Componenti del sistema Lidar per veicoli autonomi

I sistemi Lidar giocheranno un ruolo vitale nell'intero insieme di sensori che mantengono le auto a guida autonoma consapevoli dei cambiamenti nell'ambiente circostante. Alcuni progettisti tendono a concentrarsi sul radar per le sue evidenti complessità, e significative ricerche sono state condotte sull'imaging 5D utilizzando sistemi radar. Tuttavia, i lidar e altri sistemi di visione possono anche fornire una visione completa dell'ambiente circostante e verranno utilizzati insieme al radar nei veicoli più recenti.

Lidar vs. Radar: Quale è il Migliore per i Nuovi Veicoli?

Dire che uno di questi è migliore dell'altro non coglie il punto dell'avere più sensori in un veicolo. Diversi sensori saranno ideali per diverse applicazioni. Il radar automobilistico è utile per la rilevazione di obiettivi e misurazioni della velocità a corto (24 GHz) e lungo (76 GHz) raggio. Nel frattempo, i sistemi lidar utilizzano impulsi laser infrarossi (attualmente 905 nm, ma potrebbero in seguito passare a 1500 nm) per creare una mappa dell'ambiente circostante. Laser a onda continua sono utilizzati nel lidar coerente per le misurazioni della velocità.

I moduli radar progettati per applicazioni automobilistiche possono già essere aggiunti a un veicolo con un punto di prezzo inferiore rispetto ai sistemi lidar. Molte aziende stanno esplorando l'uso di entrambe le tecnologie in concerto per identificare obiettivi, creare una mappa dell'ambiente con obiettivi etichettati e costruire immagini di questi obiettivi vicini. Questi dati possono poi essere utilizzati con algoritmi di visione artificiale per distinguere diversi oggetti.

I seguenti parametri sono utilizzati per valutare le prestazioni di un sistema lidar:

• Risoluzione spaziale (laterale e longitudinale)
• Risoluzione temporale
• Portata di rilevazione
• Velocità di scansione

Questo rende la sorgente laser (sia il laser stesso che l'elettronica associata) la parte più critica che determina le prestazioni. Prima di tutto, un laser con minore divergenza del fascio avrà una maggiore risoluzione laterale. L'energia dell'impulso in uscita, la divergenza e la lunghezza d'onda determinano la portata di rilevazione disponibile. Il jitter temporale nel driver del laser determinerà la risoluzione longitudinale. Infine, la velocità di scansione determina la risoluzione temporale, che è importante per misurazioni accurate della velocità. Una discussione più approfondita sui laser coinvolti in questi sistemi merita un articolo a parte. Qui, esamineremo alcuni componenti esemplificativi per guidare il vostro sistema di mappatura lidar e ricevere impulsi laser riflessi.

Uno sguardo all'ecosistema di sensori nei veicoli autonomi

Requisiti per i Componenti del Sistema Lidar

I componenti utilizzati per supportare un sistema lidar, a un livello piuttosto alto, dovrebbero soddisfare i seguenti requisiti di base:

• Rilevamento in tempo reale. L'elettronica che gestisce il tuo sistema dovrebbe elaborare i dati quasi in tempo reale, similmente al radar utilizzato nei sistemi ADAS.
• Alta frequenza di ripetizione degli impulsi. Questa è una funzione del tuo laser e del tuo driver. La velocità di scansione deve essere nell'ordine dei ~MHz per fornire una scansione a 360 gradi con alta risoluzione angolare.
• Basso consumo energetico. Il tuo driver laser dovrebbe essere in grado di fornire una commutazione rapida con l'uscita di potenza desiderata con il minor consumo di energia possibile.
• Alta sensibilità del rilevatore. Una maggiore sensibilità alla lunghezza d'onda desiderata consente al tuo sistema di utilizzare un impulso di intensità inferiore. Questo aiuta a garantire che il tuo sistema possa rispettare gli standard di sicurezza laser fornendo al contempo un raggio d'uso più lungo (~300 m di raggio è desiderato).
• Numero di canali. I sistemi lidar più recenti utilizzano 64 canali sorgente-rilevatore in un array di fotodiodi a valanga, array di diodi PIN o contatore di fotoni multi-pixel. Il tuo sistema dovrà interfacciarsi con questi canali per raccogliere gli impulsi riflessi.

Diamo un'occhiata ad alcuni dei componenti fondamentali di cui avrai bisogno per costruire un sistema lidar:

Texas Instruments LM1020

Il LM1020 è un transistor GaN che fornisce impulsi laser di ~1 ns con una frequenza di ripetizione fino a 60 MHz e un ritardo di propagazione di 2,5 a 4,5 ns. L'uso di un transistor GaN ad alta mobilità elettronica offre prestazioni molto migliori rispetto a un FET al silicio nei sistemi lidar. La resistenza drain-source di questo FET GaN è circa la metà di quella di un dispositivo al silicio equivalente, il che significa che le perdite di conduzione sono circa il 50% inferiori.

Diagramma a blocchi semplificato per pilotare un diodo laser in un sistema lidar. Dal datasheet dell'LM1020.

Analog Devices LTC6561

Il LTC6561 amplificatore a transimpedenza a basso rumore è ideale per il multiplexing di 4 canali da un array di fotodiodi a valanga. Si noti che normalmente gli array di fotodiodi operano con 64 canali; più moduli LTC6561 possono essere combinati per interfacciarsi con più canali. Questo IC è confezionato in un pacchetto QFN di 4 mm x 4 mm con un pad esposto per la gestione termica e bassa induttanza. Questo amplificatore a transimpedenza ha basso rumore e basso consumo energetico:

L'amplificatore presenta un guadagno di transimpedenza di 74kΩ e un intervallo di corrente di ingresso lineare di 30µA. Utilizzando un circuito di ingresso APD con una capacità totale di 2pF, la densità di rumore della corrente di ingresso è di 4.5pA/√Hz a 200MHz. Con una capacità inferiore, il rumore e la larghezza di banda migliorano ulteriormente. È necessaria solo un'alimentazione singola da 5V e il dispositivo consuma solo 200mW. [Dal datasheet del LTC6561]

Applicazione tipica con 4 canali APD. Dal datasheet LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

In quanto un sistema lidar utilizza misurazioni time-of-flight per creare una mappa 3D dell'ambiente circostante, il convertitore tempo-digitale TDC7201ZAXT può essere utilizzato per misurazioni di distanza da 4 cm a diversi km senza richiedere l'implementazione in un processore esterno. Questo fornisce una conversione tempo-digitale con accuratezza al picosecondo. Questo componente è disponibile in un pacchetto nFBGA da 4 mm x 4 mm con 25 palline.

Diagramma a blocchi semplificato per la conversione tempo-digitale in un sistema lidar. Dal datasheet TDC7201.

I componenti presentati qui sono solo una parte di tutto ciò che ti servirà per un sistema lidar avanzato. Octopart è qui per darti accesso a una vasta gamma di componenti per sistemi lidar per sistemi automobilistici. Prova a utilizzare la nostra guida al Selettore di Parti per determinare la migliore opzione per il tuo prossimo prodotto.

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