【技术】3D激光雷达的七种改变我们物理世界的方法

2017-09-20 Readwrite(世强翻译)

想象一种可以应用于考古发现、犯罪现场调查和虚拟现实娱乐的可制造出完美3D复制品的技术,当然我这里指的可不是企业级全息甲板。与科幻无关,这一技术已经出现,那就是激光雷达。


下面列举了7种利用激光雷达技术来让我们更好地生活在未来世界的方法。


文档化

使用激光雷达的考古学家碰巧发现了可以堪称传奇的古遗迹。激光雷达测绘可以显示数十年来图像测绘都无法分辨的稠密的树叶。激光雷达不仅可以用于发现新的事物,还能记录旧事物。在Morris博士成立的公司--Allpoint(已被Autodesk收购),激光雷达被用于扫描废水管道,确保被埋在地下的管道能与原先的设计相匹配。


于一个激光雷达来说,发射红外线的频率就是一个十分重要的指标。频率越高,得到的数据就越多,绘制的图像也就越详细,分辨物体的能力就越强。而EPCeGaN FET所具有的亚纳秒级超高开关速度能大大提升激光雷达的分辨率,可精确记录旧事物。


图1:激光雷达扫描显示的可能是洪都拉斯的遗失之城


安保

“不论什么时候,不论总统走到哪里,他的信息都会被记录在3D模型里面,”Morris说道。“他们将该地点以毫米级的精度数字化,以便进行各种计划以及人群的划分。一旦有大型的活动举办,该区域的信息就有相当大的几率会以3D的形式采集下来。”EPC生产的eGaN FET的栅极门限具有低温度系数,可以带来更低的导通阻抗(RDS(on)),能进一步提升晶体管的开关性能。让激光雷达采集速率更高。引用EPC的CEO和共同创立者Alex Lidow的话说,“氮化镓场效应晶体管具有极快的开关速度,在激光雷达的应用中,它能比硅基器件快出100倍,甚至1000倍。这个速度代表着你想要多快地生成3D图像,图像的清晰度是多少以及你是想要的准确度是cm²级还是mm²级。”


搜索和救援

通过激光雷达可以得到所有建筑物最新的3D扫描图。而且,由于激光雷达的数据是由机器处理的,因此它可以用于指挥机器人代替消防员在十分危险的区域执行救援任务。另外,为了避免在测绘过程中有可能出现的人员伤亡,装备了激光雷达扫描器的漫游车可以替代人类测量师进行测绘工作。


EPC的氮化镓场效应晶体管在恶劣大气环境中测得的数据更准确,发射的功率就应该在照顾发热的前提下尽可能地高。为保证在恶劣的搜救环境下可以准确营救幸存者,EPC制造出脉冲电流高达75A的EPC2016C,而且其脉宽仅5ns,并提供面向激光雷达应用的EPC9126C演示板供用户选择。


罪犯的活动

当然,随着一项新技术的诞生,总会存在一定的几率会落入到坏人的手中。与激光雷达在安保应用中的目的相反,罪犯可以通过对建筑物或活动场地的3D扫描得到该区域薄弱的地方,并从该处入侵。而且由于目前许多的关于我们世界的3D地图已经被放到了公众可以访问的地址,例如谷歌地图以及其他相关的技术,因此想要获取信息是一件很容易的事情。不过,这仍然只是“可能”,因为使用激光雷达犯罪的已被记录在案。


不过,激光雷达更多的是用于在犯罪现场检测罪犯的活动。其所得到的数以百万计的数据点可以生成一个十分精准的犯罪现场以及现场内所有物品的扫描图。而且,由于激光雷达自身会发射光线,因此它可以发现普通照相机有可能错过的线索。激光雷达发射出去的光线只有少部分会被反射回来, EPC考虑到GaN在激光雷达方面的应用,制造出具备更短脉宽的eGaN FET。以EPC2040为例,其脉宽仅8ns。这一优势特性将改善激光二极管工作时的热度,并降低二极管驱动器对散热方面的要求,降低成本的同时使设备更加小巧,同时让设备在整个工作温度范围内的操作更加稳定、顺畅。


增强现实


图2:来自Kinect的图像,MIT研究员处理后可区分单个手指


如果你对Kinect很熟悉的话,你对激光雷达在娱乐方面的应用也不会陌生。该系统扫描并测量不可见红外光以识别人体。尽管大部分游戏玩家对Kinect并没有多大兴趣,但对需要一台轻量级图像设备来引导机器人的机器人专家来说却是个好消息。


