Для автономных автомобилей (AV) LiDAR (обнаружение света и дальномер) является важной технологией для распознавания и обнаружения окружающих объектов. Но нынешняя технология LiDAR стоит сотни, если не тысячи долларов, весит около одного килограмма и потребляет несколько ватт энергии.
Исследователи из Королевского технологического института KTH в Стокгольме, Швеция, создали более дешевую, более легкую и эффективную технологию LiDAR, которая может проложить путь для небольших систем, предназначенных для автономных транспортных средств. Карлос Эррандо-Херранц, научный сотрудник отдела микро и наносистем, вместе с коллегами Николасом Ле Томасом и Кристин Б. Гилафсон говорят, что их новая версия LiDAR будет стоить около 10 долларов США при серийном объеме производства, весить несколько граммов (включая периферийное оборудование) и потреблять около 100 мВт электроэнергии.
В частности, исследователи KTH нацелены на ключевой компонент LiDAR — оптическое управление лучом — динамическое наведение или сканирование таких лучей. Традиционно в оптических системах управления лучом используются электрические двигатели для наклона зеркал и сканирования лазерного луча в определенной области.
Интегрированные фотонные подходы к управлению лучом — например, объединение лазеров, модуляторов, детекторов и фильтров на одном кристалле, во многом аналогично электронным интегральным схемам, — сосредоточены на оптических фазированных решетках. Оптическая фазированная решетка, которая аналогична подходу к фазированной решетке в радиоволновой или микроволновой технике, состоит из массива когерентных излучателей. Управление этими излучателями с использованием волноводных фазовращателей для настройки угла выходного луча позволяет строго контролировать форму и направление луча с очень высоким угловым разрешением, что приводит к более точным измерениям LiDAR.
Однако, обычно используемые оптические фазовращатели имеют высокое энергопотребление, обусловленное необходимостью одного фазовращателя на излучатель, что требует сотен устройств, «упакованных» в ограниченном пространстве. Это привело к потреблению ватт энергии, что требует активного охлаждения и ограничивает возможности применения этой технологии.
Манипуляция микроэлектромеханикой
В последнее время системы оптического управления лучом были уменьшены с помощью микроэлектромеханических (MEMS) зеркал и решеток. Это привело к снижению энергопотребления на порядок по сравнению с традиционными методами настройки (субмикроватты для MEMS по сравнению с 30 мВт на термооптический фазовращатель).
Команда KTH впервые продемонстрировала лучевое управление с помощью MEMS приведения в действие подвесной кремниевой фотонно-волноводной решетки. Устройство управление положением диаграммы направленности основано на изменении расстояния между зубьями волноводной решетки с использованием MEMS-привода.
Ученые заявляют, что устройство способно управлять лучом до 5,6 градусов при пороге срабатывания 20 В и потребляемой мощности ниже микроватта. Это показывает, что комбинация MEMS со встроенной фотоникой — интегрирующими устройствами для управления лучом и оптической обработки сигналов, оптическими источниками и детекторами с электрической обработкой и управлением — может обеспечить основу для следующего поколения энергоэффективных систем управления оптическими лучами. Согласно отчету исследователей, потребляемая мощность демонстрационного устройства более чем на пять порядков ниже, чем у предыдущих методов настройки.
«Традиционный LiDAR основан на установке ряда лазеров на вращающейся башне, как шайба Велодина», — говорит Кристин Б. Гилфасон, доцент в KTH. «Наш подход к LiDAR основан на интегрированной микрооптомеханике, где мы встроили перестраиваемую решетку в поверхность кремниевого чипа. Изменяя период решетки, мы решаем, в каком направлении должен проходить луч ».
Авторы делают вывод: «Интегрированные термооптические системы с фазированными решетками имеют по меньшей мере пять порядков (ограниченные измерением, семь порядков по нашей оценке) более высокое энергопотребление, чем наше устройство, и страдают от проблем тепловых перекрестных помех, которые наша технология по своей сути избегает».
Исследователи утверждают, что дальнейшая «миниатюризация» может обеспечить меньшую, более легкую и менее энергоемкую систему управления лучом при низких затратах, что необходимо для постоянного роста технологий управления оптическими лучами в LiDAR. «Мы используем те же технологии производства, что и для изготовления акселерометров и гироскопов для смартфонов», — говорит Эррандо-Херранц. «Это означает, что затраты могут быть действительно низкими при больших объемах производства».
Короткий видеоролик о том, как видит окружающий мир автомобиль с технологией LiDAR:
Оставьте комментарий