汽车激光雷达技术的战斗

激光雷达可能会被添加到列表的传感器,未来汽车将使用帮助导航和安全,但最有可能不会大旋转镜装配在车辆。新的固态雷达技术正在研发,尽管尚不清楚哪一个会赢。

“激光雷达技术的好处是众所周知的,可追溯到2005年DARPA挑战赛,”Jon Lauckner说,前通用汽车(General Motors)首席技术官,在最近的一次演讲。“但激光雷达传感器还没有被部署在大批量生产应用程序。”

几种不同的固态激光雷达的方法。照亮目标场景对大多数人来说很重要,但是有不同的方法——微机械和电子。和不同的候选人都有不同的优势,提高问题是否未来的汽车将激光雷达技术的结合。

激光雷达在汽车的出现是有多个冗余技术的总体趋势为安全目的。摄像机和雷达已经在船上,但是他们有他们的弱点。雷达不给多的特异性,相机很难与弱光或眩光。激光雷达精度提供了许多其他具有挑战性的情况,所以它补充了别人。

还有可能是一个问题对于一些是否有激光雷达在汽车交易完成。”还有空间激光雷达发挥关键作用,或者是激光雷达安全冗余备份计划?”Ted问蔡、产品营销总监Tensilica IP组节奏。

但也有人相信,至少在最先进的车辆,激光雷达将起到一定的作用。“当你得到自治三级及以上,这是一个绝对必须,“说,大陆集团的贡纳Juergens表示。

挑战是成本的一部分。目前激光雷达是一个昂贵的选择,大力推动是找到更划算的东西。“现任技术是复杂的,”Lauckner说。“这是笨重而且非常昂贵,用几千美元的成本。”

这是一个汽车不可能成功。“oem我们说要激光雷达单元子500美元,”普拉文·文卡特斯说,在调速发电机ASIC设计的高级主管。显示一个巨大的挑战。

“压低成本,适应计算算法,发展和环境的变化是激光雷达需要经历的旅程,”蔡美儿说。

电气和计算机工程教授Amr Helmy,多伦多大学的预见异构包装,结合光子和电子集成电路基于磷化铟,硅在需要的地方,其他地方。“[价格]数百人,唯一的方法就是异构集成,”他说,在最近的一次演讲。

另一个问题是美学。当前实现包括一个旋转屋顶冰球,对于某些应用程序。“robotaxi市场,人们不太关心(美学),“文卡特斯补充道。“如果你谈论消费者车辆,这就是固态激光雷达成为新产品,在那里他们可以集成到烤架,挡风玻璃,进入。”

最后,无论最终解决方案(s),他们必须长期商业健壮。“有多种类型的扫描仪,可以手动去构建,“文卡特斯说。“但可靠的是所有机械扫描仪,可以通过时间的考验。”

也就是说,也有人认为只有固态解决方案可以满足汽车的严酷环境。“你想要什么组件,汽车市场的规模与容量要求,仍然能够满足汽车振动,冲击和温度要求,”乔丹格林说,公司发展的副总裁AEYE,在最近的一次演讲。“固体是一个先决条件实现这些事情。”

然而,并非所有激光雷达是相似的。有很多选择,包括选择波长,计算距离的方法,照亮了目标区域的方法。

安全第一
激光雷达系统使用的波长的光落在红外区,肉眼看不见。然而,事实证明,仅仅因为我们可能无法看到图像并不意味着它没有影响我们的眼睛。

任何光线聚焦于视网膜可以做损害如果太强烈了。我们的眼睛是通过瞬目反射装备来处理这个问题。如果我们看到光线太强烈,那么我们自然闭上我们的眼睛来保护视网膜。

“如果有人照红绿色激光笔进入你的眼睛,你看,你眨眼,你试着把它弄出来,”格林解释说。”900年,肉眼看不见,所以这可能是非常危险的,如果滥用。”

