LiDAR, un acrónimo de “detectar y medir la luz”, es una tecnología de ecolocalización basada en la luz. A diferencia del radar que usa ondas de radio en una frecuencia mucho más baja para penetrar la niebla, el smog, la neblina, la lluvia, la nieve y la llovizna, LiDAR usa ondas de luz para crear una representación más precisa de los objetos en su camino.
LiDAR funciona haciendo rebotar pulsos de láser en objetos y midiendo el tiempo que tarda la luz en reflejarse en el sensor. La mayoría de los vehículos autónomos utilizan LiDAR montados en el techo que giran, envían un pulso de luz de 360 grados alrededor del vehículo para identificar objetos cercanos y crean una vista 3D de los alrededores. LiDAR juega un papel indispensable en los autos autónomos como sus “ojos que ven”. Sin LiDAR, los vehículos autónomos conducirían a ciegas.
LiDAR también es un sensor esencial que se utiliza en los sistemas avanzados de asistencia al conductor del vehículo (ADAS), como el control de crucero automatizado, los sistemas para evitar colisiones y los sistemas de frenado de emergencia, que se ofrecen en muchos vehículos nuevos en la actualidad.
Sin embargo, existen muchos desafíos inherentes a LiDAR que superar en términos de costo, tamaño y confiabilidad. Las unidades LiDAR comerciales actuales son voluminosas, sensibles a las interrupciones y costosas, con un costo de hasta $ 75,000. Utilizan grandes espejos giratorios para dirigir el rayo láser y crear una imagen tridimensional. Para hacer que LiDAR sea más pequeño, robusto y económico, los investigadores y las empresas de todo el mundo están trabajando en varios prototipos que pueden incorporarse a robots y vehículos autónomos, lo que les permite navegar en entornos complejos y evitar obstáculos de forma dinámica.
Por ejemplo, Volvo incorporará sus unidades de detección de obstáculos basadas en LiDAR de Luminar en algunos de sus automóviles para 2022. La startup de tecnología de conducción autónoma Aurora está desarrollando un sistema LiDAR interno “FirstLight” para sus vehículos sin conductor, que puede ver y rastrea objetos de forma rápida y mucho mejor que otros sensores LiDAR.
El progreso en esta tecnología eventualmente proporcionará aplicaciones de visión artificial para la mayoría de los robots, lo que aumentará drásticamente su flexibilidad, conciencia situacional y capacidad para trabajar en estrecha colaboración con humanos. En esta publicación, veremos algunos de los avances y avances cruciales logrados por los investigadores en el desarrollo de LiDAR.
1. Tecnología Leddar
Leddar Tech está desarrollando LiDAR de estado sólido resistente a la interrupción mecánica, que puede causar errores significativos en los sistemas LiDAR tradicionales. Es importante destacar que su tecnología proporciona los mismos o mejores niveles de sensibilidad que otros sistemas que utilizan láseres y espejos costosos para tareas como mediciones precisas del tiempo de vuelo y relaciones claras de señal a ruido utilizando LED económicos. Sus algoritmos de hardware y software permiten una alta tasa de muestreo y pueden proporcionar una visión artificial altamente eficiente para robots industriales sujetos a entornos desafiantes o empujones ocasionales.
Las cámaras fabricadas por Leddar Tech son relativamente pequeñas y son más sensibles que los sistemas LiDAR tradicionales; sin embargo, las cámaras de Leddar actualmente tienen una visión estrecha. Dependiendo de la aplicación, potencialmente requerirían el uso de múltiples dispositivos para lograr un campo lo suficientemente amplio. Estas cámaras se están investigando actualmente para su uso en automóviles autónomos. Aún así, podrían adaptarse fácilmente a una amplia gama de aplicaciones, principalmente debido a su pequeño tamaño, robustez y precio relativamente bajo.
2. Grupo de Microsistemas Fotónicos
El Grupo de Microsistemas Fotónicos del MIT está trabajando para miniaturizar drásticamente los sistemas LiDAR integrándolos en microchips. Estos chips se pueden producir en fundiciones CMOS comerciales en obleas estándar de 300 milímetros, lo que podría hacer que su producción unitaria cueste alrededor de $ 10. Este chip tiene algunas limitaciones, ya que el rango de dirección actual del haz es de unos 51 grados y no puede crear una imagen de 360 grados por sí mismo. Sus chips solo pueden detectar objetos a 2 metros, pero están trabajando en chips con un alcance de 100 metros.
