Revolutionaire 1000-voudige upgrade naar zelfrijdende autodieptesensoren verbetert de veiligheid

• Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe aanpak die de resolutie van dieptesensoren tijdens de vlucht duizend keer verbetert.
• Het maakt gebruik van ideeën uit interferometrie en LIDAR waarmee dingen met een hogere resolutie kunnen worden vastgelegd.
• Het systeem heeft een diepteresolutie van 3 micrometer op een afstand van 2 meter.

De evolutie van de zelfrijdende auto is aangebroken en grote spelers als Google en Tesla komen op de voorgrond. De technologie is echter in verband gebracht met veel veiligheidsproblemen. Wat zouden algoritmen bijvoorbeeld doen als ze plotseling een dier voorin de rijdende auto zouden detecteren, zouden ze dan eerst voor het dier zorgen of jou redden? Bovendien kunnen zelfrijdende auto's niet goed functioneren bij hevige regenval, wat de vraag doet rijzen welke rol bestuurders zouden kunnen spelen als de technologie faalt.

Een recent onderzoek van MIT probeert een aantal problemen op te lossen die gepaard gaan met zelfrijdende technologie. Ze hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het nauwkeurig meten van afstanden door mist, die vele malen beter is dan de huidige sensortechnologie.

De nieuwe dieptesensoren, gecombineerd met een effectieve rekenmethode, verbeteren de resolutie van dieptesensoren tijdens de vlucht duizend keer. Dat is het type resolutie dat gemakkelijk objecten in de mist kan detecteren en zelfrijdende auto's veiliger kan maken.

Zichtbereik

De bestaande technologie is capabel genoeg voor Intelligent Parking Assist System (IPAS) en botsingsdetectiesystemen. Ze hebben een diepteresolutie van 1 centimeter op een afstand van 2 meter. De resolutie neemt exponentieel af naarmate het bereik groter wordt. In het ergste geval kan dit zelfs leiden tot verlies van mensenlevens.

Het nieuwe time-of-flight-systeem heeft een diepteresolutie van 3 micrometer op hetzelfde bereik van 2 meter. De hoofdonderzoeker, Achuta Kadambi, voerde enkele tests uit, waarbij hij een lichtsignaal via een halve kilometer optische vezel (met uniforme ruimtefilters) uitzond om de vermogensreductie over langere afstanden te simuleren. Hij ontdekte dat het systeem nog steeds slechts 1 centimeter diepteresolutie kan bereiken op een afstand van een halve kilometer.

Hoe het werkt?

De twee factoren die de systeemresolutie bepalen zijn de lengte van de lichtuitbarsting en de detectiesnelheid.

Er wordt een zeer korte lichtflits afgevuurd en de camera berekent hoe lang het duurt voordat het licht terugkeert. De tijd vertelt hoe ver het object is.
De detectiesnelheid heeft betrekking op de modulator die een lichtstraal aan- en uitzet. Bestaande detectoren kunnen ongeveer 100 miljoen berekeningen per seconde uitvoeren, wat het systeem beperkt tot een resolutie op centimeterdiepte.



Het nieuwe systeem maakt gebruik van ideeën uit de interferometrie en LIDAR waarmee je dingen met een hogere resolutie kunt vastleggen.

Interferometrie verwijst naar het splitsen van een lichtbundel in twee gelijke delen, waarbij het ene deel in een scène wordt geschoten terwijl het andere lokaal blijft circuleren. De gereflecteerde bundel wordt vervolgens samengevoegd met de lokaal circulerende bundel. Het faseverschil van deze twee bundels onthult de precieze afstand tot het object.

LIDAR-technologie (Light Detection and Ranging) stelt langzame camera's daarentegen in staat hoogfrequente gegevens (GHz-bandbreedtesignalen) in beeld te brengen.

LIDAR gecascadeerd met beatnotities

Time-of-flight-imager van menselijke scans op 1 GHz, 500 MHz en 120 MHz

Referentie:MIT Media Lab | 10.1109/access.2017.2775138

Beatnoten zijn meestal laagfrequent geluid dat kan worden gedetecteerd door apparatuur met een lage bandbreedte. Als het ene apparaat bijvoorbeeld een toonhoogte van 330 Hz produceert en het andere een toonhoogte van 300 Hz, is de verschilfrequentie, d.w.z. 30 Hz, de telnoot.

Hetzelfde concept wordt toegepast op gemoduleerde lichtbundels, waarbij interferentie van twee bundels (in GHz) resulteert in een hartslagtoon met de Hz-frequentie. De beat bevat alle essentiële gegevens om de afstand te meten.

In principe is het alsof je een zaklamp miljoenen keren in één seconde aan- en uitzet, maar dan gebeurt dit elektronisch in plaats van optisch.

De systemen met een lagere frequentie kunnen goed werken in mist, omdat deze het licht verstrooien. Omdat de faseverschuiving veel groter is in verhouding tot de signaalfrequentie in optische GHz-systemen, zijn ze veel beter in het compenseren van mist dan MHz-systemen.

Andere applicaties

Lees:Elektrische auto's aangedreven door een solid-state batterij kunnen in 2024 500 kilometer afleggen

De onderzoekers hebben een padlengtecontrole laten zien van minimaal bijna 3 micrometer, wat ongeveer 1/10 van de breedte van een mensenhaar is. Een dergelijke hoge nauwkeurigheid zou het omkeren van de verstrooiing mogelijk kunnen maken, waardoor artsen en medische onderzoekers dieper in het weefsel kunnen kijken met behulp van spectrums van zichtbaar licht.

Robots zouden door een boomgaard kunnen navigeren, in plaats van alleen maar de topologie in kaart te brengen. En ja, het grootste deel van het potentieel brede scala aan implementaties zou realtime zijn.