Un système lidar 3D compact et non mécanique pourrait rendre la conduite autonome plus sûre


Nos routes pourraient un jour être plus sûres grâce à un tout nouveau type de système qui surmonte certaines des limites du lidar. Lidar, qui utilise des lasers pulsés pour cartographier des objets et des scènes, aide les robots, véhicules et drones autonomes à naviguer dans leur environnement. Le nouveau système représente la première fois que les capacités des systèmes lidar à balayage de faisceau conventionnels ont été combinées avec celles d’une nouvelle approche 3D connue sous le nom de flash lidar.

Dans OPTIQUE, la revue d’Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, des chercheurs dirigés par Susumu Noda de l’Université de Kyoto au Japon décrivent leur nouveau système lidar 3D non mécanique, qui tient dans la paume de la main. Ils montrent également qu’il peut être utilisé pour mesurer la distance d’objets peu réfléchissants et suivre automatiquement le mouvement de ces objets.

« Grâce à notre système lidar, les robots et les véhicules pourront naviguer de manière fiable et sûre dans des environnements dynamiques sans perdre de vue des objets peu réfléchissants tels que des voitures métalliques noires », a déclaré Noda. « L’intégration de cette technologie dans les voitures, par exemple, rendrait la conduite autonome plus sûre. »

Le nouveau système est possible grâce à une source de lumière unique développée par les chercheurs, appelée laser à cristal photonique à double modulation (DM-PCSEL). Étant donné que cette source de lumière est basée sur une puce, elle pourrait éventuellement permettre le développement d’un système lidar 3D à semi-conducteurs sur puce.

« Le DM-PCSEL intègre un balayage de faisceau non mécanique à commande électronique avec un éclairage flash utilisé dans le lidar flash pour acquérir une image 3D complète avec un seul flash de lumière », a déclaré Noda. « Cette source unique nous permet d’obtenir à la fois un éclairage par flash et par balayage sans pièces mobiles ni éléments optiques externes encombrants, tels que des lentilles et des éléments optiques diffractifs. »

Combinaison de numérisation et d’éclairage flash

Les systèmes Lidar cartographient les objets visibles en éclairant ces objets avec des faisceaux laser, puis en calculant la distance de ces objets en mesurant le temps de vol (ToF) des faisceaux – le temps nécessaire à la lumière pour se déplacer vers les objets, être réfléchie, puis retourner au système. La plupart des systèmes lidar utilisés et en cours de développement reposent sur des pièces mobiles telles que des moteurs pour balayer le faisceau laser, ce qui rend ces systèmes encombrants, coûteux et peu fiables.

Une approche non mécanique, connue sous le nom de flash lidar, illumine et évalue simultanément les distances de tous les objets dans le champ de vision avec un seul faisceau de lumière large et diffus. Cependant, les systèmes flash lidar ne peuvent pas être utilisés pour mesurer les distances d’objets peu réfléchissants comme les voitures métalliques noires en raison de la très faible quantité de lumière réfléchie par ces objets. Ces systèmes ont également tendance à être volumineux en raison des lentilles externes et des éléments optiques nécessaires pour créer le faisceau du flash.

Pour répondre à ces limitations critiques, les chercheurs ont développé la source de lumière DM-PCSEL. Il possède à la fois une source de flash qui peut éclairer un large champ de vision de 30° × 30° et une source de balayage de faisceau qui fournit un éclairage ponctuel avec 100 faisceaux laser étroits.

Ils ont incorporé le DM-PCSEL dans un système lidar 3D, ce qui leur a permis de mesurer simultanément les distances de nombreux objets à l’aide d’un éclairage flash large tout en éclairant de manière sélective des objets peu réfléchissants avec un faisceau de lumière plus concentré. Les chercheurs ont également installé une caméra ToF pour effectuer des mesures de distance et développé un logiciel qui permet le suivi automatique du mouvement d’objets peu réfléchissants à l’aide d’un éclairage à balayage de faisceau.

Mesurer des objets avec une réflectivité variable

« Notre système lidar 3D basé sur DM-PCSEL nous permet de ranger simultanément des objets hautement et peu réfléchissants », a déclaré Noda. « Les lasers, la caméra ToF et tous les composants associés nécessaires au fonctionnement du système ont été assemblés de manière compacte, ce qui donne un encombrement total du système inférieur à celui d’une carte de visite. »

Les chercheurs ont démontré le nouveau système lidar en l’utilisant pour mesurer les distances d’objets peu réfléchissants placés sur une table dans un laboratoire. Ils ont également montré que le système peut reconnaître automatiquement les objets peu réfléchissants et suivre leur mouvement à l’aide d’un éclairage sélectif.

Les chercheurs travaillent maintenant à démontrer le système dans des applications pratiques, telles que le mouvement autonome de robots et de véhicules. Ils veulent également voir si le remplacement de la caméra ToF par un réseau de photodiodes à avalanche à photon unique plus sensible optiquement permettrait la mesure d’objets sur des distances encore plus longues.

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