Thiết bị LiDAR thể rắn cực nhỏ có thể lập bản đồ 3D cho trường xem 180 độ đầy đủ

 

Các nhà nghiên cứu ở Hàn Quốc đã phát triển một thiết bị LiDAR siêu nhỏ, siêu mỏng có thể chia một chùm tia laser đơn lẻ thành 10.000 điểm bao phủ một trường nhìn 180 độ chưa từng có. Nó có khả năng lập bản đồ độ sâu 3D toàn bộ bán cầu thị giác trong một lần chụp.

Ô tô tự hành và rô bốt cần có khả năng nhận thức thế giới xung quanh cực kỳ chính xác nếu chúng trở nên an toàn và hữu ích trong điều kiện thực tế. Ở người và các thực thể sinh học tự trị khác, điều này đòi hỏi một loạt các giác quan khác nhau và một số quá trình xử lý dữ liệu thời gian thực khá phi thường, và điều này có thể sẽ đúng với thế hệ con công nghệ của chúng ta.

LiDAR – viết tắt của Light Detection and Ranging – đã xuất hiện từ những năm 1960 và giờ đây nó là một công nghệ xác định phạm vi được thiết lập tốt, đặc biệt hữu ích trong việc phát triển các biểu diễn đám mây điểm 3D của một không gian nhất định. Nó hoạt động hơi giống sonar, nhưng thay vì các xung âm thanh, các thiết bị LiDAR phát ra các xung ánh sáng laser ngắn và sau đó đo ánh sáng bị phản xạ hoặc tán xạ ngược khi các xung đó chạm vào một vật thể.

Thời gian giữa xung ánh sáng ban đầu và xung trở lại, nhân với tốc độ ánh sáng và chia cho hai, cho bạn biết khoảng cách giữa đơn vị LiDAR và một điểm nhất định trong không gian. Nếu bạn đo nhiều điểm lặp đi lặp lại theo thời gian, bạn sẽ có cho mình một mô hình 3D của không gian đó, với thông tin về khoảng cách, hình dạng và tốc độ tương đối, có thể được sử dụng cùng với các luồng dữ liệu từ máy ảnh đa điểm, cảm biến siêu âm và các hệ thống khác để củng cố sự hiểu biết của một hệ thống tự trị về môi trường của nó.

Xem Thêm  Robot sàn dễ dàng - Hồ sơ khởi động - Tạo sàn liền mạch bằng robot di động tự động

Theo các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) ở Hàn Quốc, một trong những vấn đề quan trọng với công nghệ LiDAR hiện tại là trường nhìn của nó. Nếu bạn muốn chụp ảnh một khu vực rộng từ một điểm, cách duy nhất để làm điều đó là xoay thiết bị LiDAR của bạn một cách cơ học hoặc xoay gương để hướng chùm tia. Loại thiết bị này có thể cồng kềnh, ngốn điện và dễ vỡ. Nó có xu hướng hao mòn khá nhanh và tốc độ quay giới hạn tần suất bạn có thể đo từng điểm, làm giảm tốc độ khung hình của dữ liệu 3D của bạn.

Mặt khác, hệ thống LiDAR trạng thái rắn không sử dụng các bộ phận chuyển động vật lý. Một số trong số đó, theo các nhà nghiên cứu – như cảm biến độ sâu mà Apple sử dụng để đảm bảo bạn không đánh lừa hệ thống mở khóa nhận diện khuôn mặt của iPhone bằng cách giơ một bức ảnh phẳng về khuôn mặt của chủ sở hữu – chiếu một loạt các chấm lên nhau và xem đối với sự biến dạng trong các chấm và các mẫu để phân biệt thông tin về hình dạng và khoảng cách. Nhưng trường nhìn và độ phân giải bị hạn chế và nhóm nghiên cứu cho biết chúng vẫn là những thiết bị tương đối lớn.

Nhóm Pohang quyết định chọn hệ thống cảm biến độ sâu nhỏ nhất có thể với trường nhìn rộng nhất có thể, sử dụng khả năng bẻ cong ánh sáng đặc biệt của các siêu bề mặt. Các cấu trúc nano 2-D này, có chiều rộng bằng một phần nghìn sợi tóc người, có thể được xem như thấu kính siêu phẳng, được xây dựng từ các mảng các phần tử nanopillar riêng lẻ có hình dạng chính xác và cực nhỏ. Ánh sáng tới được chia thành nhiều hướng khi nó di chuyển qua bề mặt siêu bề mặt và với thiết kế mảng cột nano phù hợp, các phần của ánh sáng đó có thể bị nhiễu xạ đến một góc gần 90 độ. Một mắt cá siêu phẳng hoàn toàn, nếu bạn thích.

