Componentes del sistema Lidar para vehículos autónomos

Los sistemas Lidar desempeñarán un papel vital en el conjunto completo de sensores que mantienen a los coches autónomos conscientes de los cambios en el entorno circundante. Algunos diseñadores tienden a centrarse en el radar por sus complejidades obvias, y se ha investigado significativamente en la imagen 5D utilizando sistemas de radar. Sin embargo, el lidar y otros sistemas de visión también pueden proporcionar una vista completa del entorno circundante y se utilizarán junto con el radar en vehículos más nuevos.

Lidar vs. Radar: ¿Cuál es mejor para vehículos nuevos?

Decir que uno de estos es mejor que el otro no capta la esencia de tener múltiples sensores en un vehículo. Diferentes sensores serán ideales para diferentes aplicaciones. El radar automotriz es útil para la detección de objetivos y mediciones de velocidad a corto (24 GHz) y largo (76 GHz) alcance. Mientras tanto, los sistemas lidar utilizan pulsos láser infrarrojos (actualmente 905 nm, pero podrían pasar a 1500 nm) para crear un mapa del entorno circundante. Los láseres de onda continua se utilizan en lidar coherente para mediciones de velocidad.

Los módulos de radar diseñados para aplicaciones automotrices ya pueden agregarse a un vehículo con un punto de precio más bajo que los sistemas lidar. Muchas empresas están explorando el uso de ambas tecnologías en conjunto para identificar objetivos, crear un mapa del entorno con objetivos etiquetados y construir imágenes de estos objetivos cercanos. Estos datos pueden utilizarse luego con algoritmos de visión por computadora para distinguir diferentes objetos.

Las siguientes métricas se utilizan para evaluar el rendimiento de un sistema lidar:

• Resolución espacial (lateral y longitudinal)
• Resolución temporal
• Rango de detección
• Tasa de escaneo

Esto hace que la fuente láser (tanto el láser en sí como la electrónica asociada) sea la parte más crítica que determina el rendimiento. Primero, un láser con menor divergencia de haz tendrá una mayor resolución lateral. La energía del pulso de salida, la divergencia y la longitud de onda determinan el rango de detección disponible. El jitter de tiempo en el controlador del láser determinará la resolución longitudinal. Finalmente, la tasa de escaneo determina la resolución temporal, que es importante para mediciones de velocidad precisas. Una mayor discusión sobre los láseres involucrados en estos sistemas merece su propio artículo. Aquí, veremos algunos componentes de ejemplo para impulsar su sistema de mapeo lidar y recibir pulsos láser reflejados.

Un vistazo al ecosistema de sensores en vehículos autónomos

Requisito para componentes del sistema Lidar

Los componentes utilizados para apoyar un sistema lidar, a un nivel bastante alto, deben cumplir con los siguientes requisitos básicos:

• Detección en tiempo real. La electrónica que opera su sistema debería procesar datos en tiempo casi real, similar al radar utilizado en los sistemas ADAS.
• Alta tasa de repetición de pulsos. Esto es una función de su láser y su controlador. La tasa de escaneo necesita estar en el rango de ~MHz para proporcionar un escaneo de 360 grados con alta resolución angular.
• Bajo consumo de energía. Su controlador de láser debería ser capaz de proporcionar conmutación rápida con la salida de potencia deseada con el menor consumo de energía posible.
• Alta sensibilidad del detector. Una mayor sensibilidad en la longitud de onda deseada permite que su sistema use un pulso de menor intensidad. Esto ayuda a asegurar que su sistema pueda cumplir con las normas de seguridad láser mientras proporciona un rango de uso más largo (~300 m de rango es deseado).
• Número de canales. Los sistemas lidar más nuevos utilizan 64 canales fuente-detector en un arreglo de fotodiodo de avalancha, arreglo de diodo PIN, o contador de fotones de múltiples píxeles. Su sistema necesitará interfaz con estos canales para recoger los pulsos reflejados.

Vamos a echar un vistazo a algunos de los componentes fundamentales que necesitará para construir un sistema lidar:

Texas Instruments LM1020

El LM1020 es un transistor GaN que proporciona pulsos láser de ~1 ns con una tasa de repetición de hasta 60 MHz y un retraso de propagación de 2.5 a 4.5 ns. El uso de un transistor de alta movilidad de electrones GaN proporciona un rendimiento mucho mejor que un FET de silicio en sistemas lidar. La resistencia de drenaje-fuente de este FET GaN es aproximadamente la mitad que la de un dispositivo de silicio equivalente, lo que significa que las pérdidas por conducción son aproximadamente 50% menores.

Diagrama de bloques simplificado para conducir un diodo láser en un sistema lidar. Del datasheet del LM1020.

Analog Devices LTC6561

El LTC6561 amplificador de transimpedancia de bajo ruido es ideal para multiplexar 4 canales de un arreglo de fotodiodo de avalancha. Note que los arreglos de fotodiodos normalmente operan con 64 canales; múltiples módulos LTC6561 pueden combinarse para interfaz con más canales. Este CI está empaquetado en un paquete QFN de 4 mm x 4 mm con una almohadilla expuesta para la gestión térmica y baja inductancia. Este amplificador de transimpedancia tiene bajo ruido y bajo consumo de energía:

El amplificador presenta una ganancia de transimpedancia de 74kΩ y un rango de corriente de entrada lineal de 30µA. Usando un circuito de entrada APD con una capacitancia total de 2pF, la densidad de ruido de corriente de entrada es de 4.5pA/√Hz a 200MHz. Con menor capacitancia, el ruido y el ancho de banda mejoran aún más. Solo se necesita una fuente única de 5V y el dispositivo consume solo 200mW. [Del datasheet del LTC6561]

Aplicación típica con 4 canales APD. Del datasheet de LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Como un sistema lidar utiliza mediciones de tiempo de vuelo para crear un mapa 3D del entorno circundante, el convertidor de tiempo a digital TDC7201ZAXT puede ser utilizado para mediciones de distancia de 4 cm a varios km sin requerir implementación en un procesador externo. Esto proporciona conversión de tiempo a digital con precisión de picosegundos. Este componente viene en un paquete de 4 mm x 4 mm 25 bolas nFBGA.

Diagrama de bloques simplificado para la conversión de tiempo a digital en un sistema lidar. Del datasheet de TDC7201.

Los componentes presentados aquí son solo un subconjunto de todo lo que necesitarás para un sistema lidar avanzado. Octopart está aquí para darte acceso a una amplia gama de componentes de sistemas lidar para sistemas automotrices. Intenta usar nuestra guía de Selector de Partes para determinar la mejor opción para tu próximo producto.

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