Debido a su pequeño tamaño y costos de fabricación relativamente económicos, estos chips tienen el potencial de incluir múltiples sensores LiDAR en un solo dispositivo y expandir las aplicaciones de visión artificial incluso a robots básicos orientados al consumidor. La visión económica de 360 grados lograda con conjuntos de estos chips para robots ofrecería una prevención de colisiones segura y efectiva, capacidad de respuesta a los gestos humanos y diseños más adaptables.
3. Laboratorio de Takashima
El Laboratorio Takashima de la Universidad de Arizona es otro grupo que trabaja en la miniaturización de los sistemas LiDAR. El direccionamiento del rayo láser es un componente fundamental de la reconstrucción y el análisis de imágenes LiDAR, que generalmente contribuye significativamente al volumen, el gasto y la fragilidad de los dispositivos LiDAR. En la reunión SPIE Opto 2018, J. Rodriguez et al. demostró un pequeño y económico sistema de detección LiDAR impreso en 3D en un chip.
Si bien algunos grupos están explorando sistemas microelectromecánicos para la dirección del haz LiDAR, este grupo ha desarrollado un dispositivo de microespejo digital que es relativamente pequeño y proporciona un campo de visión mejorado en relación con los sistemas LiDAR actuales (48 grados en lugar de 36 grados) y un haz grande. tamaño que está a la par con los sistemas LiDAR existentes. Si bien la limitación actual de este enfoque es un número reducido de puntos de escaneo, Takashima Lab y otros están desarrollando un detector de diodos multiláser que puede superar este problema. En general, esta estrategia muestra cierta promesa, con varios dispositivos que muestran un rango moderado a pesar del bajo costo y la facilidad de fabricación.
Una vez desarrollados y disponibles, estos sistemas LiDAR basados en chips pueden ser ideales para un conjunto de aplicaciones de corta distancia, como la detección de obstáculos cercanos y la identificación visual de objetos para agarrar o manipular. Por ejemplo, los robots con estos sensores podrían usarse para ensamblar o desmontar máquinas complejas y clasificar objetos a simple vista en los centros de envío, o estos chips podrían usarse en robots miniaturizados de inspección de tuberías.
4. Laboratorio Gopinath
El enfoque automático de la luz basado en lentes líquidos facilita un control sólido en tiempo real de la luz utilizada en la detección LiDAR. Gopinath Lab en la Universidad de Colorado explora el concepto, utilizando una corriente electromagnética débil para manipular la forma de varias lentes. Esta tecnología está actualmente disponible comercialmente para otras aplicaciones. Lo venden empresas como Cognex, que ofrece lentes líquidos sintonizables listos para usar para dirigir y concentrar láseres.
Estos sistemas de lentes son mecánicamente robustos ya que no requieren el movimiento de partes físicas para dirigir la trayectoria del láser. El sistema también es relativamente económico para el desarrollo de nuevas aplicaciones, ya que ya está en producción. Estos factores harán que esta tecnología sea potencialmente ideal para las aplicaciones LiDAR, particularmente en los casos en que el robot debe poder cambiar rápidamente el enfoque del objetivo.
5. Universidad de Colorado Boulder
Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder lograron un gran avance en la tecnología LiDAR al crear un nuevo chip de silicio sin partes móviles ni componentes electrónicos que mejoran la resolución y la velocidad de escaneo necesarias para un sistema LiDAR. Durante tres años, el equipo ha estado trabajando en una forma de dirigir los rayos láser, llamada dirección de longitud de onda, en la que cada longitud de onda o color apunta a un ángulo único para crear imágenes en 3D.
Según un artículo titulado “Serpentine optical Phased Arrays for Scalable Integrated Photonic LiDAR Beam Steering”, publicado en la revista Optica, no solo han desarrollado una forma de hacer una versión de esto en dos dimensiones simultáneamente, en lugar de solo una, sino que también También lo he hecho con color, utilizando un patrón de “arcoíris” para tomar imágenes en 3D. Dado que los haces se controlan fácilmente simplemente cambiando los colores, se pueden controlar varias matrices en fase simultáneamente para crear una mayor apertura y una imagen de mayor resolución. Cuanto más simples y pequeños sean estos chips de silicio, al tiempo que conservan una alta resolución y precisión, más tecnologías se pueden aplicar, incluidos los automóviles autónomos y los teléfonos inteligentes.