创建一个问题与流行的905 nm激光。它是无形的,尽管它仍然可以聚焦于视网膜上。其隐形意味着瞬目反射不发挥作用,这有可能成为一个不安全的波长。1550 nm激光雷达也看不见,但它“…不会过去的液体在你的眼睛前面,所以它不会聚焦在视网膜上,”格林说。

下面的一些技术可以使用多个频率,所以它不是完全固定的。但更长的波长,或较低的频率,将激光光束的范围为所有行人安全,以及那些将会接触到大量的激光光沿道路。

1550海里,然而,需要更多的异国情调的材料,虽然905 nm设备可以在硅——至少检测部分,因为硅不能在任何波长的激光源。使905 nm范围更便宜。

调速发电机指向其他一些缺点在一个1550纳米博客。公司指出问题与水、雨、雾、雪,除了成本。至于安全,公司并没有真正解决如何实现905海里,但它指出,“如果传感器被设计成满足眼睛的安全标准,这两个波长可以安全使用。所有的调速发电机激光雷达传感器在905 nm一级经营,这是最安全的水平。”

计算距离
第一个考虑激光雷达是如何测量的距离。玩三个基本方法:

• 飞行时间
• 调频连续波
• 扫描的场景

飞行时间
最明显的方式来检测对象的距离(正式称为“范围”)是测量光往返需要多长时间从激光雷达激光光电探测器。这被称为飞行时间(ToF)。激光雷达脉冲调制有助于提取从所有其他的环境光反射的光,可能在同一时间收到。

直接ToF只是开始很快计数器检测返回信号到达时。但这些时间非常短——皮秒范围,所以很难在硅最好这样做。

图1:与激光飞行时间发送一个调制脉冲反射(或后向散射)的时间来确定距离。如果需要能力做非常好的时间测量直接完成的。可以使用间接相比较。来源:Imec [1]

相反,它可以测量阶段的返回信号与原始信号。出一段距离——直到你超越360度的相移。此时,距离是模棱两可的,因为你会看到一个类似的相移在每个波长的倍数。

这种方法被称为间接飞行时间(iToF),它包括一个固定射频调制连续波的频率。

“激光雷达生产商通常不使用直接的飞行时间,因为你需要高速元件部分,“说Srinath Kalluri, Oyla的首席执行官。“相反,他们使用间接飞行时间,测量准连续低速光束,但是现在你测量阶段的差异。在最简单的形式中,iToF AMCW——一个调幅连续波”。

有不同的方法处理歧义的距离,其中一个是使用多个频率。这意味着歧义只发生频率有共同的多,而且可以控制基于频率选择。

调频连续波(FMCW)
这个想法的一个变种调节信号的频率而不是振幅。相位和频率信息反映给距离没有一个模棱两可的范围。这是FMCW。此外,你可以得到物体的速度。

“FMCW提供速度,适合远程汽车应用,“Kalluri说。“你永远不会使用它的客舱。”

FMCW的一个关键方面,然而,是频率并不在射频范围内。他们在光学范围内。这使得生成和检测复杂得多,需要更多的异国情调的磷化铟等材料,和更复杂的电路。虽然是个很有前途的技术,目前它是更大、更昂贵的选择,这意味着它将使用只在其他技术无法使用。

“整个硬件的复杂性和成本链FMCW显著更大——你需要昂贵的材料,昂贵的单纵模激光器和新颖,复杂的连贯的光子探测器,高速,高精度电子产品和处理,”警告Kalluri。“作为回报,FMCW给你一个直接测量的径向速度就像多普勒雷达。它还推动极端边缘可以做什么在半导体技术和制造可靠。”

另一个选项替换一个扫描激光束与多个光束在不同波长生成的。“有些人看着comb-based FMCW激光雷达,”弗兰克·史密斯说,公司的共同创始人兼首席技术官飞行员光子学。席卷激光”而不是在你需要的范围,所有这些波长的同时,他们不得不在一个较短的扫描范围。所以你增加你的帧速率和像素计数。”

