Komponenten von Lidar-Systemen für autonome Fahrzeuge

Lidar-Systeme werden eine entscheidende Rolle im gesamten Sensorik-Set spielen, das selbstfahrende Autos über Veränderungen in ihrer Umgebung informiert. Einige Designer konzentrieren sich aufgrund der offensichtlichen Komplexitäten auf Radar, und es wurde erhebliche Forschung in die 5D-Bildgebung mit Radarsystemen investiert. Jedoch können Lidar und andere Visionssysteme ebenfalls eine vollständige Ansicht der Umgebung liefern und werden zusammen mit Radar in neueren Fahrzeugen verwendet.

Lidar vs. Radar: Was ist besser für neue Fahrzeuge?

Zu sagen, dass eines dieser Systeme besser als das andere ist, verfehlt den Sinn, mehrere Sensoren in einem Fahrzeug zu haben. Verschiedene Sensoren werden für unterschiedliche Anwendungen ideal sein. Automobilradar ist nützlich für die Zielentdeckung und Geschwindigkeitsmessungen auf kurzen (24 GHz) und langen (76 GHz) Distanzen. In der Zwischenzeit verwenden Lidar-Systeme Infrarot-Laserpulse (aktuell 905 nm, könnten aber später auf 1500 nm umsteigen), um eine Karte der Umgebung zu erstellen. Kontinuierliche Laser werden in kohärentem Lidar für Geschwindigkeitsmessungen verwendet.

Radar-Module, die für Automobilanwendungen konzipiert sind, können bereits zu einem niedrigeren Preis als Lidar-Systeme in ein Fahrzeug integriert werden. Viele Unternehmen erforschen die Verwendung beider Technologien in Kombination, um Ziele zu identifizieren, eine Karte der Umgebung mit markierten Zielen zu erstellen und Bilder dieser nahen Ziele zu konstruieren. Diese Daten können dann mit Computer-Vision-Algorithmen verwendet werden, um verschiedene Objekte zu unterscheiden.

Die folgenden Metriken werden verwendet, um die Leistung eines Lidar-Systems zu bewerten:

• Räumliche Auflösung (seitlich und längs)
• Zeitliche Auflösung
• Erkennungsbereich
• Scanrate

Dies macht die Laserquelle (sowohl der Laser selbst als auch die zugehörige Elektronik) zum kritischsten Teil, der die Leistung bestimmt. Zuerst wird ein Laser mit geringerer Strahldivergenz eine höhere seitliche Auflösung haben. Die Ausgangspulsenergie, Divergenz und Wellenlänge bestimmen den verfügbaren Erkennungsbereich. Timing-Jitter im Laser-Treiber wird die Längsauflösung bestimmen. Schließlich bestimmt die Scanrate die zeitliche Auflösung, die für genaue Geschwindigkeitsmessungen wichtig ist. Eine größere Diskussion über die in diesen Systemen verwendeten Laser verdient einen eigenen Artikel. Hier werden wir uns einige Beispielkomponenten für den Betrieb Ihres Lidar-Mapping-Systems und den Empfang reflektierter Laserpulse ansehen.

Ein Blick auf das Ökosystem der Sensoren in autonomen Fahrzeugen

Anforderungen an Komponenten für Lidar-Systeme

Die Komponenten, die ein Lidar-System unterstützen, sollten auf einer eher hohen Ebene die folgenden grundlegenden Anforderungen erfüllen:

• Echtzeiterkennung. Die Elektronik, die Ihr System betreibt, sollte Daten nahezu in Echtzeit verarbeiten, ähnlich wie das Radar in ADAS-Systemen.
• Hohe Pulsrepetitionsrate. Dies ist eine Funktion Ihres Lasers und Ihres Treibers. Die Scanrate muss im ~MHz-Bereich liegen, um eine 360-Grad-Abtastung mit hoher Winkelauflösung zu ermöglichen.
• Niedriger Energieverbrauch. Ihr Laser-Treiber sollte in der Lage sein, schnelles Schalten mit der gewünschten Leistungsausgabe bei möglichst geringem Energieverbrauch zu bieten.
• Hohe Detektorempfindlichkeit. Eine höhere Empfindlichkeit bei der gewünschten Wellenlänge ermöglicht es Ihrem System, einen Puls niedrigerer Intensität zu verwenden. Dies hilft sicherzustellen, dass Ihr System den Lasersicherheitsstandards entsprechen kann und gleichzeitig einen längeren nutzbaren Bereich bietet (~300 m Reichweite ist erwünscht).
• Kanalanzahl. Neuere Lidar-Systeme verwenden 64 Quellen-Detektor-Kanäle in einem Lawinenfotodioden-Array, PIN-Dioden-Array oder Multi-Pixel-Photonenzähler. Ihr System muss mit diesen Kanälen interagieren, um reflektierte Pulse zu sammeln.

