Új „szemek” az önvezető autóknak
A Washingtoni Egyetem Elektromos és Számítógép-mérnöki kutatócsoportja (UW ECE) feltalált egy új típusú LiDAR rendszert, amely segíthet az önvezető autóknak tisztán és pontosan „látni” a távoli tárgyakat. Innovációjuk középpontjában egy lézersugár-kormányzó berendezés áll, amely nagyjából 1000-szer kisebb, mint jelenleg a piacon lévő társai. Számítógépes chipbe van integrálva, így kompakt, erős, és viszonylag könnyű és olcsó a gyártása.
Emellett számos egyéb potenciális alkalmazással is rendelkezik, beleértve a mezőgazdaságban megtalálható robotrendszerekben, a globális ellátási láncokban és az orvosi képalkotásban való felhasználást.
A találmány mögött álló kutatócsoportot az UW ECE és a fizika professzora, Mo Li vezette, aki a Tanszék kutatási vezetője és a találmányról szóló tanulmány vezető szerzője.
„Feltaláltunk egy teljesen új típusú lézersugár-kormányzó eszközt mozgó alkatrész nélkül a LiDAR rendszerek letapogatásához, és integráltuk egy számítógépes chipbe” – mondta Li professzor. „Ez az új technológia a chip felületén futó hangot használja a pásztázó lézer szabad térbe való kormányzáshoz. Több, mint 100 méteres távolságból képes háromdimenziós tárgyakat észlelni és leképezni.”
A kutatócsoport ezt a technológiát kifejezetten a chip-alapú letapogató LiDAR-rendszerekhez fejlesztette ki, amelyben egyetlen, erőteljes (de a szemnek biztonságos) lézersugarat küldenek ki a rendszerből, hogy távoli tárgyakat keressen.
Az önvezető autók esetében a biztonsági előírások előírják, hogy a sugárnak 200-300 métert kell elérnie, ami hozzávetőlegesen az a távolság, amelyre egy 97 km/h-nál gyorsabban haladó járműnek szüksége van ahhoz, hogy biztonságosan elkanyarodjon vagy megálljon, mielőtt nekiütközne egy tárgynak.
Az egyik legnagyobb kihívás az ilyen típusú letapogató LiDAR rendszerrel szemben, hogy a sugarat megbízhatóan kivezesse a chipből a szabad térbe, így gyorsan és pontosan legyen képes beolvasni a távoli tárgyakat, akár egy keresőlámpa.
Az évek során különféle sugárkormányzási technológiákat fejlesztettek ki ennek érdekében; mivel azonban legtöbbjük mozgatható mechanikai alkatrészek bonyolult összeállításán alapul (például egy gyorsan forgó sokszög, amely tükrökkel van felszerelve a lézersugarak visszaverésére), sok ilyen mechanikus eszköz továbbra is terjedelmes, törékeny és költséges az előállítása. Ehhez képest a kutatócsoport megoldása egyáltalán nem mechanikus. Vagyis a sugárkormányzó berendezésükben nincs mozgó mechanikus alkatrész, mert teljesen egy szilárdtest-alapú számítógépes chipbe van integrálva.
Ennek a szoros integrációnak a megvalósítása érdekében a csapat kifejlesztett egy innovatív technikát, az úgynevezett „akusztikus-optikai sugárirányítást”, amely a pásztázó lézersugarat úgy irányítja, hogy hanghullám-impulzusokat küld a számítógépes chip felületén. A hanghullám nagyon magas, néhány gigahertzes frekvenciájú, hasonlóan a vezeték nélküli kommunikációban használthoz, tehát nem hallható.
„Kvantumfizikai szinten a hanghullámokban lévő részecskék (fotonok) ütköznek a chip felületén lévő lézersugár részecskéivel (fotonokkal), és ezek energiája egyesül” – magyarázta Bingzhao Li. „Pontosan beállítjuk a hanghullámok frekvenciáját, hogy a sugarat különböző irányokba irányítsuk a chip feletti szabad térben és messze a távolba.”
A távoli tárgyak pontos képeinek megjelenítése érdekében ez a technológia a „ Brillouin-szórás” nevű fizikai elvet is kihasználja, amelyben a lézersugár különböző szögekben irányított fotonjait egyedi frekvenciaváltozásokkal jelölik meg. Ezzel a technikával csak egy vevőre van szükség a pásztázó lézersugárból a készülékre visszaérkező információk dekódolásához. Ez lehetővé tette a kutatócsoport számára, hogy pontosan létrehozza a távoli tárgyak képét, miközben jelentősen csökkentette a LiDAR rendszer teljes méretét.
„A visszavert lézer irányát meg tudjuk állapítani a „színéből”, ezt a módszert „frekvencia-szögfelbontásnak” neveztük el” – mondta Qixuan Lin. „A vevőegységünknek csupán egyetlen képpontra van szüksége, nem pedig egy teljes kamerára, hogy távoli objektumokat le lehessen fényképezni. Ezért sokkal kisebb és olcsóbb, mint a manapság általánosan használt LiDAR vevők.”
Akusztikus-optikai sugárkormányzó eszközük kis mérete, valamint az a tény, hogy egy szilárdtest-alapú számítógépes chipbe van integrálva, sokkal kompaktabb és masszívabb, mint mechanikus társai. Lehetővé teszi továbbá a gyártási költségek csökkentését és a LiDAR rendszer méretének csökkentését, amely magában foglalja a sugárirányító chipet. Ez magában hordozza annak lehetőségét, hogy a teljes szkennelő LiDAR rendszert egy nagy kávésbögre méretéről egy kis gyufásdoboz méretére csökkentse.
„Szerintem fontos kiemelni, hogy a LiDAR-hoz sok olyan alkalmazás létezik, amelyet még fel kell fedezni.” mondta Li professzor. „Ha a LiDAR-rendszerek szkennelése a mi technológiánkkal nagyon kompakttá és megfizethetővé válna, akkor a rendszereket szinte bárhol fel lehetne szerelni – autókra, robotokra vagy drónokra. Ez a szkennelési LiDAR technológia széles körű elterjedéséhez vezetne, és alkalmazásokban való még szélesebb körű felhasználását ösztönözné.”
A kutatócsoport következő lépései közé tartozik az eszköz teljesítményének javítása és a szkennelési távolság 115 méterről 300 méterre történő növelése. A csapat célja egy éven belül egy prototípus kifejlesztése, amely kivihető laborjukból a nyüzsgő utcákra valós képtesztelés céljából.
Bingzhao Li és Li professzor egy startup alapítását is tervezi, hogy technológiájukat két-három éven belül kereskedelmi forgalomba hozza. Erre a célra már kaptak támogatást az UW CoMotiontól és a Washington Research Foundation- től.
Li professzor elmondta, hogy büszke arra, amit kis kutatócsoportja az UW ECE-nél viszonylag rövid idő alatt elért.
„Az a tény, hogy mindössze két diákra volt szükség ahhoz, hogy ez körülbelül kilenc hónap alatt megvalósuljon, a technológia szépségéről és egyszerűségéről beszél” – mondta. „Lényegében ez az eszköz nem túl bonyolult. Ez egy jó ötlet egyszerű megvalósítása, és működik.”
Forrás: ece.uw.edu