Νέο 3D σύστημα Lidar για βελτιωμένη παρακολούθηση αντικειμένων και μέτρηση απόστασης

Ερευνητές με επικεφαλής τον Susumu Noda από το Πανεπιστήμιο του Κιότο στην Ιαπωνία δημοσίευσαν μια μελέτη για το νέο τους μη μηχανικό τρισδιάστατο σύστημα lidar. Το σύστημα χωράει στην παλάμη του χεριού και είναι ικανό να μετρήσει την απόσταση αντικειμένων που δεν ανακλούν καλά και να παρακολουθεί αυτόματα την κίνησή τους.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Optica.

Συνδυασμός σάρωσης και φωτισμού φλας

Σύμφωνα με τον Noda, «Με το σύστημα lidar που διαθέτουμε, τα ρομπότ και τα οχήματα θα μπορούν να πλοηγούνται αξιόπιστα και με ασφάλεια σε δυναμικά περιβάλλοντα χωρίς να χάνουν από τα μάτια τους κακώς ανακλαστικά αντικείμενα όπως τα μαύρα μεταλλικά αυτοκίνητα». Πρόσθεσε ότι η ενσωμάτωση της τεχνολογίας στα αυτοκίνητα θα κάνει την αυτόνομη οδήγηση ασφαλέστερη.

Το νέο σύστημα καθίσταται δυνατό από μια μοναδική πηγή φωτός που ονομάζεται λέιζερ διπλής διαμόρφωσης φωτονικών κρυστάλλων (DM-PCSEL). Το DM-PCSEL ενσωματώνει μη μηχανική, ηλεκτρονικά ελεγχόμενη σάρωση δέσμης με φωτισμό φλας που χρησιμοποιείται στο flash lidar για να αποκτήσει μια πλήρη τρισδιάστατη εικόνα με ένα μόνο φλας φωτός. Αυτή η πηγή φωτός βασίζεται σε τσιπ και θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει την ανάπτυξη ενός συστήματος 3D lidar σε στερεά κατάσταση στο τσιπ.

Τα συστήματα Lidar χαρτογραφούν αντικείμενα φωτίζοντάς τα με ακτίνες λέιζερ και υπολογίζοντας την απόσταση αυτών των αντικειμένων μετρώντας το χρόνο πτήσης (ToF) των ακτίνων. Τα περισσότερα υπάρχοντα και υπό ανάπτυξη συστήματα lidar βασίζονται σε κινούμενα μέρη, καθιστώντας τα ογκώδη, ακριβά και αναξιόπιστα. Τα συστήματα flash lidar, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν μια ενιαία ευρεία και διάχυτη δέσμη φωτός για να φωτίζουν και να αξιολογούν ταυτόχρονα τις αποστάσεις όλων των αντικειμένων. Ωστόσο, τα συστήματα φλας lidar δεν μπορούν να μετρήσουν τις αποστάσεις αντικειμένων με κακή ανακλαστικότητα και τείνουν να είναι μεγάλες λόγω των εξωτερικών φακών και των οπτικών στοιχείων που απαιτούνται για τη δημιουργία της δέσμης φλας.

Ανάπτυξη της Νέας Πηγής Φωτός

Για να ξεπεράσουν αυτούς τους περιορισμούς, οι ερευνητές ανέπτυξαν την πηγή φωτός DM-PCSEL, η οποία έχει δυνατότητες φωτισμού φλας και σάρωσης δέσμης. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν αυτήν την πηγή φωτός σε ένα τρισδιάστατο σύστημα lidar, επιτρέποντας την ταυτόχρονη μέτρηση πολλών αντικειμένων με ευρύ φωτισμό φλας και επιλεκτικό φωτισμό κακώς ανακλαστικών αντικειμένων με πιο συγκεντρωμένη δέσμη φωτός. Τοποθέτησαν επίσης μια κάμερα ToF και ανέπτυξαν λογισμικό για αυτόματη παρακολούθηση της κίνησης αντικειμένων με χαμηλή ανακλαστικότητα χρησιμοποιώντας φωτισμό σάρωσης δέσμης.

«Το σύστημα 3D lidar που βασίζεται σε DM-PCSEL μας επιτρέπει να κυμαίνουμε ταυτόχρονα πολύ αντανακλαστικά και ανεπαρκώς ανακλαστικά αντικείμενα», δήλωσε ο Noda. "Τα λέιζερ, η κάμερα ToF και όλα τα σχετικά εξαρτήματα που απαιτούνται για τη λειτουργία του συστήματος συναρμολογήθηκαν με συμπαγή τρόπο, με αποτέλεσμα ένα συνολικό αποτύπωμα συστήματος που είναι μικρότερο από μια επαγγελματική κάρτα."

Οι ερευνητές απέδειξαν το σύστημα χρησιμοποιώντας το για να μετρήσουν τις αποστάσεις κακώς ανακλαστικών αντικειμένων που τοποθετήθηκαν σε ένα τραπέζι σε ένα εργαστήριο. Έδειξαν επίσης ότι το σύστημα μπορεί να αναγνωρίσει και να παρακολουθήσει την κίνηση αυτών των αντικειμένων. Οι ερευνητές διερευνούν τώρα τις δυνατότητες του συστήματος σε πρακτικές εφαρμογές, όπως η αυτόνομη κίνηση ρομπότ και οχημάτων, και διερευνούν τη δυνατότητα αντικατάστασης της κάμερας ToF με μια πιο ευαίσθητη οπτικά διάταξη φωτοδιόδου χιονοστιβάδας ενός φωτονίου για μετρήσεις σε μεγαλύτερες αποστάσεις. .