Revolutionäres 1000-faches Upgrade auf Tiefensensoren für selbstfahrende Autos erhöht die Sicherheit

• Forscher entwickeln einen neuen Ansatz, der die Auflösung von Flugzeit-Tiefensensoren um das Tausendfache steigert.
• Es nutzt Ideen aus der Interferometrie und LIDAR, die es ermöglichen, Dinge mit höherer Auflösung zu erfassen.
• Das System hat eine Tiefenauflösung von 3 Mikrometern im Bereich von 2 Metern.

Die Entwicklung selbstfahrender Autos ist im Gange und große Player wie Google und Tesla rücken in den Vordergrund. Die Technologie ist jedoch mit vielen Sicherheitsbedenken verbunden. Was würden Algorithmen beispielsweise tun, wenn sie plötzlich ein Tier vor dem fahrenden Auto entdecken würden? Würden sie sich zuerst um das Tier kümmern oder Sie retten? Außerdem können selbstfahrende Autos bei starkem Regen nicht richtig funktionieren, was die Frage aufwirft, welche Rolle Autofahrer bei einem Ausfall der Technologie spielen könnten.

Eine aktuelle Studie des MIT versucht, einige der Probleme zu lösen, die mit der selbstfahrenden Technologie einhergehen. Sie haben eine neue Methode zur genauen Messung von Entfernungen durch Nebel entwickelt, die um ein Vielfaches besser ist als die heutige Sensortechnologie.

Die neuen Tiefensensoren steigern in Kombination mit einer effektiven Berechnungsmethode die Auflösung von Flugzeit-Tiefensensoren um das Tausendfache. Das ist die Art von Auflösung, die Objekte im Nebel leicht erkennen und selbstfahrende Autos sicherer machen kann.

Sichtweite

Die vorhandene Technologie ist leistungsfähig genug für intelligente Parkassistenzsysteme (IPAS) und Kollisionserkennungssysteme. Sie haben eine Tiefenauflösung von 1 Zentimeter bei einer Reichweite von 2 Metern. Die Auflösung nimmt mit zunehmender Reichweite exponentiell ab. Im schlimmsten Fall könnte dies sogar zum Verlust von Menschenleben führen.

Das neue Flugzeitsystem hat eine Tiefenauflösung von 3 Mikrometern bei der gleichen Reichweite von 2 Metern. Der leitende Forscher, Achuta Kadambi, führte einige Tests durch, bei denen er ein Lichtsignal über eine Glasfaser von einem halben Kilometer Länge (mit einheitlichen Raumfiltern) übertrug, um die Leistungsreduzierung über größere Entfernungen zu simulieren. Er entdeckte, dass das System bei einer Reichweite von einem halben Kilometer immer noch nur eine Tiefenauflösung von 1 Zentimeter erreichen kann.

Wie funktioniert es?

Die beiden Faktoren, die die Systemauflösung bestimmen, sind die Lichtstoßlänge und die Erkennungsrate.

Ein sehr kurzer Lichtstoß wird abgefeuert und die Kamera berechnet die Zeit, die das Licht benötigt, um zurückzukehren. Die Zeit gibt an, wie weit das Objekt entfernt ist.
Die Erkennungsrate bezieht sich auf den Modulator, der einen Lichtstrahl ein- und ausschaltet. Bestehende Detektoren können etwa 100 Millionen Berechnungen pro Sekunde durchführen, was das System auf eine Auflösung im Zentimeter-Tiefenbereich beschränkt.



Das neue System nutzt Ideen aus der Interferometrie und LIDAR die es ermöglichen, Dinge mit höherer Auflösung zu erfassen.

Unter Interferometrie versteht man die Aufteilung eines Lichtstrahls in zwei gleiche Teile, wobei ein Teil in eine Szene geschossen wird, während ein anderer lokal zirkuliert. Der reflektierte Strahl wird dann mit dem lokal umlaufenden Strahl zusammengeführt. Die Phasendifferenz dieser beiden Strahlen verrät die genaue Entfernung des Objekts.

Die LIDAR-Technologie (Light Detection and Ranging) hingegen ermöglicht es langsamen Kameras, Hochfrequenzdaten (GHz-Bandbreitensignale) abzubilden.

Kaskadiertes LIDAR mit Beat Notes

Flugzeit-Imager menschlicher Scans bei 1 GHz, 500 MHz und 120 MHz

Referenz:MIT Media Lab | 10.1109/access.2017.2775138

Beat-Noten sind normalerweise niederfrequente Töne, die von Geräten mit geringer Bandbreite erkannt werden können. Wenn beispielsweise ein Gerät eine Tonhöhe von 330 Hz und das andere 300 Hz erzeugt, ist die Differenzfrequenz, d. h. 30 Hz, die Schwebungsnote.

Das gleiche Konzept wird auf modulierte Lichtstrahlen angewendet, bei denen die Interferenz zweier Strahlen (in GHz) zu einer Schwebungsnote im Hz-Frequenzbereich führt. Der Takt enthält alle wesentlichen Daten zur Entfernungsmessung.

Im Grunde ist es so, als würde man eine Taschenlampe in einer Sekunde millionenfach aus- und wieder einschalten, aber das geschieht elektronisch und nicht optisch.

Die niederfrequenten Systeme können bei Nebel einwandfrei funktionieren, da sie das Licht streuen. Da die Phasenverschiebung im Verhältnis zur Signalfrequenz in optischen GHz-Systemen viel höher ist, können sie Nebel weitaus besser kompensieren als MHz-Systeme.

Andere Anwendungen

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Die Forscher haben eine Weglängenkontrolle bei mindestens fast 3 Mikrometern gezeigt, was etwa einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Eine solch hohe Präzision könnte eine Umkehrung der Streuung ermöglichen und es Ärzten und medizinischen Forschern ermöglichen, mithilfe von Spektren sichtbaren Lichts tiefer in das Gewebe zu blicken.

Roboter könnten durch einen Obstgarten navigieren, anstatt nur die Topologie abzubilden. Und ja, die meisten der möglichen vielfältigen Implementierungen würden in Echtzeit erfolgen.