Chip MEMS Alcança Resolução Recorde em Lidar, Reduzindo Custos para Veículos Autônomos

Lidar de estado sólido de alta resolução usando um array de chaves MEMS reduzirá seu custo para igualar o de câmeras e sistemas de radar baseados em chip baratos — removendo uma grande barreira para adoção de lidar em veículos autônomos.

Limitações dos Sistemas Atuais

Embora câmeras e sistemas de radar baseados em chip baratos tenham entrado no mainstream para prevenção de colisão e direção autônoma em rodovias, sistemas de navegação lidar permanecem dispositivos mecânicos desajeitados que custam milhares de dólares.

Isso pode mudar graças a um novo tipo de chip lidar de alta resolução desenvolvido por Ming Wu, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e co-diretor do Berkeley Sensor and Actuator Center na Universidade da Califórnia, Berkeley.

Arquitetura FPSA com Chaves MEMS

O lidar de Wu baseia-se em um array de plano focal comutado (FPSA), uma matriz baseada em semicondutor de antenas em escala de mícron que coleta luz como sensores em câmeras digitais. Sua resolução de 16.384 pixels pode não soar impressionante comparada aos milhões de pixels de câmeras de smartphones, mas supera em muito os 512 pixels ou menos encontrados em FPSAs até agora, disse Wu.

O design é escalável para tamanhos de megapixel usando a mesma tecnologia CMOS complementar de óxido metálico usada para produzir processadores de computador, disse Wu. Isso pode levar a uma nova geração de sensores 3D poderosos e de baixo custo não apenas para carros autônomos, mas também para drones, robôs e smartphones.

Funcionamento e Vantagens das Chaves MEMS

Sistemas lidar mecânicos usam lasers para visualizar objetos a centenas de jardas, mesmo no escuro. Eles também geram mapas 3D com resolução alta o suficiente para a IA de um veículo distinguir entre veículos, bicicletas, pedestres e outros obstáculos.

No entanto, colocar essas capacidades em um chip desafiou pesquisadores por mais de uma década.

"Queremos iluminar uma área muito grande", disse Wu. "Mas se tentarmos fazer isso, a luz fica fraca demais para alcançar distância suficiente. Então, como compromisso de design para manter a intensidade da luz, reduzimos a área que iluminamos com nossa luz laser."

Este lidar consiste em uma matriz FPSA de minúsculos transmissores ópticos e chaves MEMS que ligam e desligam rapidamente para mover fisicamente os guias de onda de uma posição para outra, canalizando toda a potência laser disponível através de uma única antena por vez.

Chaves MEMS são tecnologia conhecida para rotear luz em redes de comunicações. Esta é a primeira vez que são aplicadas a lidar. Comparadas com chaves termo-ópticas, são muito menores, usam muito menos energia, comutam mais rápido e têm perdas de luz muito baixas.

Elas são a razão pela qual Wu pode colocar 16.384 pixels em um chip de 1 cm². Quando a chave liga um pixel, emite um feixe laser e captura a luz refletida. Cada pixel equivale a 0,6 graus do campo de visão de 70 graus do array. Ciclando rapidamente pelo array, o FPSA de Wu constrói uma imagem 3D do mundo ao redor. Montar vários em configuração circular produziria visão de 360 graus ao redor de um veículo.

Desafios Futuros: Resolução e Alcance

Wu precisa aumentar a resolução e o alcance do FPSA antes que seu sistema esteja pronto para comercialização. "Embora as antenas ópticas sejam difíceis de tornar menores, as chaves ainda são os maiores componentes, e achamos que podemos torná-las muito menores", disse ele.

Também precisa aumentar o alcance do sistema, que é de apenas 10 metros. "Temos certeza de que podemos chegar a 100 metros e acreditamos que poderíamos chegar a 300 metros com melhoria contínua", disse Wu.

Se conseguir, a tecnologia de produção CMOS convencional promete tornar lidar barato do tamanho de chip parte do nosso futuro.

"Olhe como usamos câmeras", disse Wu. "Elas estão embutidas em veículos, robôs, aspiradores, equipamentos de vigilância, biometria e portas. Haverá muito mais aplicações potenciais uma vez que encolhermos o lidar ao tamanho de uma câmera de smartphone."