Ny 3D-lidarsystem för förbättrad objekttspårning och avståndsmätning

Forskare ledda av Susumu Noda från Kyoto University i Japan har publicerat en studie om sitt nya icke-mekaniska 3D-lidarsystem. Systemet passar i handflatan och kan mäta avståndet till dåligt reflekterande föremål och automatiskt spåra deras rörelse.

Forskningen publicerades i Optica.

Kombinera skanning och blinkbelysning

Enligt Noda “kan vårt lidarsystem göra det möjligt för robotar och fordon att på ett tillförlitligt och säkert sätt navigera i dynamiska miljöer utan att förlora sikten på dåligt reflekterande föremål, såsom svarta metallbilar.” Han tillade att inkorporering av tekniken i bilar skulle göra självkörande körning säkrare.

Det nya systemet möjliggörs av en unik ljuskälla som kallas en dubbelt modulerad fotonisk-kristall laser (DM-PCSEL). DM-PCSEL integrerar icke-mekanisk, elektroniskt kontrollerad strålskanning med blinkbelysning som används i blink-lidar för att få en fullständig 3D-bild med ett enda ljusblixt. Denna ljuskälla är chip-baserad och kan så småningom möjliggöra utvecklingen av ett all-solid-state 3D-lidarsystem på en chip.

Lidarsystem kartlägger föremål genom att belysa dem med laserstrålar och beräkna avståndet till dessa föremål genom att mäta flygtiden (ToF) för strålen. De flesta existerande och under utveckling lidarsystem är beroende av rörliga delar, vilket gör dem stora, dyra och opålitliga. Blink-lidarsystem använder däremot en enda bred och diffus ljusstråle för att samtidigt belysa och utvärdera avståndet till alla föremål i sikte. Blink-lidarsystem kan dock inte mäta avståndet till dåligt reflekterande föremål och tenderar att vara stora på grund av de externa linserna och optiska elementen som krävs för att skapa blinkstrålen.

Utveckling av den nya ljuskällan

För att övervinna dessa begränsningar utvecklade forskarna DM-PCSEL-ljuskällan, som har både blinkbelysning och strålskanningsförmåga. Forskarna inkorporerade denna ljuskälla i ett 3D-lidarsystem, vilket möjliggör samtidig mätning av många föremål med bred blinkbelysning och selektiv belysning av dåligt reflekterande föremål med en mer koncentrerad ljusstråle. De installerade också en ToF-kamera och utvecklade programvara för automatisk spårning av rörelsen hos dåligt reflekterande föremål med strålskanningsbelysning.

“Vårt DM-PCSEL-baserade 3D-lidarsystem låter oss mäta avståndet till både högt reflekterande och dåligt reflekterande föremål samtidigt”, sa Noda. “Lasrarna, ToF-kameran och alla associerade komponenter som krävs för att driva systemet monterades på ett kompakt sätt, vilket resulterade i en total systemavtryck som är mindre än en affärslek.

Forskarna demonstrerade systemet genom att använda det för att mäta avståndet till dåligt reflekterande föremål som placerats på ett bord i ett laboratorium. De visade också att systemet kan känna igen och spåra rörelsen av dessa föremål. Forskarna undersöker nu systemets potential i praktiska tillämpningar, såsom autonom rörelse av robotar och fordon, och undersöker möjligheten att ersätta ToF-kameran med en mer optiskt känslig en-foton-avalanche-fotodiodmatris för längre avståndsmätningar.