FMCW LiDAR permet la vision 4D dans la robotique et les véhicules autonomes

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La vision par ordinateur est une fonctionnalité essentielle dans de nombreuses applications du monde réel, permettant aux machines de détecter et de percevoir le monde qui les entoure. SiLC Technologies, Inc. (SiLC) a lancé son capteur de vision Eyeonic pour apporter une vision cohérente et une intégration à l’échelle de la puce au marché plus large. Le dernier capteur de vision de SiLC porte le LiDAR à un nouveau niveau de performance en fournissant des informations d’intensité de polarisation double tout en permettant l’immunité aux interférences multi-utilisateurs et environnementales.

Les constructeurs automobiles introduisent de plus en plus de solutions ADAS avancées dans les véhicules de dernière génération dans le but d’atteindre un jour la conduite autonome de niveau 4, où les voitures peuvent exécuter toutes les fonctions de conduite sans intervention du conducteur. Une autre application difficile est celle des robots autonomes, où la vision par ordinateur guide les robots à travers les entrepôts pour améliorer les chaînes logistiques et éviter les obstacles sur leur chemin.

Les solutions de vision industrielle nécessitent des capteurs avancés capables de capturer des données avec un comportement en temps réel, de les traiter au niveau du micrologiciel ou du matériel et de fournir des informations de haut niveau pour les algorithmes de prise de décision (éventuellement basés sur l’IA). Des exemples de technologies de capteurs adaptées aux applications de vision industrielle automobile et robotique sont le radar et le LiDAR. Dans cet article, nous présentons une nouvelle technologie LiDAR développée par la startup californienne SiLC, qui s’appuie sur un capteur cohérent pour permettre la vision 4D pour les applications automobiles, robotiques et industrielles.

Le système de vision SiLC Eyeonic

Introduit en décembre 2021 et présenté au CES 2022 en janvier dernier, le capteur de vision Eyeonic est un LiDAR à onde continue modulée en fréquence (FMCW) qui fournit non seulement des informations de profondeur, mais également des données de vitesse et d’intensité de polarisation.

En conversation avec temps EERalf Munster, vice-président du développement commercial et du marketing chez SiLC, a déclaré : « L’innovation est que, pour la première fois, quelqu’un a réellement intégré toutes les fonctions photoniques requises pour un capteur d’image cohérent sur une seule puce.

Le capteur “Eyeonic” (visible sur la figure 1) est basé sur l’approche FMCW, qui est techniquement plus complexe qu’un LiDAR classique, mais offre des fonctionnalités supplémentaires et la possibilité de réduire les systèmes à la taille d’une puce. Eyeonic est le premier capteur LiDAR FMCW sur puce disponible dans le commerce avec un faible encombrement qui répond même aux critères les plus stricts de faible coût et de faible consommation d’énergie.

La figure 1 montre la partie interne du capteur, qui est intégrée sur une puce photonique en silicium avec un laser à largeur de raie ultra-faible, un amplificateur optique à semi-conducteur, des détecteurs au germanium et plusieurs circuits optiques (guides d’ondes).

Vue détaillée du capteur Eyeonic
Figure 1 : Vue détaillée du capteur Eyeonic (Source : SiLC Technologies)

Le capteur Eyeonic de SiLC diffère des solutions concurrentes similaires qui nécessitent 2, 3 ou même 4 puces et nécessitent une connexion avec une certaine forme d’optique de couplage ou de fibre. “De plus, vous perdez entre 3 et 10 dB à chaque fois, ce que vous ne pouvez vraiment pas vous permettre car les photons sont précieux et vous ne voulez pas les gaspiller”, a déclaré Munster.

Une autre différence clé par rapport aux capteurs LiDAR traditionnels est la technologie utilisée pour installer l’appareil au niveau du système. Utilisant une technique de temps de vol (ToF), les systèmes de vision 3D actuels reposent sur des lasers haute puissance d’une longueur d’onde de 905 nanomètres et des détecteurs très sensibles. Les premières versions de ces technologies étaient suffisamment bonnes pour permettre une utilisation précoce dans des expériences de véhicules autonomes. Cependant, les processus de fabrication coûteux ont limité leur résolution et leur mise à l’échelle rentable. De plus, les problèmes de sécurité oculaire ont limité leur portée, tandis que la diaphonie de plusieurs utilisateurs limitera probablement leur adoption plus large.

