Nossas estradas podem um dia ser mais seguras graças a um tipo de sistema completamente novo que supera algumas das limitações do lidar. O Lidar, que usa lasers pulsados para mapear objetos e cenas, ajuda robôs, veículos e drones autônomos a navegar em seu ambiente. O novo sistema representa a primeira vez que os recursos dos sistemas lidar de varredura de feixe convencionais foram combinados com os de uma abordagem 3D mais recente, conhecida como flash lidar.
Em Óptica, jornal do Optica Publishing Group para pesquisa de alto impacto, os investigadores liderados por Susumu Noda da Universidade de Kyoto no Japão descrevem seu novo sistema lidar 3D não mecânico, que cabe na palma da mão. Eles também mostram que ele pode ser usado para medir a distância de objetos pouco refletivos e rastrear automaticamente o movimento desses objetos.
“Com nosso sistema lidar, robôs e veículos poderão navegar de forma confiável e segura em ambientes dinâmicos sem perder de vista objetos pouco refletivos, como carros metálicos pretos”, disse Noda. “Incorporar essa tecnologia aos carros, por exemplo, tornaria a direção autônoma mais segura”.
O novo sistema é possível graças a uma fonte de luz única que os pesquisadores desenvolveram, chamada de laser de cristal fotônico modulado duplamente (DM-PCSEL). Como essa fonte de luz é baseada em chip, ela pode eventualmente permitir o desenvolvimento de um sistema lidar 3D totalmente em estado sólido no chip.
“O DM-PCSEL integra varredura de feixe controlada eletronicamente e não mecânica com iluminação de flash usada no flash lidar para adquirir uma imagem 3D completa com um único flash de luz”, disse Noda. “Esta fonte exclusiva nos permite obter iluminação de flash e de varredura sem partes móveis ou elementos ópticos externos volumosos, como lentes e elementos ópticos difrativos.”
Combinando digitalização e iluminação de flash
Os sistemas Lidar mapeiam objetos dentro da visão iluminando esses objetos com feixes de laser e, em seguida, calculando a distância desses objetos medindo o tempo de voo dos feixes (ToF) – o tempo que leva para a luz viajar até os objetos, ser refletida e então retornar ao sistema. A maioria dos sistemas lidar em uso e em desenvolvimento depende de peças móveis, como motores, para escanear o feixe de laser, tornando esses sistemas volumosos, caros e pouco confiáveis.
Uma abordagem não mecânica, conhecida como flash lidar, ilumina e avalia simultaneamente as distâncias de todos os objetos no campo de visão com um único feixe de luz amplo e difuso. No entanto, os sistemas flash lidar não podem ser usados para medir as distâncias de objetos pouco refletivos, como carros metálicos pretos, devido à quantidade muito pequena de luz refletida por esses objetos. Esses sistemas também tendem a ser grandes por causa das lentes externas e elementos ópticos necessários para criar o feixe de flash.
Para lidar com essas limitações críticas, os pesquisadores desenvolveram a fonte de luz DM-PCSEL. Possui uma fonte de flash que pode iluminar um amplo campo de visão de 30° × 30° e uma fonte de varredura de feixe que fornece iluminação pontual com 100 feixes de laser estreitos.
Eles incorporaram o DM-PCSEL em um sistema lidar 3D, o que lhes permitiu medir as distâncias de muitos objetos simultaneamente usando ampla iluminação de flash, ao mesmo tempo em que iluminava seletivamente objetos pouco refletivos com um feixe de luz mais concentrado. Os pesquisadores também instalaram uma câmera ToF para realizar medições de distância e desenvolveram um software que permite o rastreamento automático do movimento de objetos pouco reflexivos usando iluminação de varredura de feixe.
Medindo objetos com refletividade variável
“Nosso sistema lidar 3D baseado em DM-PCSEL nos permite alcançar objetos altamente reflexivos e pouco reflexivos simultaneamente”, disse Noda. “Os lasers, a câmera ToF e todos os componentes associados necessários para operar o sistema foram montados de maneira compacta, resultando em um tamanho total do sistema menor do que um cartão de visita.”
Os pesquisadores demonstraram o novo sistema lidar usando-o para medir as distâncias de objetos pouco refletivos colocados em uma mesa em um laboratório. Eles também mostraram que o sistema pode reconhecer automaticamente objetos pouco refletivos e rastrear seu movimento usando iluminação seletiva.
Os pesquisadores agora trabalham para demonstrar o sistema em aplicações práticas, como o movimento autônomo de robôs e veículos. Eles também querem ver se a substituição da câmera ToF por uma matriz de fotodiodo de avalanche de fóton único mais sensível opticamente permitiria a medição de objetos em distâncias ainda maiores.
Com informações de Science Daily.
