Como os carros autônomos enxergam

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Está tarde, escuro como breu e um carro autônomo segue por uma estrada estreita. De repente, surgem três perigos ao mesmo tempo. Sem um ser ...

Está tarde, escuro como breu e um carro autônomo segue por uma estrada estreita. De repente, surgem três perigos ao mesmo tempo. Sem um ser humano ao volante, o carro usa olhos inteligentes, sensores que resolverão esses detalhes em uma fração de segundo. Como isso é possível? Sajan Saini explica como o LIDAR e a tecnologia de fotônica integrada tornam os carros autônomos uma realidade.

Está tarde, escuro como breu e um carro autônomo segue por uma estrada estreita no interior. De repente, surgem três perigos ao mesmo tempo.

O que acontece depois?

Antes que possa navegar por esse ataque de obstáculos, o carro tem que detectá-los, colhendo informações suficientes sobre tamanho, forma e posição deles para que seus algoritmos de controle possam traçar o rumo mais seguro. Sem um ser humano ao volante, o carro precisa de olhos inteligentes, sensores que resolverão esses detalhes, não importa o ambiente, o clima ou quanto esteja escuro, tudo em uma fração de segundo.


Essa é uma tarefa difícil, mas há uma solução que alia duas coisas: um tipo especial de sensor a laser chamado LIDAR, e uma versão em miniatura da tecnologia de comunicações que mantém a internet ativa, chamada fotônica integrada.

Para ajudar a entender o LIDAR, começamos com uma tecnologia relacionada: o radar. Na aviação, as antenas de radar lançam pulsações de rádio ou microondas aos aviões para descobrir suas localizações, cronometrando quanto tempo os feixes de luz levam para retornar. Porém, esse é um modo limitado de verificação, pois a grande extensão do feixe não consegue visualizar detalhes precisos. Em contraste, o sistema LIDAR de um carro autônomo, cuja sigla em inglês significa “Light Detection and Ranging”, usa um laser infravermelho estreito e invisível, que pode visualizar aspectos tão pequenos quanto o botão da camisa de um pedestre do outro lado da rua. Mas como determinamos a forma ou a profundidade desses aspectos?

LIDAR dispara uma sucessão de pulsações de laser supercurtas para dar resolução de profundidade. Considere o alce na estrada. Enquanto o carro passa, uma pulsação LIDAR atinge a base dos chifres do alce, enquanto a próxima pulsação pode chegar até a ponta de um chifre antes de voltar. A medição do tempo que a segunda pulsação leva para retornar fornece dados sobre a forma do chifre. Com muitas pulsações curtas, um sistema LIDAR renderiza rapidamente um perfil detalhado.

A maneira mais óbvia de criar uma pulsação de luz é ligar e desligar um laser. Mas isso torna o laser instável e afeta o tempo preciso de suas pulsações, o que limita a resolução da profundidade. É melhor deixá-lo ligado e usar outra coisa para bloquear periodicamente a luz de maneira confiável e rápida.

É aí que entram os fotônicos integrados. Os dados digitais da internet são carregados por pulsações de luz com precisão cronometrada, algumas tão curtas quanto 100 picossegundos. Uma maneira de criar essas pulsações é com um modulador Mach-Zehnder. Esse dispositivo tira proveito de uma determinada propriedade de onda, chamada de interferência. Imagine jogar pedrinhas em um lago: conforme as ondulações se espalham e se sobrepõem, forma-se um padrão. Em alguns lugares, os picos de ondulação somam-se e aumentam muito; em outros, desaparecem totalmente. O modulador Mach-Zehnder faz algo semelhante. Divide ondas de luz ao longo de dois braços paralelos e, por fim, volta a reuni-las. Se a luz for retardada e atrasada em um braço, as ondas se recombinam fora de sincronia e desaparecem, bloqueando a luz. Ao controlar esse atraso em um braço, o modulador age como um interruptor liga/desliga, emitindo pulsações de luz. Uma pulsação de luz com duração de 100 picossegundos leva a uma resolução de profundidade de alguns centímetros, mas os carros do futuro precisarão enxergar melhor do que isso. Ao juntar o modulador com um detector de luz supersensível e de ação rápida, a resolução pode ser aperfeiçoada para um milímetro. Isso é mais do que 100 vezes melhor do que o que conseguimos discernir com visão perfeita, do outro lado da rua.

A primeira geração de automóveis LIDAR conta com conjuntos giratórios complexos que escaneiam a partir do topo ou capota do carro. Com a fotônica integrada, moduladores e detectores estão sendo reduzidos a menos de um décimo de milímetro e acondicionados em minúsculos chips que, um dia, caberão dentro dos faróis de um carro. Esses chips também incluirão uma variação inteligente no modulador para ajudar a eliminar partes móveis e digitalizar em velocidades rápidas.

Ao desacelerar apenas um pouco a luz em um braço do modulador, esse dispositivo adicional atuará mais como regulador de intensidade do que como interruptor liga/desliga. Se um conjunto de muitos desses braços, cada um com um pequeno atraso controlado, for montado em paralelo, algo novo pode ser projetado: um feixe de laser direcionável.

A partir de seu novo posicionamento, esses olhos inteligentes irão investigar e enxergar mais profundamente do que qualquer coisa apresentada pela natureza e ajudar a navegar quaisquer obstáculos. Tudo sem que ninguém se esforce muito, exceto talvez um alce desorientado.

Lição de Sajan Saini, direção de Artrake Studio.
Fonte: TED
[Visto no Brasil Acadêmico]

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