Trái: hình chiếu phía trước và bên của mẫu nhiễu xạ chùm, cho thấy cả sự mất cường độ ở các góc uốn cong cao hơn và sự mất độ phân giải điểm chấm khi khoảng cách tăng lên. Đúng: mảng nanopillar được định hình chính xác trên bề mặt siêu bề mặt, có thể bẻ cong ánh sáng gần 90 độ
Trái: hình chiếu phía trước và bên của mẫu nhiễu xạ chùm, cho thấy cả sự mất cường độ ở các góc uốn cong cao hơn và sự mất độ phân giải điểm chấm khi khoảng cách tăng lên. Đúng: mảng nanopillar được định hình chính xác trên bề mặt siêu bề mặt, có thể bẻ cong ánh sáng gần 90 độ

ĐĂNG

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo một thiết bị bắn tia laze qua thấu kính siêu bề mặt với các cột nano được điều chỉnh để chia nó thành khoảng 10.000 điểm, bao phủ trường nhìn 180 độ. Sau đó, thiết bị sẽ diễn giải ánh sáng phản xạ hoặc tán xạ ngược thông qua camera để cung cấp các phép đo khoảng cách.

Xem Thêm  Xem máy xúc robot được điều khiển như trò chơi điện tử

Giáo sư Junsuk Rho, đồng tác giả của một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Truyền thông bản chất. “Đây sẽ là một công nghệ ban đầu cho phép một nền tảng cảm biến hình ảnh 3D siêu nhỏ và toàn không gian.”

Cường độ ánh sáng không giảm khi góc nhiễu xạ trở nên cực đoan hơn; một chấm cong thành góc 10 độ đạt mục tiêu với tốc độ gấp bốn đến bảy lần sức mạnh của một chấm cong ra gần 90 độ. Với thiết bị trong phòng thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng họ có kết quả tốt nhất trong góc nhìn tối đa 60 ° (đại diện cho trường nhìn 120 °) và khoảng cách dưới 1 m (3,3 ft) giữa cảm biến và vật thể. Họ nói rằng các tia laser công suất cao hơn và các siêu bề mặt được điều chỉnh chính xác hơn sẽ làm tăng điểm ngọt của các cảm biến này, nhưng độ phân giải cao ở khoảng cách xa hơn sẽ luôn là một thách thức với các ống kính siêu rộng như thế này.

Chấm siêu bề mặt nhỏ đó là tất cả những gì bạn cần để tách một tia laser duy nhất ra đủ rộng để lập bản đồ mọi thứ trước mặt bạn
Chấm siêu bề mặt nhỏ đó là tất cả những gì bạn cần để tách một tia laser duy nhất ra đủ rộng để lập bản đồ mọi thứ trước mặt bạn

ĐĂNG

Một hạn chế tiềm ẩn khác ở đây là xử lý hình ảnh. Thuật toán “trôi điểm mạch lạc” được sử dụng để giải mã dữ liệu cảm biến thành đám mây điểm 3D rất phức tạp và thời gian xử lý tăng lên theo số điểm. Vì vậy, những bức ảnh chụp full-frame có độ phân giải cao giải mã 10.000 điểm trở lên sẽ đặt ra một tải khá khó khăn cho bộ xử lý và để một hệ thống như vậy chạy lên đến 30 khung hình / giây sẽ là một thách thức lớn.

Xem Thêm  Cảm biến gia tốc lượng tử 3D mới chính xác hơn 50 lần so với cảm biến cổ điển

Mặt khác, những thứ này cực kỳ nhỏ, và siêu bề mặt có thể được sản xuất dễ dàng và rẻ ở quy mô khổng lồ. Nhóm nghiên cứu đã in một cái lên bề mặt cong của một bộ kính an toàn. Nó nhỏ đến mức bạn khó có thể phân biệt nó với một hạt bụi. Và đó là tiềm năng ở đây; Các thiết bị lập bản đồ độ sâu dựa trên bề mặt có thể cực kỳ nhỏ và dễ dàng tích hợp vào thiết kế của nhiều đối tượng, với trường nhìn của chúng được điều chỉnh theo một góc phù hợp với ứng dụng.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy những thiết bị này có tiềm năng to lớn trong những thứ như thiết bị di động, robot, ô tô tự hành và những thứ như kính VR / AR. Đồ rất gọn gàng!

Nghiên cứu được truy cập mở trên tạp chí Truyền thông bản chất.

Nguồn: POSTECH