Componentes do Sistema Lidar para Veículos Autônomos

Os sistemas de Lidar desempenharão um papel vital no conjunto completo de sensores que mantêm os carros autônomos cientes das mudanças no ambiente ao redor. Alguns projetistas tendem a focar no radar por suas complexidades óbvias, e uma pesquisa significativa foi realizada em imagens 5D usando sistemas de radar. No entanto, o lidar e outros sistemas de visão também podem fornecer uma visão completa do ambiente ao redor e serão usados juntamente com o radar em veículos mais novos.

Lidar vs. Radar: Qual é o Melhor para Veículos Novos?

Dizer que um desses é melhor que o outro perde o ponto de ter múltiplos sensores em um veículo. Diferentes sensores serão ideais para diferentes aplicações. Radar automotivo é útil para detecção de alvos e medições de velocidade em curto (24 GHz) e longo (76 GHz) alcances. Enquanto isso, os sistemas de lidar usam pulsos de laser infravermelho (atualmente 905 nm, mas podem posteriormente passar para 1500 nm) para criar um mapa do ambiente ao redor. Lasers de onda contínua são usados em lidar coerente para medições de velocidade.

Módulos de radar projetados para aplicações automotivas já podem ser adicionados a um veículo com um ponto de preço mais baixo do que sistemas de lidar. Muitas empresas estão explorando o uso de ambas as tecnologias em conjunto para identificar alvos, criar um mapa do ambiente com alvos marcados e construir imagens desses alvos próximos. Esses dados podem então ser usados com algoritmos de visão computacional para distinguir diferentes objetos.

As seguintes métricas são usadas para avaliar o desempenho de um sistema de lidar:

• Resolução espacial (lateral e longitudinal)
• Resolução temporal
• Alcance de detecção
• Taxa de varredura

Isso torna a fonte de laser (tanto o próprio laser quanto a eletrônica associada) a parte mais crítica para determinar o desempenho. Primeiro, um laser com menor divergência de feixe terá maior resolução lateral. A energia do pulso de saída, divergência e comprimento de onda determinam o alcance de detecção disponível. O jitter de tempo no driver do laser determinará a resolução longitudinal. Finalmente, a taxa de varredura determina a resolução temporal, que é importante para medições de velocidade precisas. Uma discussão maior sobre os lasers envolvidos nesses sistemas merece seu próprio artigo. Aqui, vamos olhar para alguns componentes de exemplo para conduzir seu sistema de mapeamento lidar e receber pulsos de laser refletidos.

Uma olhada no ecossistema de sensores em veículos autônomos

Requisito para Componentes do Sistema Lidar

Os componentes usados para suportar um sistema de lidar, em um nível bastante alto, devem atender aos seguintes requisitos básicos:

• Detecção em tempo real. A eletrônica que opera seu sistema deve processar dados em tempo quase real, similar ao radar usado em sistemas ADAS.
• Alta taxa de repetição de pulsos. Isso é uma função do seu laser e do seu driver. A taxa de varredura precisa estar na faixa de ~MHz para fornecer varredura de 360 graus com alta resolução angular.
• Baixo consumo de energia. Seu driver de laser deve ser capaz de fornecer comutação rápida com a saída de potência desejada com o menor consumo de energia possível.
• Alta sensibilidade do detector. Maior sensibilidade no comprimento de onda desejado permite que seu sistema use um pulso de menor intensidade. Isso ajuda a garantir que seu sistema possa cumprir com os padrões de segurança a laser enquanto fornece um alcance utilizável mais longo (~300 m de alcance é desejado).
• Número de canais. Sistemas lidar mais novos usam 64 canais fonte-detector em um arranjo de fotodiodo de avalanche, arranjo de diodo PIN, ou contador de fótons multi-pixel. Seu sistema precisará interagir com esses canais para coletar pulsos refletidos.

Vamos dar uma olhada em alguns dos componentes fundamentais que você precisará para construir um sistema lidar:

Texas Instruments LM1020

O LM1020 é um transistor GaN que fornece pulsos de laser de ~1 ns com taxa de repetição de até 60 MHz e atraso de propagação de 2,5 a 4,5 ns. O uso de um transistor de alta mobilidade de elétrons GaN fornece um desempenho muito melhor do que um FET de silício em sistemas lidar. A resistência de dreno-fonte deste FET GaN é aproximadamente metade da de um dispositivo de silício equivalente, o que significa que as perdas de condução são aproximadamente 50% menores.

Diagrama de blocos simplificado para acionar um diodo laser em um sistema lidar. Do datasheet do LM1020.

Analog Devices LTC6561

O LTC6561 amplificador de transimpedância de baixo ruído é ideal para multiplexar 4 canais de um arranjo de fotodiodo de avalanche. Note que arranjos de fotodiodos normalmente operam com 64 canais; múltiplos módulos LTC6561 podem ser combinados para interagir com mais canais. Este CI é embalado em um pacote QFN de 4 mm x 4 mm com um pad exposto para gerenciamento térmico e baixa indutância. Este amplificador de transimpedância tem baixo ruído e baixo consumo de energia:

O amplificador apresenta ganho de transimpedância de 74kΩ e faixa de corrente de entrada linear de 30µA. Usando um circuito de entrada APD com uma capacitância total de 2pF, a densidade de ruído de corrente de entrada é de 4.5pA/√Hz a 200MHz. Com menor capacitância, o ruído e a largura de banda melhoram ainda mais. Apenas uma única fonte de 5V é necessária e o dispositivo consome apenas 200mW. [Do datasheet do LTC6561]

Aplicação típica com 4 canais APD. Do datasheet do LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Como um sistema lidar usa medições de tempo de voo para criar um mapa 3D do ambiente ao redor, o conversor de tempo para digital TDC7201ZAXT pode ser usado para medições de distância de 4 cm a vários km sem necessidade de implementação em um processador externo. Isso proporciona conversão de tempo para digital com precisão de picossegundos. Este componente vem em um pacote nFBGA de 25 bolas de 4 mm x 4 mm.

Diagrama de blocos simplificado para conversão de tempo para digital em um sistema lidar. Do datasheet do TDC7201.

Os componentes apresentados aqui são apenas um subconjunto de tudo o que você precisará para um sistema lidar avançado. A Octopart está aqui para dar acesso a uma enorme gama de componentes de sistema lidar para sistemas automotivos. Tente usar nosso guia Seletor de Peças para determinar a melhor opção para o seu próximo produto.

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