图2:FMCW与调制频率连续波的反射可以提供距离和速度信息。来源:Imec [1]

根据调速发电机,FMCW承诺,但三到四年的时间准备商业部署。“FMCW满足范围和分辨率的要求,但这并不符合权力或成本约束,“文卡特斯说。这只是故事的一部分。“还有基础设施——很多定制电路需要开发实现规模。”

但FMCW有它的信徒。“光子集成的关键技术是推动大量的成本,”史密斯说。“它可以降到几百美元的价格点,它需要在汽车激光雷达为了变得无处不在。”

iToF和FMCW出现在某些方面相似,但也有一些重要的差异。两者之间的“关键概念上的差别在于,首先,零差发生在光学频率(FMCW -太赫兹),而对于其他发生在射频频率(iTOF - MHz),“Kalluri解释道。

图3:ToF的比较,FMCW、iToF (AMCW)激光雷达探测方法。来源:Oyla

扫描现场
给定一个方法来测量距离,下一个挑战是衡量不仅仅是一个点,而是一个完整的领域。有几种方法,差异是什么定义的一些技术。

最明显的方法是使用一个镜子。让今天的屋顶激光雷达扫描周围360度。但汽车原始设备制造商正在寻找埋藏在各种汽车表面激光雷达传感器充裕所以他们成为几乎不可见,类似于今天完成摄像机和雷达。

在考虑成本时,重要的是要意识到屋顶上的替代品——因为它们不是原点的观点——倍数需要汽车。经济工作只有在所有的激光雷达单元合并成本小于单一屋顶冰球。

小单元的重量也预计不到的屋顶的版本,但这意味着多个激光雷达单元的总重量加上他们的连接电缆应小于单一机械的版本。

实现这种功能的一种方法是使用MEMS镜子。虽然不能照亮的范围大旋转镜今天,它仍然可以快速驱动扫描领域的兴趣,就像一个古老的阴极射线管光束扫描屏幕。

另一种方法是flash激光雷达,它避免了扫描,而是照亮整个场景和一个大型的激光脉冲,而不是指导小。一组探测器是用来测量背散射光和允许的距离测量。

因为这种方法涉及到没有扫描,更快的获取一个完整的场景。但它需要更高的激光功率足够远有足够的背散射光进行准确的检测,电池驱动的汽车。这是一个问题此外,任何直接反射镜可以压倒探测器阵列,有效致盲系统反射镜等,只要留在现场。

光学相位阵列(OPA)
光学相位阵列使用波束形成,而不是镜扫描现场。删除一个机械元素可能受到冲击和振动的影响。这里,阶段差异是用来扫描光束在二维场景。

图4:光学相位阵列提供发送激光波束形成在一个特定的方向,这样目标场景可以扫描。来源:Imec [1]

虽然OPA已被证明,调速发电机表示,目前可怜的收益率,因此成本高。进一步的工作将是必要的,如果这是成为一个大容量的产品。

此外,它可能没有必要的性能。“爷爷有大量散射,所以它不满足汽车的最终决议目标,“文卡特斯说。

一种大小可能不适合所有人
而显而易见的问题似乎是这些技术将会成为赢家,可能有不止一个。前瞻性的激光雷达必须能够处理高速长距离。速度越快,越远激光雷达必须能够看到。

汽车的侧面或背面,然而,激光雷达不会寻找障碍的路径运动,所以他们不需要相同的权力。不同的技术和不同的平衡特性可能是有用的。总体而言,该决议必须足够的同时最小化成本和权力,权力,和体重。

激光雷达与摄像机将分享的另一个挑战是保持光阑清洁,这样激光信号(s)出去通畅,可以准确地检测到。这不是今天的备份相机一样,例如。这些代表备份可选的额外的帮助,如果他们脏,要么你不依靠他们要么停下来,出去,和清洁。

不工作如果自治激光雷达和摄像机技术是至关重要的,所以可能需要一个自动化的清洗方式。“如果系统检测覆盖前面的东西,它可以提醒司机,司机可以清理,”蔡美儿指出。”或[可能]使用雨刷之类的。”