Lassen Sie uns einige der grundlegenden Komponenten betrachten, die Sie benötigen, um ein Lidar-System zu bauen:

Texas Instruments LM1020

Der LM1020 ist ein GaN-Transistor, der ~1 ns Laserpulse mit bis zu 60 MHz Wiederholrate und 2,5 bis 4,5 ns Ausbreitungsverzögerung liefert. Die Verwendung eines GaN-Hoch-Elektronenmobilitätstransistors bietet eine viel bessere Leistung als ein Silizium-FET in Lidar-Systemen. Der Drain-Source-Widerstand dieses GaN-FET ist etwa halb so hoch wie der eines entsprechenden Siliziumgeräts, was bedeutet, dass die Leitungsverluste etwa 50 % niedriger sind.

Vereinfachtes Blockdiagramm für das Ansteuern einer Laserdiode in einem Lidar-System. Aus dem LM1020-Datenblatt.

Analog Devices LTC6561

Der LTC6561 Rauscharme Transimpedanzverstärker ist ideal für das Multiplexen von 4 Kanälen aus einem Lawinenfotodioden-Array. Beachten Sie, dass Fotodioden-Arrays normalerweise mit 64 Kanälen arbeiten; mehrere LTC6561-Module können kombiniert werden, um mit mehr Kanälen zu interagieren. Dieser IC ist in einem 4 mm x 4 mm großen QFN-Gehäuse mit einem freiliegenden Pad für das thermische Management und niedrige Induktivität verpackt. Dieser Transimpedanzverstärker hat ein geringes Rauschen und einen niedrigen Energieverbrauch:

Der Verstärker bietet eine Transimpedanzverstärkung von 74kΩ und einen linearen Eingangsstrombereich von 30µA. Mit einem APD-Eingangskreis mit einer Gesamtkapazität von 2pF liegt die Eingangsstromrauschdichte bei 4,5pA/√Hz bei 200MHz. Mit niedrigerer Kapazität verbessern sich Rauschen und Bandbreite weiter. Es wird nur eine 5V-Einzelspeisung benötigt und das Gerät verbraucht nur 200mW. [Aus dem LTC6561-Datenblatt]

Typische Anwendung mit 4 APD-Kanälen. Aus dem LTC6561 Datenblatt.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Da ein Lidar-System Zeitflugmessungen verwendet, um eine 3D-Karte der Umgebung zu erstellen, kann der TDC7201ZAXT Zeit-zu-Digital-Wandler für Entfernungsmessungen von 4 cm bis zu mehreren km verwendet werden, ohne dass eine Implementierung in einem externen Prozessor erforderlich ist. Dies ermöglicht eine Zeit-zu-Digital-Umwandlung mit Pikosekunden-Genauigkeit. Dieses Bauteil kommt in einem 4 mm x 4 mm großen 25-Ball-nFBGA-Gehäuse.

Vereinfachtes Blockdiagramm für die Zeit-zu-Digital-Umwandlung in einem Lidar-System. Aus dem TDC7201 Datenblatt.

Die hier vorgestellten Komponenten sind nur ein Teil dessen, was Sie für ein fortschrittliches Lidar-System benötigen. Octopart bietet Ihnen Zugang zu einer riesigen Auswahl an Komponenten für Lidar-Systeme in Automobilanwendungen. Versuchen Sie, unseren Part Selector Guide zu verwenden, um die beste Option für Ihr nächstes Produkt zu bestimmen.

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