自動運転車のためのライダーシステムコンポーネント

ライダーシステムは、自動運転車が周囲の環境の変化を認識するためのセンサー群全体で重要な役割を果たします。一部の設計者は、その明らかな複雑さからレーダーに焦点を当てがちですが、レーダーシステムを使用した5Dイメージングにはかなりの研究が行われています。しかし、ライダーやその他のビジョンシステムも周囲の環境の全体像を提供することができ、新しい車両ではレーダーと並行して使用されるでしょう。

新しい車両に最適なのはライダーかレーダーか？

これらのうちのどちらかが他方よりも優れていると言うことは、車両に複数のセンサーを搭載する意味を見失うことになります。異なるセンサーは異なる用途に最適です。自動車用レーダーは、短距離（24 GHz）および長距離（76 GHz）での目標検出と速度測定に役立ちます。一方、ライダーシステムは赤外線レーザーパルス（現在は905 nmですが、後に1500 nmに移行するかもしれません）を使用して周囲の環境のマップを作成します。連続波レーザーは、速度測定のためにコヒーレントライダーで使用されます。

自動車用途に設計されたレーダーモジュールは、ライダーシステムよりも低価格で車両に追加できます。多くの企業が、両方の技術を組み合わせて目標を特定し、タグ付けされた目標を持つ環境のマップを作成し、これらの近くの目標の画像を構築することを探求しています。このデータは、異なるオブジェクトを区別するためにコンピュータビジョンアルゴリズムと共に使用できます。

ライダーシステムの性能を評価するために使用される指標は次のとおりです：

• 空間分解能（横方向および縦方向）
• 時間分解能
• 検出範囲
• スキャンレート

これにより、レーザー源（レーザー自体と関連する電子機器）が性能を決定する最も重要な部分となります。まず、ビームの発散が小さいレーザーは、より高い横方向の解像度を持ちます。出力パルスエネルギー、発散、および波長は、利用可能な検出範囲を決定します。レーザードライバーのタイミングジッターが縦方向の解像度を決定します。最後に、スキャンレートは時間分解能を決定し、これは正確な速度測定に重要です。これらのシステムに関わるレーザーについてのさらなる議論は、独自の記事に値します。ここでは、ライダーマッピングシステムを駆動し、反射したレーザーパルスを受信するための例示的なコンポーネントを見ていきます。

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ライダーシステムコンポーネントの要件

ライダーシステムをサポートするために使用されるコンポーネントは、かなり高いレベルで、次の基本的な要件を満たすべきです：

• リアルタイム検出。 システムを動かす電子機器は、ADASシステムで使用されるレーダーのように、ほぼリアルタイムでデータを処理する必要があります。
• 高いパルス繰り返し率。 これは、レーザーとドライバーの機能です。スキャンレートは、高い角度分解能で360度スキャンを提供するために、約MHzの範囲である必要があります。
• 低消費電力。 レーザードライバーは、望ましい出力電力で高速スイッチングを可能にしつつ、可能な限り低い消費電力で提供できる必要があります。
• 高い検出器感度。 望ましい波長での高感度は、システムがより低い強度のパルスを使用できるようにします。これにより、レーザー安全基準を満たしつつ、より長い使用可能範囲（望ましい範囲は約300m）を提供できます。
• チャネル数。 新しいライダーシステムは、雪崩フォトダイオードアレイ、PINダイオードアレイ、またはマルチピクセルフォトンカウンターで64のソース-ディテクターチャネルを使用します。システムは、これらのチャネルとインターフェースして反射パルスを収集する必要があります。

ライダーシステムを構築するために必要な基本的なコンポーネントをいくつか見てみましょう：

Texas Instruments LM1020

LM1020は、最大60MHzの繰り返し率と2.5から4.5nsの伝播遅延で約1nsのレーザーパルスを提供するGaNトランジスタです。GaN高電子移動度トランジスタの使用は、ライダーシステムにおいてシリコンFETよりもはるかに優れた性能を提供します。このGaN FETのドレイン-ソース抵抗は、同等のシリコンデバイスの約半分であり、これは導電損失が約50％低いことを意味します。

ライダーシステムでのレーザーダイオード駆動のための簡略化されたブロック図。LM1020データシートより。

Analog Devices LTC6561

LTC6561低ノイズトランスインピーダンスアンプは、雪崩フォトダイオードアレイから4チャネルを多重化するのに理想的です。フォトダイオードアレイは通常64チャネルで動作しますが、複数のLTC6561モジュールを組み合わせて、より多くのチャネルとインターフェースできます。このICは、熱管理と低インダクタンスのための露出パッドを備えた4mm x 4mm QFNパッケージで提供されます。このトランスインピーダンスアンプは、低ノイズで低消費電力です：

アンプは74kΩのトランスインピーダンスゲインと30µAの線形入力電流範囲を特長としています。合計容量2pFのAPD入力回路を使用すると、入力電流ノイズ密度は200MHzで4.5pA/√Hzです。容量が低いと、ノイズと帯域幅がさらに改善します。単一の5V電源が必要で、デバイスの消費電力はわずか200mWです。[LTC6561データシートより]

4つのAPDチャネルを使用した典型的なアプリケーション。 LTC6561 データシートより。

Texas Instruments TDC7201ZAXT

ライダーシステムが飛行時間測定を使用して周囲の環境の3Dマップを作成する際、TDC7201ZAXT 時間-デジタルコンバーターは、外部プロセッサでの実装を必要とせずに、4cmから数kmの距離測定に使用できます。これにより、ピコ秒の精度で時間-デジタル変換を提供します。このコンポーネントは、4mm x 4mmの25ボールnFBGAパッケージで提供されます。

ライダーシステムでの時間-デジタル変換のための簡略化されたブロック図。TDC7201 データシートより。

ここで紹介されたコンポーネントは、高度なライダーシステムに必要なものの一部に過ぎません。Octopartは、自動車システム用のライダーシステムコンポーネントの幅広い範囲にアクセスするための支援を提供します。パーツセレクターガイドを使用して、次の製品に最適なオプションを決定してみてください。

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