全球领先的激光雷达制造商Velodyne与EPC合作,开发出了成本低廉、性能优异、体积小巧的固态激光雷达,尺寸仅4mm2的氮化镓集成电路芯片更进一步降低了成本和体积。


制作复制品

尽管许多商业3D打印的案例都是相当地蠢,但该项技术确实拥有将不常见的项目变得更容易实现的能力。例如,肯尼亚的古生物学家Louise Leakey与Autuodesk合作,将她自己收集的非洲化石数字化。尽管这些化石数据不是物理存在而是虚拟的内容,但是通过将这些化石打印出来,它们就是一份十分精确的复制品。世界各地的大学都可以下载这些数据,并将其打印出来得到化石样本,从而不需要冒着有可能损坏原件的风险做研究。EPC的氮化镓场效应晶体管具有极快的开关速度,精度可达cm²级或是mm²级,让化石数据更加精确以及图像更加清晰。


自动驾驶

或许激光雷达最为出名的应用是让无人驾驶汽车变得可行。与海豚使用回声定位在海中遨游类似,无人驾驶汽车使用激光雷达传感器实时地搜集和分析周围环境的数据。


Morris博士现在的工作是作为Autodesk实境捕捉方面的产品经理,他正与谷歌合作,力图将商业用无人驾驶汽车变成现实。他的主要工作是使用激光雷达扫描器来测量和绘制美国公路基础设施的3D地图。这些地图将会被预先植入到无人驾驶汽车中,以便让汽车能够做出更好的驾驶决策。


在无人驾驶应用中,激光雷达比摄像头和雷达出色的地方就在于其极强的物体分辨能力。虽然摄像头能为无人驾驶汽车的计算机提供重要的包括颜色在内的视觉数据,不过其受到光线和环境的影响也很大,对算法的要求很高,有很强的局限性。


图3:使用硅基器件和氮化镓器件设计的激光雷达效果示意图


早期的激光雷达涉及到许多高品质光学器件(如激光器、传感器),其成本高达70000美元,而目前最先进的机械旋转式激光雷达的价格也高达8000美元,这是激光雷达十分昂贵的主要原因之一。而且这些精密器件需要组装在一个做机械旋转的壳体中,因此,整个系统显得比较笨重,可靠性和便携性都不高。有了这两个巨大的缺点,许多无人驾驶研发公司在明知激光雷达具有更多优点的情况下,还是把重心放到了摄像头和雷达上面。


全球领先的激光雷达制造商Velodyne与EPC合作,开发出了成本低廉、性能优异、体积小巧的固态激光雷达,其在大规模量产后的价格可低至50美元。除了摒弃了传统的机械旋转结构,Velodyne与EPC合作开发出的尺寸仅4mm2的氮化镓集成电路芯片更进一步降低了成本和体积。氮化镓场效应晶体管这一有望取代硅基技术的新产品,不仅在性能方面领先硅基产品,而且其制造工艺与硅基MOSFET类似,步骤更少,还不需要硅基产品所用的高成本封装,单单是封装这一点就能降低一半的制造成本,因此,EPC的GaN更具成本效益和竞争力。


图4:Velodyne与EPC合作开发出的尺寸仅4mm2的氮化镓激光雷达芯片


无人驾驶应用对器件可靠性的要求都非常之高。EPC已经发布了第九阶段的可靠性测试报告,在此报告中记录了器件在经历了超过900万个器件-小时的应力测试后,完全没有发生任何故障,都通过了热机械可靠性测试 。而且,由第七阶段的可靠性测试报告得知,在6年间、170亿小时的现场测试中,采用芯片规模封装的eGaN FET没有出现采用其他封装的半导体经常会出现的失效模式,并于每10亿器件小时的应力测试中,取得很低的0.24失效结果。不容置疑的是,eGaN FET适用于目前采用MOSFET的各种应用。


EPC的eGaN FET不仅能应用于激光雷达这种对器件要求极高的应用,还能应用在直流-直流转换器、无线电源传送、包络跟踪、射频传送、功率逆变器以及D类音频放大等领域。相信随着时间的发展,eGaN FET在成本、尺寸、性能等方面还具有很大的上升空间,完全有可能取代已经快走到辉煌尽头的硅基技术,成为下一个促进人类信息产业蓬勃发展的产品。


相关技术文档:
EPC 硅基增强型氮化镓(eGaN)场效应晶体管选型指南 详情>>>


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