Komponenty systemu Lidar dla pojazdów autonomicznych

Systemy Lidar będą odgrywać kluczową rolę w całym zestawie czujników, które pozwalają samochodom autonomicznym na świadomość zmian w otaczającym środowisku. Niektórzy projektanci skupiają się na radarze ze względu na jego oczywiste złożoności, a znaczące badania zostały poświęcone obrazowaniu 5D przy użyciu systemów radarowych. Jednakże, lidar oraz inne systemy wizyjne mogą również dostarczać pełny obraz otoczenia i będą używane obok radaru w nowszych pojazdach.

Lidar kontra Radar: Który jest lepszy dla nowych pojazdów?

Mówienie, że jeden z tych systemów jest lepszy od drugiego, mija się z celem posiadania wielu czujników w pojeździe. Różne czujniki będą idealne dla różnych zastosowań. Radar samochodowy jest przydatny do wykrywania celów i pomiarów prędkości na krótkich (24 GHz) i długich (76 GHz) dystansach. Tymczasem systemy lidar używają impulsów laserowych w podczerwieni (obecnie 905 nm, ale mogą później przejść na 1500 nm) do tworzenia mapy otaczającego środowiska. Ciągłe lasery falowe są używane w koherentnym lidarze do pomiarów prędkości.

Moduły radarowe zaprojektowane do zastosowań samochodowych mogą już być dodawane do pojazdu przy niższym punkcie cenowym niż systemy lidar. Wiele firm bada wykorzystanie obu technologii razem, aby identyfikować cele, tworzyć mapę środowiska z oznaczonymi celami i konstruować obrazy tych pobliskich celów. Te dane mogą następnie być używane z algorytmami wizji komputerowej do rozróżniania różnych obiektów.

Następujące metryki są używane do oceny wydajności systemu lidar:

• Rozdzielczość przestrzenna (boczna i podłużna)
• Rozdzielczość czasowa
• Zasięg wykrywania
• Szybkość skanowania

To czyni źródło laserowe (zarówno sam laser, jak i powiązaną elektronikę) najważniejszą częścią decydującą o wydajności. Po pierwsze, laser o mniejszej dywergencji wiązki będzie miał wyższą rozdzielczość boczną. Energia impulsu wyjściowego, dywergencja i długość fali określają dostępny zasięg wykrywania. Drgania czasowe w sterowniku lasera będą określać rozdzielczość podłużną. Wreszcie, szybkość skanowania określa rozdzielczość czasową, która jest ważna dla dokładnych pomiarów prędkości. Szersza dyskusja na temat laserów używanych w tych systemach zasługuje na osobny artykuł. Tutaj przyjrzymy się przykładowym komponentom do napędzania systemu mapowania lidar i odbierania odbitych impulsów laserowych.

Spójrz na ekosystem sensorów w pojazdach autonomicznych

Wymagania dla komponentów systemu Lidar

Komponenty używane do wsparcia systemu Lidar, na dość wysokim poziomie, powinny spełniać następujące podstawowe wymagania:

• Wykrywanie w czasie rzeczywistym. Elektronika sterująca twoim systemem powinna przetwarzać dane niemal w czasie rzeczywistym, podobnie jak radar używany w systemach ADAS.
• Wysoka częstotliwość powtarzania impulsów. Jest to funkcja twojego lasera i sterownika. Szybkość skanowania musi znajdować się w zakresie ~MHz, aby zapewnić skanowanie 360 stopni z wysoką rozdzielczością kątową.
• Niskie zużycie energii. Twój sterownik lasera powinien zapewniać szybkie przełączanie przy pożądanej mocy wyjściowej z możliwie najniższym zużyciem energii.
• Wysoka czułość detektora. Wyższa czułość przy pożądanej długości fali pozwala twojemu systemowi używać impulsów o niższej intensywności. Pomaga to zapewnić zgodność systemu z normami bezpieczeństwa laserowego, jednocześnie zapewniając dłuższy zasięg użytkowy (~300 m zasięgu jest pożądane).
• Numer kanału. Nowe systemy lidarowe używają 64 kanałów źródło-detektor w układzie lawinowych fotodiod, układzie fotodiod PIN lub liczniku fotonów wielopikselowych. Twój system będzie musiał współpracować z tymi kanałami, aby zbierać odbite impulsy.

Spójrzmy na niektóre z podstawowych komponentów, które będziesz potrzebować do zbudowania systemu lidar:

Texas Instruments LM1020

LM1020 to tranzystor GaN, który zapewnia impulsy laserowe ~1 ns z częstotliwością powtarzania do 60 MHz i opóźnieniem propagacji 2,5 do 4,5 ns. Użycie tranzystora GaN o wysokiej mobilności elektronów zapewnia znacznie lepszą wydajność niż krzemowy FET w systemach lidar. Rezystancja dren-źródło tego tranzystora GaN jest około połowy mniejsza niż w przypadku odpowiedniego urządzenia krzemowego, co oznacza, że straty na przewodzeniu są około 50% niższe.

Uproszczony schemat blokowy do sterowania diodą laserową w systemie lidar. Z karty katalogowej LM1020.

Analog Devices LTC6561

LTC6561 niskoszumowy wzmacniacz transimpedancyjny jest idealny do multipleksowania 4 kanałów z układu lawinowych fotodiod. Należy zauważyć, że układy fotodiod zwykle działają z 64 kanałami; kilka modułów LTC6561 może być połączonych, aby współpracować z większą liczbą kanałów. Ten układ scalony jest pakowany w obudowie QFN o wymiarach 4 mm x 4 mm z eksponowaną płytą dla zarządzania termicznego i niskiej indukcyjności. Ten wzmacniacz transimpedancyjny charakteryzuje się niskim szumem i niskim zużyciem energii:

Wzmacniacz oferuje wzmocnienie transimpedancyjne 74kΩ i liniowy zakres prądu wejściowego 30µA. Używając obwodu wejściowego APD o całkowitej pojemności 2pF, gęstość szumu prądu wejściowego wynosi 4.5pA/√Hz przy 200MHz. Przy mniejszej pojemności, szum i pasmo ulegają dalszej poprawie. Wystarczy jedno zasilanie 5V, a urządzenie zużywa tylko 200mW. [Z karty katalogowej LTC6561]

Typowa aplikacja z 4 kanałami APD. Z dokumentacji technicznej LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

W systemie lidar, który używa pomiarów czasu przelotu do tworzenia 3D mapy otoczenia, konwerter czasu na cyfry TDC7201ZAXT może być używany do pomiarów odległości od 4 cm do kilku km bez potrzeby implementacji w zewnętrznym procesorze. Zapewnia to konwersję czasu na cyfry z dokładnością do pikosekund. Ten komponent jest dostępny w obudowie 4 mm x 4 mm 25 ball nFBGA.

Uproszczony schemat blokowy konwersji czasu na cyfry w systemie lidar. Z dokumentacji technicznej TDC7201.

Prezentowane komponenty to tylko część tego, czego potrzebujesz do zaawansowanego systemu lidar. Octopart daje dostęp do ogromnej gamy komponentów systemów lidar dla systemów motoryzacyjnych. Spróbuj użyć naszego przewodnika wyboru części, aby określić najlepszą opcję dla Twojego następnego produktu.

Jeśli ten artykuł Cię zainteresował, koniecznie zapisz się do naszego newslettera, aby być na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.