Các Thành Phần Hệ Thống Lidar cho Xe Tự Lái

Hệ thống Lidar sẽ đóng một vai trò quan trọng trong toàn bộ bộ cảm biến giúp xe tự lái nhận biết sự thay đổi trong môi trường xung quanh. Một số nhà thiết kế có xu hướng tập trung vào radar vì những phức tạp rõ ràng của nó, và đã có nhiều nghiên cứu về hình ảnh 5D sử dụng hệ thống radar. Tuy nhiên, lidar và các hệ thống nhìn khác cũng có thể cung cấp một cái nhìn toàn diện về môi trường xung quanh và sẽ được sử dụng cùng với radar trong các phương tiện mới.

Lidar so với Radar: Cái nào tốt hơn cho Xe mới?

Nói rằng cái này tốt hơn cái kia là bỏ qua mục đích của việc có nhiều cảm biến trong một phương tiện. Các cảm biến khác nhau sẽ lý tưởng cho các ứng dụng khác nhau. Radar ô tô hữu ích cho việc phát hiện mục tiêu và đo vận tốc ở khoảng cách ngắn (24 GHz) và dài (76 GHz). Trong khi đó, hệ thống lidar sử dụng xung laser hồng ngoại (hiện tại là 905 nm, nhưng sau này có thể chuyển sang 1500 nm) để tạo ra bản đồ của môi trường xung quanh. Laser sóng liên tục được sử dụng trong lidar nhất quán cho việc đo vận tốc.

Các mô-đun radar được thiết kế cho ứng dụng ô tô đã có thể được thêm vào một phương tiện với mức giá thấp hơn so với hệ thống lidar. Nhiều công ty đang khám phá việc sử dụng cả hai công nghệ cùng nhau để xác định mục tiêu, tạo ra bản đồ môi trường với các mục tiêu được gắn thẻ, và xây dựng hình ảnh của các mục tiêu gần đó. Dữ liệu này sau đó có thể được sử dụng với các thuật toán thị giác máy tính để phân biệt các đối tượng khác nhau.

Các chỉ số sau được sử dụng để đánh giá hiệu suất của một hệ thống lidar:

• Độ phân giải không gian (ngang và dọc)
• Độ phân giải thời gian
• Khoảng cách phát hiện
• Tốc độ quét

Điều này làm cho nguồn laser (cả laser và các điện tử liên quan) là phần quan trọng nhất quyết định hiệu suất. Đầu tiên, một laser với độ phân kỳ chùm thấp hơn sẽ có độ phân giải ngang cao hơn. Năng lượng xung đầu ra, độ phân kỳ và bước sóng xác định khoảng cách phát hiện có sẵn. Jitter thời gian trong trình điều khiển laser sẽ xác định độ phân giải dọc. Cuối cùng, tốc độ quét xác định độ phân giải thời gian, điều này quan trọng cho việc đo vận tốc chính xác. Một cuộc thảo luận sâu hơn về các laser liên quan đến các hệ thống này xứng đáng có một bài viết riêng. Tại đây, chúng ta sẽ xem xét một số thành phần ví dụ để điều khiển hệ thống lập bản đồ lidar của bạn và nhận xung laser phản xạ.

Một cái nhìn về hệ sinh thái của cảm biến trong xe tự hành

Yêu cầu đối với Các Thành phần Hệ thống Lidar

Các thành phần được sử dụng để hỗ trợ một hệ thống lidar, ở một mức độ khá cao, nên đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