Fondamentalement, les capteurs basés sur ToF émettent une ou plusieurs impulsions laser, attendent leur retour vers le détecteur, puis calculent le temps d’aller-retour ; plus ou moins au centimètre, le plus souvent à quelques centimètres.

« Certaines personnes sont fascinées par le temps de vol car une longueur d’onde de 950 nanomètres nécessite des détecteurs CMOS faciles à fabriquer et peu coûteux. Cependant, cette solution nécessite plusieurs puces qui doivent être alignées très soigneusement », a déclaré Munster.

Pour répondre aux préoccupations réglementaires concernant la sécurité des yeux et permettre une mise en œuvre à faible volume d’interférences par plusieurs utilisateurs, le passage à la technologie FMCW à une longueur d’onde de 1550 nanomètres est largement reconnu. En raison de la complexité et du nombre de composants requis, cette méthode n’a pas été largement utilisée dans le passé.

Selon SiLC, sa plate-forme d’intégration photonique sur silicium est une solution rentable qui combine tous les composants hautes performances requis dans une seule puce de silicium en utilisant les processus de fabrication de semi-conducteurs existants ; résultant en une solution rentable, compacte et à faible consommation d’énergie. La fabrication de silicium permet de faire évoluer de manière rentable des dispositifs et des technologies complexes en grandes quantités.

Le FMCW est une technique largement utilisée dans les radars Doppler cohérents. Avec cela, un FMWC est transmis au fil du temps. Ensuite, lorsque l’impulsion de retour revient, la différence de fréquence (décalage) entre l’impulsion transmise et reçue peut être calculée. En raison de l’effet Doppler, ce décalage est fonction de la distance et de la vitesse de l’objet détecté (réfléchissant). C’est le principe sur lequel fonctionne un laser cohérent.

FMCW présente de nombreux avantages. Le premier est qu’il fonctionne dans toutes les conditions d’éclairage et qu’il est insensible aux interférences environnementales et à la diaphonie ; Cela signifie qu’il ne peut pas être piraté en réfléchissant la lumière du soleil directement au centre du capteur avec un miroir. La précision est extrêmement élevée même à de longues distances (niveau millimétrique) et la détection est possible sur de longues distances.

Un autre facteur clé de FMCW est qu’il nécessite beaucoup moins de puissance que ToF pour atteindre la même distance. De par sa cohérence, le capteur Eyeonic ajoute la possibilité de fournir une mesure instantanée de la vitesse cible, ce qui en fait un véritable capteur 4D. De plus, en plus de l’intégration de la puce, SiLC offre une double intensité de polarisation, qui permet l’identification des matériaux et l’analyse de surface (voir Figure 2).

“La vitesse permet au système de vision de tracer des contours autour de l’objet détecté, et l’intensité de polarisation peut aider à déterminer ce qu’est l’objet. Puisque vous avez un vecteur de vitesse, vous savez déjà où l’objet sera le prochain. Vous n’avez donc pas besoin de dériver ces informations à l’aide de l’apprentissage automatique et de la formation au réseau de neurones », a déclaré Munster.

Lidar
Figure 2 : Intensité de polarisation

La solution SiLC est également indépendante du scanner. Cela signifie qu’il peut fonctionner avec n’importe quel type de scanner ; La fréquence d’images et la résolution sont entièrement configurables en fonction de l’application.

Le capteur Eyeonic est proposé dans les configurations fibre amorce et sans fibre. Le premier permet une flexibilité de conception en prenant en charge des configurations où l’émetteur-récepteur FMCW LiDAR et l’unité de balayage se trouvent à différents endroits, tandis que le second a le coût le plus bas dans une configuration compacte.

À partir du deuxième trimestre 2022, le système de vision Eyeonic de SiLC sera mis à la disposition des clients stratégiques, offrant un système de vision complet pour une évaluation facile et rapide par les intégrateurs de systèmes et les utilisateurs finaux. Il s’agira d’un système LiDAR FMCW compact et puissant disponible sur le marché avec une large gamme d’accessoires pour chaque application client.

oigari