Solid-state LiDAR biedt een eenvoudigere automotive-detectieoplossing

Leuven-gebaseerde XenomatiX biedt wat het noemt "true solid- state LiDAR-sensoren” gebaseerd op een multi-beam laserconcept en risicovrije, schaalbare halfgeleidertechnologie.

Uitdagende automotive-toepassingen, zoals ADAS en autonoom rijden, vereisen geavanceerde oplossingen voor afstands- en objectdetectie. Daarbij speelt het LiDAR-systeem (lichtdetectie en -bereik) een relevante rol. LiDAR, ook wel time-of-flight (ToF), laserscanner of laserradar genoemd, is een detectietechnologie waarvan de belangrijkste taak is om objecten te detecteren en hun afstanden in kaart te brengen. Dit wordt bereikt door een doel te verlichten met een optische puls (waarvan de breedte varieert van enkele nanoseconden tot enkele microseconden) en de kenmerken van het gereflecteerde retoursignaal te meten. Sleutelfactoren voor het extraheren van nuttige informatie uit geretourneerde lichtsignalen zijn pulsvermogen, retourtijd, faseverschuiving en pulsbreedte. Hoewel er verschillende soorten LiDAR-systemen beschikbaar zijn, kunnen ze worden gegroepeerd in twee categorieën met betrekking tot het type straalbesturing:mechanische en optische LiDAR's. Een mechanische LiDAR vertrouwt op hoogwaardige optica en een roterend geheel om een ​​breed gezichtsveld (FOV) te creëren, tot wel 360°. De bijbehorende signaal-ruisverhouding (SNR) is vrij uitstekend over het gezichtsveld, maar de oplossing is omvangrijk en zwaar. Solid-state LiDAR's daarentegen hebben geen draaiende mechanische onderdelen, wat een hoge mate van betrouwbaarheid biedt. Ook al is hun gezichtsveld verminderd, er is een manier om deze beperking te overwinnen.

Dit artikel introduceert een nieuwe LiDAR-technologie die is ontwikkeld door XenomatiX, genaamd echte solid-state voor ADAS, autonoom rijden en andere wegtoepassingen. Opgemerkt moet worden dat, naast autotoepassingen, LiDAR-technologie kan worden gebruikt voor 3D-lucht- en geografische kaarten, veiligheidssystemen in fabrieken, slimme munitie en gasanalyse.

XenomatiX-aanpak

Tegenwoordig zijn de meeste LiDAR-systemen mechanisch. Ze gebruiken draaiende koppen, wat resulteert in een omvangrijke, zware en dure oplossing. Om deze beperkingen te overwinnen, zijn technologieën zoals oscillerende spiegels toegepast om de grootte van de oplossing te verkleinen. Het blijft echter nog steeds een enigszins mechanisch apparaat. Sinds het begin is de XenomatiX-filosofie geweest dat in automobieltoepassingen het voertuig het enige bewegende onderdeel is.

Tijdens een interview met EE Times Europe , Filip Geuens, CEO van XenomatiX, zei:“Automotive heeft totaal andere eisen, het gaat om kosten, grootte en betrouwbaarheid. De LiDAR-technologie moet worden gekozen in functie van deze drie sleutelfactoren. Daarom vonden we dat voorlopige laserdiodes en mechanisch bewegende delen niet de juiste weg zijn.”

Het bedrijf, opgericht in 2013 en met hoofdkantoor in Leuven, België, introduceerde de term "true" om solid-state LiDAR-systemen te identificeren die zijn gebouwd met behulp van een op halfgeleiders gebaseerde laserbron en -detector en zonder scannende of bewegende delen. Deze nieuwe oplossing heeft een fundamenteel andere benadering dan conventionele optische LiDAR's, die sequentiële metingen gebruiken om laserlicht in één richting te sturen, een meting uit te voeren en vervolgens naar de volgende positie te gaan. Ze meten en verwerven het omringende scenario op een stapsgewijze manier.

"Aangezien het scanmechanisme het zwakke punt is van een LiDAR-systeem, is de XenomatiX-aanpak geweest om het scanmechanisme te elimineren door de multi-beam-mogelijkheid te introduceren, die duizenden laserstralen tegelijkertijd uitzendt." zei Geens. "Dit is de echte innovatie waar we trots op zijn."

De hele scène kan in "één flits" worden gedetecteerd zonder de beperkingen van een korter bereik of een hoog vermogen, met een bereik van meer dan 200 meter en een normaal stroomverbruik. Bovendien hebben de puntenwolken met hoge resolutie, in tegenstelling tot het scannen van LiDAR's, geen nabehandeling nodig voor tijd-ruimtecorrectie, waardoor een veel hogere framesnelheid en een betere correctie mogelijk is.

Als gevolg hiervan hoeft de LiDAR van XenomatiX niet erg snel te bewegen, zoals conventionele "point and measure" optische systemen. Aangezien de hele scène wordt gemeten door alle bundels tegelijkertijd te verzenden zonder enige scan uit te voeren, heeft het systeem meer tijd om het raster van meetpunten met hoge resolutie te verwerken.

"We hebben niet de snelste laser nodig, aangezien we een LiDAR hebben die werkt in de globale sluitermodus, wat betekent dat hij de hele scène in één opname en in één frame bekijkt", zegt Geuens. "Dit brengt een paar mooie voordelen met zich mee:ons systeem heeft geen last van bewegingsonscherpte en we hebben geen extreem krachtige laserdriver nodig die nanosecondepulsen kan uitzenden."

