一般来说,机器人需要视觉。从工业设备到高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的各种机器人都严重依赖高分辨率摄像头来感知周围的世界。但是,随着我们对我们的发明越来越多的需求——无需人类操作的工业机器、提供消费虚拟现实的手机应用程序,或取代 ADAS 的全自动车辆——控制这些设备的算法需要能够感知周围环境的能力中国机械网okmao.com。第三维。
一种解决方案——可以说是高性能和可靠性的最佳解决方案——依赖于光检测和测距(激光雷达)。激光雷达用激光束扫描其视野,在一个特殊的传感器芯片中捕获反射光,该芯片还记录激光束从传感器飞到场景再回到传感器所用的时间——从而测量距离。结果实际上是视野的 3D 图像。
较小的系统
非常适合地理地图或自动驾驶出租车。但是诸如仓库机器人或送货无人机之类的小型系统在较短的范围内就有这样的需求。他们必须维护周围环境的内部地图,以便导航和避免碰撞。固定的工业设备需要监控固定的危险区域,以防被分心的行人或粗心的手侵入。回到高速公路上,高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 也可以从一种 3D 车辆周围的安全茧 而不是多个 2D 图像(图 1)。
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图 1:ADAS 系统 可能会在周围部署多个激光雷达传感器
一辆车 创建一个 3D 安全茧。
在小尺寸、低功耗和低成本的极端情况下,智能手机需要类似的映射技术来支持增强或虚拟现实应用程序。虚拟现实游戏需要一张周围环境的地图,这样参与的玩家就不会走进家具,或者更糟。在增强现实应用程序中,应用程序实际上可能会将虚拟对象覆盖在现实世界对象上(图 2。) 在每种情况下,激光雷达都可以帮助识别和定位对象。
实验室中的几个人 低置信度自动生成的描述
图 2:配备激光雷达的智能手机开始支持增强
或虚拟现实应用程序。
但有一个问题。大型汽车激光雷达传感器需要较长的有效范围——可达数百米。他们使用强大的激光,并用移动的镜子引导光束。这使光束尽可能集中,因此传感器可以在远距离和明亮的环境光下保持准确。
但是强大的激光器需要大量的功率。并且移动镜组件很难扩展到小尺寸、低功耗和低成本。这些缩放限制使激光雷达无法为小型系统做出尽可能多的贡献。
缩小
为了服务于这些小规模的应用,必须降低设备的尺寸、功耗和成本。 激光雷达. 所有这些应用只需要中到短距离,这非常有帮助。这允许使用较低功率的激光器。但移动镜组件仍然是扩展的障碍。
消除移动镜子系统是可能的。最简单的方法是闪光灯照明。与相机闪光灯装置一样,闪光灯激光雷达以单个脉冲照亮整个视野。镜头将场景图像聚焦在 2D 飞行时间 (ToF) 传感器上,传感器中的每个像素记录闪光与反射到达之间的相位差。根据这些相位差,系统可以确定从激光雷达单元到视野中成像的每个点的距离。
该系统在机械上很简单,但它具有严重的挑战。闪光的能量分布在整个视野中,因此任何一点的反射脉冲能量很小,很容易在环境光中损失。在高环境光条件下,需要英勇的闪光才能让传感器检测到任何东西。此外,来自其他光源的多路径和干扰会导致不正确的距离读数。
改装闪光灯
聪明可以帮助解决这些问题。例如,Apple 工程师改进了 iPhone 12 Pro 的闪光方法,将泛光替换为 24 x 24 的离散光束阵列,均匀分布在整个视野中。因此,更多的能量会照射到场景中的每个照明点,从而极大地改善环境光抑制,使系统可以在户外运行。但是对于这种架构,光束数量(576)是激光雷达分辨率的限制。这种限制可能需要额外的计算来解释传感器数据,并且会降低对象检测和识别的准确性。
固态光束转向
还有另一种方法。使用传统液晶技术的物理光学的显着应用可以摆脱这种困境。诀窍是固态设备——硅芯片——提供静止的光束控制。
这种架构的核心是芯片——Lumotive 称之为液晶超表面 (LCM)(图 3)。如果您将激光束照射到芯片表面,它可以通过纯电子方式控制光束的反射角度,无需任何移动部件。
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图 3:Lumotive LCM 是一种硅芯片,它利用超表面的特殊特性来控制反射的激光束
在 基于 LCM 的激光雷达模块(图 4)一排 VCSEL 照亮 LCM 的表面。然后 LCM 将反射的光行扫过视场。镜头将场景聚焦在 2D ToF 传感器上,该传感器检测从场景返回的激光照明。每次扫描(大约需要 50 毫秒)后,ToF 传感器提供 640 x 480 范围数据阵列。
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图 4:激光器、LCM 芯片、传感器芯片和光学形式
完整的固态激光雷达
这种方法具有显着的优势。LCM 激光雷达可以将激光功率降低到闪光方法所需的 10% 左右,并且在类似的环境光条件下仍能提供两到三倍的有效范围。分辨率受 ToF 传感器的限制,而不是照度。而且由于在任何时候都只照亮视野中的一条条纹,因此也显着减少了多径和干扰。
另一个关键优势是光排在软件控制下移动,因此它不仅限于整个字段的重复扫描。以及所有所需的技术,包括升用于 LCM 的 uding 已经存在于智能手机供应链中。
紧凑、低功耗、精确且可制造的基于 LCM 的激光雷达将开启引人注目的应用新世界。