威拉德涂、高级主管、汽车赛灵思公司认为,“司机”的违约责任,建议几方面的处理。“你想要用空气或水破裂,”他说。“Waymo雨刷系统的激光雷达。最后,我希望客户将负责清洗他们以同样的方式我们清洁一个后置摄像头。该系统将提供一个警告,传感器的功能被禁用,直到清洗。”

它也可能有助于把相机(s)和激光雷达在不同的位置。“冗余进场的时候,也许你的自主驾驶车辆并不是完全瘫痪,”蔡美儿补充道。“雷达传感器总是能感觉不管泥,和希望相机和激光雷达并不是在同一个地方。如果泥浆溅在一个区域,它不会覆盖所有其他东西。”

进一步在未来,激光雷达单元可能进一步保护车辆和内部的元素通过将它们深使用波导直接激光和返回的光。“如果你能把一个物理组件的阳光直射和直接热,把它放在车上,和导轨,使这些数据,这是一个改变游戏规则,”克里斯·克拉克说,解决方案架构师汽车软件和安全Synopsys对此。

此外,一个完整的激光引擎不仅仅涉及到如何和扫描范围。其他芯片是必要的完整系统,并发展他们需要时间。“想出自己的芯片组发射机和接收机需要大约两年半,“文卡特斯指出。

然后有验证。“大约需要一年半汽车资格的过程,”他补充道。“下一步是得到客户的批准,说,“是的,这是一个低风险的解决方案”,因为其他的功能安全性和ISO的要求。所以你看大约2.5到3年资格的努力才能达到生产。”

最后,尽管当前的焦点是在硬件上实现激光雷达的基本功能,长期目标是软件定义激光雷达,可以由软件控制的特定的激光雷达的行为。这可以帮助系统,以适应不断变化的环境,提高整体性能。

有趣的是,虽然许多研究工作继续在学术界和初创公司,厂商可能会试图短路一级/二级的迹象的方法。“转变行业里我们开始看到oem开发自己的解决方案,”克拉克说。

其他的有前途的激光雷达的机会
当所有人都在关注汽车作为激光雷达的高容量的明显来源,其他新的应用程序开发人员的景象。“整个激光雷达行业不仅仅是集中在汽车、“文卡特斯说。”有很多其他行业在最后一英里交付方面,无人机,和自动交付单位。”

Xilinx的你指出,安全系统,机器人技术,工业自动化也属于名单上。

车辆和车辆系统占主导地位,包括交通管理和越野车采矿和建筑等行业。机器人和无人驾驶飞机将利用激光雷达的原因差不多像汽车。

最近感兴趣的应用程序将在智能手机与相机使用。了解到的主要焦点的距离图像处理软件额外信息用于计算摄影。如果这起飞,这将是激光雷达的应用程序。然而,它几乎没有权力或决议,汽车需要版本。

在监测和安全市场,激光雷达能够提供深度信息来陪从普通相机的颜色信息。Oyla这iToF激光雷达,同步激光雷达流与相机流,有效地提供一个RGBD提要。

实施工作更像是一个相机,返回信号集中在传感器以同样的方式,一个单反相机光线集中于CMOS传感器。“每个像素是调制一样,”Kalluri说。”,照明光束被我们的传感器阵列上成像。只是每个像素,而不是只有一个RGB像素,是计算深度。”

虽然光来自附近的目标会有轻微的路径差异直接与从一个角度,这不是一个实际的问题长时间的距离。“在远场,它只是一个洗的调制光,足够好,“Kalluri指出。

总之,激光雷达需要几年的优化之前,我们确定哪些方法将为完整的商业部署前进。哪个支安打、大量首先会第一个寻找任何其他应用程序。

[1]Imec图像与表示“汽车固态光学相控阵激光雷达系统”,激光雷达技术史诗会议汽车、埃因霍温,2019年10月30 - 31日

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