De aanpak van XenomatiX is een oplossing voor scannen terwijl u in beweging bent, omdat het de vertragingstijd wegneemt die wordt veroorzaakt door scansensoren terwijl ze door hun scanpatroon bewegen. Dit concept is in feite zeer geschikt voor toepassingen in de automobielindustrie, omdat het de noodzaak om beweging te compenseren overbodig maakt:alle stralen worden op exact hetzelfde moment uitgezonden en verzamelen alle punten tegelijkertijd via een globale Luik. Afbeelding 1 toont de XenoLidar-X, een stand-alone oplossing zonder bewegende delen die kan worden gebruikt voor zowel autonoom rijden als industriële toepassingen. Dit ontwerp blijkt effectief in alle scenario's waar licht- en weersomstandigheden sterk kunnen variëren. Het is XenomatiX solid-state oplossing van de volgende generatie, met 15.000 laserstralen die we gelijktijdig projecteren. Dat verbetert de resolutie tot een niveau van 0,15° horizontaal en verticaal, in overeenstemming met de meest veeleisende marktvereisten van vandaag.

Figuur 1:XenoLidar-X (vaste stof)

In zijn solid-state LiDAR's gebruikt XenomatiX VCSEL's (verticale-cavity oppervlakte-emitterende lasers), die notoir laagvermogen laserbronnen zijn die een zeer goede duurzaamheid en levensduur bieden, veel beter dan traditionele diodelasers.

“Omdat we meer tijd hebben om te meten, kunnen we toch genoeg energie in de laserstralen stoppen om ook verre metingen te doen”, zegt Geuens.

XenomatiX LiDAR's staan ​​bekend als 6D LiDAR's, wat betekent dat ze twee soorten uitgangen bieden met een perfecte overlay. De eerste is een puntenwolk, een 3D-geometrie die alle gedetecteerde laservlekken omvat. De tweede is een visueel 2D-camerabeeld. Het kan worden gezien als een LiDAR met een ingebouwde camera, of een camera met LiDAR-prestaties en geen parallaxfout. De beschikbaarheid van redundante gegevens maakt sensorfusie mogelijk, wat aanvullende informatie oplevert die veiligheidstoepassingen sterk ondersteunt. De 6 ^e dimensie is de reflectiviteit van objecten, gebaseerd op de hoeveelheid geretourneerd laserlicht.

“Onze detector is een speciaal type CMOS, het is een pixel die we zelf hebben ontworpen. Het is als een CMOS-camera die in driedimensionale modus kan werken en de coördinaten van elke gedetecteerde plek kan geven', zegt Geuens. “Het kan ook in tweedimensionale modus werken en een visueel beeld geven. Het visuele beeld en de puntenwolk worden naar een centrale ECU gestuurd, waar ze worden verwerkt voor detectie van vrije ruimte of objecten met behulp van eigen AI-algoritmen.”

XenomatiX noemt het vierdimensionale AI, wat betekent dat het patroonherkenning uitvoert in een vierdimensionale ruimte, waar x, y, z, coördinaten worden gecombineerd met de intensiteit van de gereflecteerde laserstraal. De sensor is ontworpen om ook te werken als een detector in een 2D-modus wanneer de laser is uitgeschakeld. Als de laser is ingeschakeld, kan het systeem dezelfde pixels gebruiken om 3D-metingen te doen en de driedimensionale puntenwolk te genereren. Solid-state LiDAR's bieden ook uitstekende betrouwbaarheid, wat een sleutelfactor is in automobieltoepassingen. Mean Time Between Failure (MTBF) is in feite erg goed vanwege de afwezigheid van bewegende delen, het gebruik van VCSEL's (dit zijn lasers met een lange levensduur) en de volwassenheid van de CMOS-technologie.

Zoals eerder vermeld, is een voordeel van LiDAR's met bewegende delen het brede gezichtsveld, dat kan worden uitgebreid tot 360 graden. Met draaiende koppen kunt u in alle richtingen kijken. XenomatiX LiDAR's kunnen nog steeds een breed gezichtsveld bereiken door meerdere modules te combineren voor een hogere dekking. Er kunnen meerdere LiDAR-units op de hoeken van het voertuig worden geplaatst om geen blinde zones te hebben.

Met een flexibel en modulair ontwerp kan XenomatiX een kleine, lichte en toekomstbestendige sensor bieden voor een gemakkelijke integratie. Het bedrijf werkt voortdurend samen met Tier I-autoleveranciers, zoals AGC, Marelli, Kautex en anderen, om een ​​complete, aanpasbare, modulaire en flexibele LiDAR-oplossing te ontwikkelen. Deze partnerschappen zullen de integratie van LiDAR's in de voorruit, achterruit, grill, koplamp, achterlicht en bumper van het voertuig bevorderen.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times Europa.

---

Verwante inhoud:

• Inzicht in de golflengtekeuze in LiDAR-systemen
• ADAS-experts denken na over sensorintegratie in toekomstige voertuigen
• Wat drijft verandering in elektronische systemen voor auto's
• Time-of-flight-technologie belooft verbeterde nauwkeurigheid
• Slimme steden:het pleidooi voor lidar in intelligente transportsystemen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.