”

Takket være forskernes udvikling af en unik chip-baseret lyskilde kaldet en dobbelt moduleret fotonisk-krystal laser (DM-PCSEL), blev det nye system muligt. Denne fremgang kan muligvis føre til skabelsen af et på-chip, fuldstændigt faststof 3D lidar-system.

“DM-PCSEL integrerer ikke-mekanisk, elektronisk styret strålescanning med flash-belysning, der bruges i flash lidar til at opnå en fuld 3D-billede med et enkelt lysglimt,” siger Noda. “Denne unikke kilde giver os mulighed for at opnå både flash- og scanning-belysning uden nogen bevægelige dele eller bulke eksterne optiske elementer, såsom linser og diffraktive optiske elementer.”

Kombinationen af scanning og flash-belysning

Lidar-systemer bruger laserstråler til at belyse objekter og beregne deres afstand ved at måle den tid, det tager for strålerne at rejse, reflektere og returnere (ToF). Men de fleste lidar-systemer, der i øjeblikket er i brug og under udvikling, afhænger af bevægelige dele, såsom motorer, til at scanne laserstrålen, hvilket gør dem bulke, dyre og upålidelige.

Flash lidar er en ikke-mekanisk tilgang, der bruger en enkelt bred, diffus stråle af lys til at belyse og evaluere afstande til alle objekter i synsfeltet. Men flash lidar-systemer kan ikke måle afstande til dårligt reflekterende objekter, såsom sorte metalbiler, på grund af deres lave reflektivitet. Desuden kræves eksterne linser og optiske elementer til at oprette flash-strålen, hvilket gør disse systemer store.

Forskerne udviklede DM-PCSEL lyskilden for at overvinde disse begrænsninger. Lyskilden inkluderer en flash-kilde, der kan belyse et bredt 30°×30° synsfelt, og en strålescanning-kilde, der giver punkt-belysning med 100 smalle laserstråler.

Forskerne integrerede DM-PCSEL i et 3D lidar-system, hvilket gjorde det muligt for dem at måle afstande til multiple objekter samtidigt ved hjælp af bred flash-belysning, mens de selektivt belyste dårligt reflekterende objekter med en mere koncentreret stråle af lys. For at udføre afstands-målinger og automatisk sporing af dårligt reflekterende objekters bevægelse installerede forskerne en ToF-kamera og udviklede software, der bruger strålescanning-belysning.

Måling af afstanden til dårligt reflekterende objekter

“Vores DM-PCSEL-baserede 3D lidar-system giver os mulighed for at måle afstande til både højt reflekterende og dårligt reflekterende objekter samtidigt,” siger Noda. “Lasers, ToF-kamera og alle associerede komponenter, der kræves for at operere systemet, blev samlet på en kompakt måde, hvilket resulterede i et totalt system-fodaftryk, der er mindre end en forretningskort.”

Forskerne demonstrerede det nye system ved at bruge det til at måle afstande til dårligt reflekterende objekter, der var placeret på en bord i et laboratorium. De kunne også demonstrere, at systemet kunne automatisk genkende dårligt reflekterende objekter og spore deres bevægelse gennem selektiv belysning.

Holdet vil nu forsøge at demonstrere systemet i praktiske anvendelser, såsom autonom bevægelse af robotter og køretøjer.