• Phát hiện thời gian thực. Các thiết bị điện tử điều khiển hệ thống của bạn nên xử lý dữ liệu gần như thời gian thực, tương tự như radar được sử dụng trong hệ thống ADAS.
• Tốc độ lặp lại xung cao. Đây là chức năng của laser và bộ điều khiển của bạn. Tốc độ quét cần ở khoảng ~MHz để cung cấp quét 360 độ với độ phân giải góc cao.
• Tiêu thụ năng lượng thấp. Bộ điều khiển laser của bạn nên cung cấp chuyển mạch nhanh với công suất đầu ra mong muốn với mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất có thể.
• Độ nhạy cao của bộ phát hiện. Độ nhạy cao hơn ở bước sóng mong muốn cho phép hệ thống của bạn sử dụng xung cường độ thấp hơn. Điều này giúp đảm bảo hệ thống của bạn có thể tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn laser trong khi cung cấp phạm vi sử dụng lâu dài (~300 m phạm vi được mong muốn).
• Số kênh. Các hệ thống lidar mới hơn sử dụng 64 kênh nguồn-phát hiện trong một mảng photodiode ảnh lũy (avalanche photodiode array), mảng diode PIN, hoặc bộ đếm photon đa điểm ảnh. Hệ thống của bạn sẽ cần giao tiếp với các kênh này để thu thập xung phản xạ.

Hãy xem xét một số thành phần cơ bản bạn sẽ cần để xây dựng một hệ thống lidar:

Texas Instruments LM1020

LM1020 là một transistor GaN cung cấp xung laser ~1 ns với tốc độ lặp lại lên đến 60 MHz và độ trễ truyền dẫn 2.5 đến 4.5 ns. Việc sử dụng một transistor GaN với khả năng di chuyển electron cao cung cấp hiệu suất tốt hơn nhiều so với một thiết bị FET silicon trong các hệ thống lidar. Điện trở dòng-drain của FET GaN này khoảng một nửa so với một thiết bị silicon tương đương, nghĩa là tổn thất dẫn khoảng 50% thấp hơn.

Sơ đồ khối đơn giản cho việc điều khiển một diode laser trong một hệ thống lidar. Từ tài liệu dữ liệu LM1020.

Analog Devices LTC6561

LTC6561 là một bộ khuếch đại transimpedance ít nhiễu lý tưởng cho việc ghép nối 4 kênh từ một mảng photodiode ảnh lũy. Lưu ý rằng mảng photodiode thường hoạt động với 64 kênh; nhiều mô-đun LTC6561 có thể được kết hợp để giao tiếp với nhiều kênh hơn. IC này được đóng gói trong một gói QFN 4 mm x 4 mm với một pad tiếp xúc nhiệt để quản lý nhiệt và giảm cảm ứng. Bộ khuếch đại transimpedance này có ít nhiễu và tiêu thụ năng lượng thấp:

Bộ khuếch đại có lợi ích transimpedance 74kΩ và phạm vi dòng vào tuyến tính 30µA. Sử dụng mạch đầu vào APD với tổng dung lượng 2pF, mật độ nhiễu dòng vào là 4.5pA/√Hz tại 200MHz. Với dung lượng thấp hơn, nhiễu và băng thông cải thiện hơn nữa. Chỉ cần một nguồn cung cấp đơn 5V và thiết bị tiêu thụ chỉ 200mW. [Từ tài liệu dữ liệu LTC6561]

Ứng dụng tiêu biểu với 4 kênh APD. Từ bảng dữ liệu LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Khi một hệ thống lidar sử dụng phép đo thời gian bay để tạo ra bản đồ 3D của môi trường xung quanh, bộ chuyển đổi thời gian-sang-số TDC7201ZAXT có thể được sử dụng cho việc đo khoảng cách từ 4 cm đến vài km mà không cần triển khai trong một bộ xử lý bên ngoài. Điều này cung cấp chuyển đổi thời gian-sang-số với độ chính xác picosecond. Linh kiện này có kích thước gói 4 mm x 4 mm 25 bóng nFBGA.

Sơ đồ khối đơn giản cho chuyển đổi thời gian-sang-số trong hệ thống lidar. Từ bảng dữ liệu TDC7201.

Các linh kiện được trình bày ở đây chỉ là một phần nhỏ của tất cả những gì bạn sẽ cần cho một hệ thống lidar tiên tiến. Octopart ở đây để cung cấp cho bạn quyền truy cập vào một loạt lớn các linh kiện hệ thống lidar cho hệ thống ô tô. Hãy thử sử dụng hướng dẫn Chọn Phần của chúng tôi để xác định lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm tiếp theo của bạn.

Nếu bạn thấy bài viết này thú vị, hãy chắc chắn cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.