Composants du système Lidar pour véhicules autonomes

Les systèmes Lidar joueront un rôle vital dans l'ensemble des capteurs permettant aux voitures autonomes de se tenir informées des changements dans leur environnement immédiat. Certains concepteurs ont tendance à se concentrer sur le radar pour ses complexités évidentes, et des recherches importantes ont été menées sur l'imagerie 5D utilisant des systèmes radar. Cependant, le lidar et d'autres systèmes de vision peuvent également fournir une vue complète de l'environnement environnant et seront utilisés aux côtés du radar dans les nouveaux véhicules.

Lidar vs Radar : Lequel est le meilleur pour les nouveaux véhicules ?

Dire que l'un de ces systèmes est meilleur que l'autre manque le point d'avoir plusieurs capteurs dans un véhicule. Différents capteurs seront idéaux pour différentes applications. Le radar automobile est utile pour la détection de cibles et les mesures de vitesse à courte (24 GHz) et longue (76 GHz) portées. Pendant ce temps, les systèmes lidar utilisent des impulsions laser infrarouges (actuellement 905 nm, mais pourraient plus tard passer à 1500 nm) pour créer une carte de l'environnement environnant. Des lasers à onde continue sont utilisés dans le lidar cohérent pour les mesures de vitesse.

Les modules radar conçus pour les applications automobiles peuvent déjà être ajoutés à un véhicule à un point de prix inférieur à celui des systèmes lidar. De nombreuses entreprises explorent l'utilisation des deux technologies en concert pour identifier les cibles, créer une carte de l'environnement avec des cibles étiquetées, et construire des images de ces cibles proches. Ces données peuvent ensuite être utilisées avec des algorithmes de vision par ordinateur pour distinguer différents objets.

Les métriques suivantes sont utilisées pour évaluer la performance d'un système lidar :

• Résolution spatiale (latérale et longitudinale)
• Résolution temporelle
• Portée de détection
• Taux de balayage

Cela fait de la source laser (à la fois le laser lui-même et l'électronique associée) la partie la plus critique déterminant la performance. Premièrement, un laser avec une divergence de faisceau plus faible aura une résolution latérale plus élevée. L'énergie de l'impulsion de sortie, la divergence et la longueur d'onde déterminent la portée de détection disponible. Le jitter de synchronisation dans le pilote laser déterminera la résolution longitudinale. Enfin, le taux de balayage détermine la résolution temporelle, qui est importante pour des mesures de vitesse précises. Une discussion plus approfondie sur les lasers impliqués dans ces systèmes mérite son propre article. Ici, nous examinerons quelques composants exemples pour piloter votre système de cartographie lidar et recevoir les impulsions laser réfléchies.

Un regard sur l'écosystème des capteurs dans les véhicules autonomes

Exigence pour les composants du système Lidar

Les composants utilisés pour soutenir un système lidar, à un niveau plutôt élevé, devraient répondre aux exigences de base suivantes :

• Détection en temps réel. Les composants électroniques qui gèrent votre système devraient traiter les données en quasi temps réel, à l'instar du radar utilisé dans les systèmes ADAS.
• Taux de répétition d'impulsions élevé. Cela dépend de votre laser et de votre pilote. Le taux de balayage doit se situer dans la gamme des ~MHz afin de permettre un balayage à 360 degrés avec une haute résolution angulaire.
• Consommation d'énergie faible. Votre pilote de laser devrait être capable de fournir une commutation rapide avec la puissance de sortie désirée tout en ayant la consommation d'énergie la plus basse possible.
• Sensibilité élevée du détecteur. Une sensibilité plus élevée à la longueur d'onde souhaitée permet à votre système d'utiliser une impulsion d'intensité plus faible. Cela aide à garantir que votre système peut se conformer aux normes de sécurité laser tout en offrant une portée utilisable plus longue (~300 m de portée souhaitée).
• Nombre de canaux. Les systèmes lidar plus récents utilisent 64 canaux source-détecteur dans un réseau de photodiodes à avalanche, un réseau de diodes PIN ou un compteur de photons à pixels multiples. Votre système devra interfacer avec ces canaux pour collecter les impulsions réfléchies.

Examinons certains des composants fondamentaux dont vous aurez besoin pour construire un système lidar :

Texas Instruments LM1020

Le LM1020 est un transistor GaN qui fournit des impulsions laser d'environ 1 ns avec un taux de répétition allant jusqu'à 60 MHz et un délai de propagation de 2,5 à 4,5 ns. L'utilisation d'un transistor à haute mobilité électronique GaN offre des performances bien meilleures qu'un FET en silicium dans les systèmes lidar. La résistance drain-source de ce FET GaN est environ la moitié de celle d'un dispositif en silicium équivalent, ce qui signifie que les pertes par conduction sont environ 50 % inférieures.

Schéma de bloc simplifié pour piloter une diode laser dans un système lidar. Tiré de la fiche technique du LM1020.

Analog Devices LTC6561

Le LTC6561 amplificateur transimpédance à faible bruit est idéal pour multiplexer 4 canaux à partir d'un réseau de photodiodes à avalanche. Notez que les réseaux de photodiodes fonctionnent normalement avec 64 canaux ; plusieurs modules LTC6561 peuvent être combinés pour interfacer avec plus de canaux. Ce CI est emballé dans un boîtier QFN de 4 mm x 4 mm avec un pad exposé pour la gestion thermique et une faible inductance. Cet amplificateur transimpédance présente un faible bruit et une faible consommation d'énergie :

L'amplificateur offre un gain de transimpédance de 74kΩ et une plage de courant d'entrée linéaire de 30µA. En utilisant un circuit d'entrée APD avec une capacité totale de 2pF, la densité de bruit de courant d'entrée est de 4.5pA/√Hz à 200MHz. Avec une capacité plus faible, le bruit et la bande passante s'améliorent davantage. Seule une alimentation unique de 5V est nécessaire et le dispositif consomme seulement 200mW. [D'après la fiche technique du LTC6561]

Application typique avec 4 canaux APD. Extrait de la fiche technique du LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Dans un système lidar utilisant des mesures de temps de vol pour créer une carte 3D de l'environnement environnant, le convertisseur temps-numérique TDC7201ZAXT peut être utilisé pour des mesures de distance de 4 cm à plusieurs km sans nécessiter une mise en œuvre dans un processeur externe. Cela permet une conversion temps-numérique avec une précision à la picoseconde. Ce composant est disponible dans un boîtier nFBGA de 4 mm x 4 mm à 25 billes.

Diagramme de bloc simplifié pour la conversion temps-numérique dans un système lidar. Extrait de la fiche technique du TDC7201.

Les composants présentés ici ne représentent qu'une partie de tout ce dont vous aurez besoin pour un système lidar avancé. Octopart est là pour vous donner accès à une vaste gamme de composants de système lidar pour les systèmes automobiles. Essayez d'utiliser notre guide du Sélecteur de Pièces pour déterminer la meilleure option pour votre prochain produit.

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