Forskargrupp skapar ny lidarsystem som kan förbättra säkerheten för självkörande fordon

En grupp undersökare ledd av Susumu Noda från Kyoto universitet i Japan har beskrivit sitt nya icke-mekaniska 3D-lidarsystem i Optica. Det nya systemet kan placeras i handflatan och kan användas för att mäta avståndet till svagt reflekterande föremål och automatiskt spåra föremålens rörelse.

“Med vårt lidarsystem kommer robotar och fordon att kunna navigera säkert och tillförlitligt i dynamiska miljöer utan att förlora sikten på svagt reflekterande föremål, såsom svarta metallbilar”, säger Noda. “Att integrera denna teknik i bilar, till exempel, skulle göra självkörande körning säkrare.”

Tack vare forskarnas utveckling av en unik chipbaserad ljuskälla som kallas dubbelt modulerad fotonisk-kristallaser (DM-PCSEL) gjordes det nya systemet möjligt. Denna framsteg kan till slut leda till skapandet av ett på-chip, all-fast tillstånd 3D-lidarsystem.

“DM-PCSEL integrerar icke-mekanisk, elektroniskt kontrollerad strålskanning med flashbelysning som används i flash-lidar för att erhålla en fullständig 3D-bild med ett enda ljusfläkt”, säger Noda. “Denna unika källa låter oss uppnå både flash- och skanningsbelysning utan några rörliga delar eller stora yttre optiska element, såsom linser och diffraktiva optiska element.”

Kombinationen av skanning och flashbelysning

Lidarsystem använder laserstrålar för att belysa föremål och beräkna deras avstånd genom att mäta den tid det tar för strålarna att resa, reflekteras och återvända (ToF). Men de flesta lidarsystem som för närvarande används och utvecklas förlitar sig på rörliga delar som motorer för att skanna laserstrålen, vilket gör dem stora, dyra och opålitliga.

Flash-lidar är en icke-mekanisk metod som använder en enda bred, diffus stråle av ljus för att belysa och utvärdera avstånden till alla föremål i synfältet. Men flash-lidarsystem kan inte mäta avståndet till svagt reflekterande föremål, såsom svarta metallbilar, på grund av deras låga reflektivitet. Dessutom krävs yttre linser och optiska element för att skapa flash-strålen, vilket gör dessa system stora.

Forskarna utvecklade DM-PCSEL-ljuskällan för att övervinna dessa begränsningar. Ljuskällan innehåller en flash-källa som kan belysa ett brett 30°×30° synfält och en strålskanningskälla som ger punktbelysning med 100 smala laserstrålar.

Forskarna integrerade DM-PCSEL i ett 3D-lidarsystem, vilket möjliggjorde att de kunde mäta avståndet till flera föremål samtidigt med hjälp av bred flashbelysning och selektivt belysa svagt reflekterande föremål med en mer koncentrerad stråle av ljus. För att utföra avståndsmätningar och automatisk spårning av svagt reflekterande föremåls rörelse installerade forskarna en ToF-kamera och utvecklade programvara som använder strålskanningsbelysning.

Att mäta avståndet till svagt reflekterande föremål

“Vårt DM-PCSEL-baserade 3D-lidarsystem låter oss mäta avståndet till både högt reflekterande och svagt reflekterande föremål samtidigt”, säger 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 affärsvisitkort.”

Forskarna demonstrerade det nya systemet genom att använda det för att mäta avståndet till svagt reflekterande föremål som placerades på ett bord i ett laboratorium. De kunde också demonstrera att systemet kunde automatiskt känna igen svagt reflekterande föremål och spåra deras rörelse genom selektiv belysning.

Forskargruppen kommer nu att demonstrera systemet i praktiska tillämpningar, såsom självkörande rörelse av robotar och fordon.