Η Ομάδα Δημιουργεί Νέο Σύστημα Lidar που Μπορεί να Βελτιώσει την Ασφάλεια της Αυτόνομης Οδήγησης

Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλή τον Susumu Noda από το Πανεπιστήμιο του Κιότο στην Ιαπωνία περιέγραψαν το νέο μηχανικό σύστημα 3D lidar σε Optica. Το νέο σύστημα μπορεί να χωρέσει στο παλμό του χεριού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει την απόσταση των αντικειμένων με χαμηλή αντανακλαστικότητα και να παρακολουθήσει αυτόματα την κίνηση των αντικειμένων.

«Με το σύστημα lidar μας, τα ρομπότ και τα οχήματα θα μπορέσουν να πλοηγηθούν με ασφάλεια και να μην χάσουν την όραση των αντικειμένων με χαμηλή αντανακλαστικότητα, όπως τα μαύρα μεταλλικά αυτοκίνητα», λέει ο Noda. «Η ενσωμάτωση αυτής της τεχνολογίας στα αυτοκίνητα, για παράδειγμα, θα κάνει την αυτόνομη οδήγηση ασφαλέστερη».

Χάρη στην ανάπτυξη ενός μοναδικού chip-βάσει πηγής φωτός που ονομάζεται φωτονικό-κρυσταλλικό λέιζερ (DM-PCSEL), το νέο σύστημα ήταν δυνατό. Αυτή η πρόοδος μπορεί τελικά να οδηγήσει στη δημιουργία ενός συστήματος 3D lidar σε chip, όλο-στερεό.

«Το DM-PCSEL συνδυάζει μηχανική, ηλεκτρονικά ελεγχόμενη σάρωση δέσμης με φωτισμό flash που χρησιμοποιείται σε flash lidar για να αποκτήσει μια πλήρη εικόνα 3D με μια seule flash φωτός», λέει ο Noda. «Αυτή η μοναδική πηγή μας επιτρέπει να επιτύχουμε και φωτισμό flash και σάρωση χωρίς κανένα κινούμενο μέρος ή εξωτερικά οπτικά στοιχεία, όπως φακοί και διηλεκτρικά οπτικά στοιχεία».

Η Συνδυασμένη Σάρωση και Φωτισμός Flash

Τα συστήματα lidar χρησιμοποιούν δέσμες laser για να φωτίσουν τα αντικείμενα και να υπολογίσουν την απόσταση τους μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψουν, να αντανακλαστούν και να επιστρέψουν (ToF). Ωστόσο, τα περισσότερα συστήματα lidar που χρησιμοποιούνται σήμερα και βρίσκονται υπό ανάπτυξη βασίζονται σε κινούμενα μέρη, όπως κινητήρες, για να σαρώσουν τη δέσμη laser, καθιστώντας τα βαρέα, ακριβά και αξιόπιστα.

Το flash lidar είναι μια μηχανική προσέγγιση που χρησιμοποιεί μια seule, ευρεία και διαχυτική δέσμη φωτός για να φωτίσει και να αξιολογήσει τις αποστάσεις όλων των αντικειμένων στο πεδίο όρασης. Ωστόσο, τα συστήματα flash lidar δεν μπορούν να μετρήσουν τις αποστάσεις των αντικειμένων με χαμηλή αντανακλαστικότητα, όπως τα μαύρα μεταλλικά αυτοκίνητα, λόγω της χαμηλής αντανακλαστικότητάς τους. Επιπλέον, απαιτούνται εξωτερικοί φακοί και οπτικά στοιχεία για να δημιουργηθεί η δέσμη flash, καθιστώντας αυτά τα συστήματα μεγάλα.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν την πηγή φωτός DM-PCSEL για να ξεπεράσουν αυτές τις περιορισμοί. Η πηγή φωτός περιλαμβάνει μια πηγή flash που μπορεί να φωτίσει ένα ευρύ πεδίο όρασης 30°×30° και μια πηγή σάρωσης δέσμης που παρέχει σποτ φωτισμό με 100 στενές δέσμες laser.

Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν την πηγή φωτός DM-PCSEL σε ένα σύστημα 3D lidar, το οποίο τους επέτρεψε να μετρήσουν τις αποστάσεις πολλαπλών αντικειμένων ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας ευρεία φωτισμό flash ενώ επιλέγουν να φωτίζουν αντικείμενα με χαμηλή αντανακλαστικότητα με μια πιο συγκεντρωμένη δέσμη φωτός. Για να πραγματοποιήσουν μετρήσεις αποστάσεων και αυτόματη παρακολούθηση της κίνησης των αντικειμένων με χαμηλή αντανακλαστικότητα, οι ερευνητές εγκατέστησαν μια κάμερα ToF και ανέπτυξαν λογισμικό που χρησιμοποιεί σάρωση δέσμης φωτός.

Η Μέτρηση της Απόστασης των Αντικειμένων με Χαμηλή Αντανακλαστικότητα

«Το σύστημα 3D lidar μας με βάση το DM-PCSEL μας επιτρέπει να μετρήσουμε την απόσταση των αντικειμένων με υψηλή και χαμηλή αντανακλαστικότητα ταυτόχρονα», λέει ο Noda. «Τα λέιζερ, η κάμερα ToF και όλα τα συστατικά που απαιτούνται για τη λειτουργία του συστήματος συναρμολογήθηκαν με συμπαγή τρόπο, με αποτέλεσμα το σύνολο του συστήματος να έχει μικρότερη επιφάνεια από μια επιχειρηματική κάρτα».

Οι ερευνητές επέδειξαν το νέο σύστημα χρησιμοποιώντας το για να μετρήσει τις αποστάσεις των αντικειμένων με χαμηλή αντανακλαστικότητα που τοποθετήθηκαν σε ένα τραπέζι σε ένα εργαστήριο. Επίσης, μπόρεσαν να δείξουν ότι το σύστημα μπορεί να αναγνωρίσει αυτόματα τα αντικείμενα με χαμηλή αντανακλαστικότητα και να παρακολουθήσει την κίνησή τους μέσω της επιλεκτικής φωτισμού.

Η ομάδα θα προσπαθήσει τώρα να επίδειξη το σύστημα σε πρακτικές εφαρμογές, όπως η αυτόνομη κίνηση των ρομπότ και των οχημάτων.