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MIT和DARPA联手研发出比硬币还小的芯片级激光雷达

2016-08-06 08:26
seele_jin
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  在 MIT 的光子微系统组( Photonic Microsystems Group ),正在开发一种片上激光雷达( lidar-on-a-chip )系统,它比一角硬币还小,没有活动式零件,而且能以低成本进行大规模生产,可用于自动驾驶汽车、无人机和机器人。

  激光探测与测距,或者说是激光雷达( Lidar ),是一种基于激光的感知技术。它类似于雷达( radar ),但是分辨率更高,因为光的波长大约比无线电的波长小 10 万倍。这对机器人很重要:因为雷达不能精确地反映细微的特征,只装备了雷达模块的机器人很难捕捉复杂的物体。目前,Lidar 主要应用于自动驾驶汽车和机器人,也用于绘制陆地和海洋的地图以及无人机。对于几乎所有自动驾驶汽车,以及在商业或工业环境中自动化操作的机器人而言,Lidar 系统是必不可少的。

  Lidar 系统测量 3D 空间中每个像素到发射器间的距离和方向,这能通过传感器创造出真实世界完整的 3D 模型。操作 Lidar 系统的基本方法是发射一束光,然后测量光在物体表面反射而返回来的信号。Lidar 模块接收到反射回来的信号所需的时间提供了一种直接测量 Lidar 系统与物体之间的距离的手段。关于物体的额外的信息,比如它的速率或材料成分,也可以通过测量反射回来的信号中的某些特性而得以确定,这些特性包括诱导多普勒频移( induced Doppler shift )。最后,通过操控发射出去的光,可以测量出环境中许多不同的点,从而创建出完整的 3D 模型。

  lidar,系统

  Velodyne HDL-64 lidar 镶嵌在自动驾驶汽车上。这个设备使用了能机械地四处旋转的激光器/接收器模块,这种方法限制了系统的扫描率,同时增加了扫描范围、复杂性和成本。

  大多数 Lidar 系统——比如你通常能在自动驾驶汽车上看到的 Lidar 系统——使用离散的自由空间光学组件,比如激光器,透镜和外部服务器。为了找到一个有用的观察视野,激光器/接收器机械地四处旋转,通常还会上下振动。这种机械装置限制了 Lidar 系统的扫描率,同时增加了扫描的范围和复杂性,导致人们担心其长期可靠性,尤其是在恶劣的环境中。现在,市场上销售的高端 Lidar 系统价位在一千美元到七万美元之间,这会限制它们在成本最小化领域内的应用。

  自动驾驶汽车和机器人等应用领域过度依赖 Lidar ,而且昂贵的 Lidar 模块是阻碍其应用于商业产品的主要因素。我们在 MIT 的光子微系统组中的工作是尝试将这些大型的、昂贵的、机械的 Lidar 系统融合在一个微芯片上,实现在商业化 CMOS 生产车间里的大规模生产。

  我们使用 300 毫米的晶片生产 Lidar 芯片,让潜在的生产成本大约为每个芯片 10 美元,每年单位生产量可达到百万台。这些片上设备用非机械化的光束进行操控,在速度上比当前机械的 Lidar 系统所能达到的速度快一千倍,而且允许更快的图象扫描速率。这对精确追踪微小的高速运动的物体是有用的,这些物体只在 Lidar 的视野中短暂出现,对于高速前行的无人机避开障碍物而言至关重要。

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