Solid-state LiDAR: een betrouwbare, schaalbare oplossing voor automotieve sensing

Het Leuvense XenomatiX levert wat het “true solid-state LiDAR-sensoren” noemt, combinërend een multi-beam laserarchitectuur met risicovrije, schaalbare halfgeleidertechnologie.

Geavanceerde automotieve toepassingen zoals ADAS en autonoom rijden eisen high-performance bereik- en objectdetectie. LiDAR – ook bekend als time-of-flight (ToF) of laserradar – voldoet aan deze behoefte door nauwkeurige optische pulsen uit te zenden en het teruggekaatste signaal te meten. Belangrijke parameters zijn pulskracht, heen-en-weer-tijd, fasoverschuiving en pulbreedte.

LiDAR-systemen vallen in twee hoofdcategorieën: mechanisch en optisch. Mechanische units gebruiken rotierende koppen voor brede kijkvelden (tot 360°) en uitstekende signal-to-noise-ratio's, maar zijn bulkachtig en zwaar. Solid-state LiDARs elimineren bewegende delen, wat grotere betrouwbaarheid en kleinere afmetingen biedt, traditioneel wel ten koste van een smaller kijkveld. XenomatiX overkomt deze beperking met een multi-beam-strategie.

In dit artikel verkennen we XenomatiX’s “true solid-state”-technologie, geschikt voor ADAS, autonoom rijden en andere weggerelateerde toepassingen. LiDAR’s veelzijdigheid strekt zich uit tot 3D-mapping, fabrieksveiligheidssystemen, slimme munitie en gasanalyse.

XenomatiX’s aanpak

De meeste LiDAR-oplossingen vandaag zijn mechanisch, gebaseerd op draaiende koppen die zwaar, duur en vatbaar zijn voor mechanische fouten. Hoewel oscillerende spiegels de grootte verkleinen, bevatten ze nog steeds bewegende componenten. XenomatiX’s filosofie is simpel: in automotieve sensing zou het enige bewegende deel het voertuig zelf moeten zijn.

In een interview met EE Times Europe legde CEO Filip Geuens uit: “Automotieve eisen kosten, grootte en betrouwbaarheid. Het kiezen van LiDAR-technologie vereist een balans tussen deze drie factoren. Tijdelijke laserdioden en bewegende delen zijn niet de toekomst.”

Opgericht in 2013 en gevestigd in Leuven, België, introduceerde XenomatiX de term “true” om solid-state LiDAR-systemen te differentiëren die halfgeleider-gebaseerde laserbronnen en detectoren gebruiken zonder enige scanning of bewegende delen. In tegenstelling tot conventionele optische LiDARs die achtereenvolgens een enkele bundel uitzenden, meten en dan naar de volgende richting bewegen, lanceert XenomatiX’s systeem duizenden bundels simultaan.

“Door het scannemechanisme te elimineren en een multi-beam-architectuur te introduceren, bereiken we wat we echte innovatie noemen,” aldus Geuens. “De hele scène wordt in één flits vastgelegd, wat bereiken boven de 200 m mogelijk maakt bij normaal stroomverbruik.”

Omdat het systeem in een global shutter-modus werkt – de hele scène in één frame vastlegend – is het immuun voor motion blur en vereist het geen ultra-snelle laserdrivers die nanosecondepulsen uitzenden.

Zonder de behoefte aan snelle scanning geniet XenomatiX’s LiDAR een langere verwerkingsvenster, wat high-resolutie puntenwolken mogelijk maakt zonder tijd-ruimtecorrectie of post-verwerking, wat resulteert in hogere frame rates en verbeterde nauwkeurigheid.

De XenoLidar-X (zie Figuur 1) is een zelfstandige, geen-bewegende-deel-oplossing geschikt voor autonoom rijden en industriëel gebruik. Het levert 15.000 laserbundels die simultaan worden geprojecteerd, met een resolutie van 0,15° in zowel horizontale als verticale richting – voldoeend aan de meest eisende markteisen.

Figuur 1: XenoLidar-X (solid-state)

XenomatiX’s solid-state LiDARs gebruiken vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), die laag stroomverbruik en superieure duurzaamheid bieden vergeleken met traditionele laserdiodes.

“Omdat we meer tijd kunnen besteden aan meten, kunnen we nog steeds voldoende energie alloceren om lange-afstandsdetectie te bereiken,” zei Geuens.

De LiDARs worden geclassificeerd als 6D-sensoren, die een perfect overlappende puntenwolk en een 2D-visueel beeld leveren. Deze inherente camera-integratie elimineert parallaxfouten en levert complementaire data voor robuuste sensorfusie in veiligheidstoepassingen. De zesde dimensie is reflectiviteit, afgeleid van de intensiteit van het teruggekaatste lasersignaal.

Geuens benadrukte de custom CMOS-detector: “We ontwierpen een pixel die functioneert als een 3D-camera, wat coördinaten geeft voor elk punt. Het kan ook in 2D-modus werken, wat een visueel beeld levert. De puntenwolk en het beeld worden naar de ECU van het voertuig gestuurd, waar eigen AI-algoritmen vrije ruimte en objecten detecteren.”

Het systeem’s vierdimensionale AI verwerkt patronen in 3D-ruimte gecombineerd met intensiteit, wat krachtige herkenningmogelijkheden oplevert. Wanneer de laser uitstaat, fungeren dezelfde pixels als conventionele camera; wanneer de laser aanstaat, vangen ze 3D-data.

Solid-state LiDARs bieden uitzonderlijke betrouwbaarheid – cruciaal voor automotief gebruik. Mean Time Between Failure (MTBF) is hoog door het ontbreken van bewegende delen, de lange levensduur van VCSELs en volwassen CMOS-technologie.

Terwijl draaiende LiDARs van nature tot 360° dekking bieden, bereiken XenomatiX LiDARs brede kijkvelden door meerdere modules te combineren. Het plaatsen van units op voertuighoeken elimineert blinde vlekken.

Met een flexibel, modulaire ontwerp biedt XenomatiX een kleine, lichtgewicht, toekomstbestendige sensor die gemakkelijk integreerbaar is in voorruiters, achterruiters, grilles, frontverlichting, achterverlichting en bumpers. Het bedrijf collaboreert met Tier I-leveranciers – AGC, Marelli, Kautex, en anderen – om aanpasbare, modulaire oplossingen te ontwikkelen die naadloos geïntegreerd kunnen worden in automotieve architectuur.

→ Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zusjesite, EE Times Europe.

Gerelateerde inhoud:

• Golflengtekeuze in LiDAR-systemen begrijpen
• ADAS-experts overwegen sensorintegratie in toekomstige voertuigen
• Wat drijft verandering in automotieve elektronicasystemen?
• Time-of-flight-technologie belooft verbeterde nauwkeurigheid
• Slimme steden: het argument voor LiDAR in intelligente transportsystemen

Voor meer Embedded, abonneer u op Embedded’s wekelijkse e-mailnieuwsbrief.