24. februarja, 2021

LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Revija logo rutronik - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnostOd KITT v »Vitezu za volanom« do vozil v »Petem elementu«, »Posebnem poročilu« in številnih drugih znanstvenofantastičnih zgodbah – številni ljudje sanjajo o tem, da bi jih njihovo vozilo brez pomoči odpeljalo, kamor želijo iti. Avtomobili so zdaj vedno bližje tem vizijam prihodnosti. Pri tem pa imajo glavno vlogo različne tehnologije tipal. Med najobetavnejšimi je tehnologija LiDAR.

 

Tako kot radar je tudi LiDAR metoda za zaznavanje in merjenje razdalje (angl. Detection and Ranging – DAR). Oba posnemata netopirje. Ti oddajajo ultrazvok, nato pa na podlagi njegovega odboja ugotovijo, kje so predmeti in njihov plen. Pri radarju za to uporabljamo radijske signale, LiDAR pa uporablja svetlobo.

 

Pri tipalih LiDAR oddajamo svetlobne impulze z impulzno lasersko diodo. Če se ta odbije od ovire, jo tipalo s tem zazna. S časom od oddaje do sprejema svetlobe, ki mu pravimo čas preleta (angl. Time of Flight – ToF), lahko ugotovimo razdaljo od tipala do ovire.

 

Zelo občutljivi detektorji

Svetloba se pri tem odvisno od razdalje in oblike odbojnega predmeta ali živega bitja razprši v številne smeri. Zato dobimo natančnejšo sliko okolja s čim širšo površino detektorja – tako lahko zazna več odbojev. V trenutnih tipalih LiDAR se zato uporabljajo plazovne fotodiode (angl. Avalanche-Photodiode – APD) v poljih s po 8, 12 ali 16 diodami. Vsaka dioda pomeni eno slikovno točko celotne slike. To pomeni: Poleg velikosti polja sta pomembna tudi razdalja med diodami (= slikovnimi točkami), ki vpliva na ločljivost tipala, in pa občutljivost plazovnih fotodiod. Cilj je, da zajamejo tudi najmanjše sledi odbitega žarka.

 

4 1 1 300x222 - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Slika 1: Vsaka plazovna fotodioda (APD) v polju pomeni eno slikovno točko celotne slike. (Vir slike: Laser Components)

Optimalen svetlobni žarek

Za ločljivost tipala je odločilna dolžina svetlobnega impulza. Proizvajalci LiDAR zato veliko dela vlagajo v razvoj čim krajših impulzov. Trenutno trajajo v povprečju od 5 do največ 10 ns. Dodaten dejavnik je velikost svetlobnega žarka. Ker laserska dioda pošlje zelo fokusiran svetlobni žarek, lahko meri le razdaljo do enako velike površine. To nikakor ne zadostuje za uporabo v sistemih za pomoč vozniku ali celo avtonomna vozila. Obstajajo različne rešitve za povečanje vidnega polja (angl. Field of View – FoV). Tukaj je izziv zajeti vse najmanjše površine znotraj velikega vidnega polja.

 

Varnost za oči in kožo

Pri razvoju tipal LiDAR nas omejuje varnost oči. Ker lahko zlasti v prometu laserski žarek vedno zadene mrežnico, je zato ne sme poškodovati. Laserska svetloba pa lahko škoduje tudi človeški koži. Standard EN 60825-1 opredeljuje različne razrede glede na nevarnost za oči in kožo. Pri tem sta pomembni valovna dolžina in trajanje impulza: Trije primeri razredov laserskih žarkov: Razred 1 pomeni lasersko sevanje, ki je neškodljivo ali v zaprtem ohišju. Razred 2 pomeni lasersko sevanje v vidnem spektru od 400 do 700 nm. Pri kratkem trajanju obsevanja do največ 0,25 s ni nevaren za oči. Razred 4 vključuje laserje, ki so zelo nevarni za oči in kožo tudi pri razpršenem sevanju.

 

Bliskovni LiDAR – sipana svetloba

4 2 1 300x269 - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Slika 2: Bliskovna tipala LiDAR: Sipanje laserskega žarka poveča vidno polje. Polje zelo občutljivih tipal zaznava posamezne fotone.(Vir slike: Laser Components)

Ena od metod za povečanje vidnega polja temelji na sipanju svetlobnega žarka, tako da s širokim sevalnim kotom pokriva veliko vidno polje. Bliskovna tipala LiDAR (angl. Flash-LiDAR) pa uporabljajo difuzno svetlobo, ki je bistveno šibkejša od fokusiranega svetlobnega žarka. Da lahko še vedno dosegajo velik domet in ločljivost, zato uporabljajo laserske diode z zelo veliko močjo, 1–2 kW.

 

Za načine uporabe, kjer je treba predmete zaznavati na kratkih razdaljah, so idealne laserske diode s površinskim oddajnikom (angl. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) z valovno dolžino med 850 in 940 nm. Z njimi je mogoče sestaviti močna 2D-polja.V detektorju so najprimernejša občutljiva tipala, ki zaznavajo tudi posamezne fotone – t. i. enofotonske plazovne diode (angl. Single Photon Avalanche Diode – SPAD). Za povečanje dosega ter zagotavljanje zanesljivega merjenja razdalje tudi pri močni sončni svetlobi je Fraunhoferjev inštitut za mikroelektronska vezja in sisteme razvil detektorje CMOS SPAD. Tipala SPAD so tukaj integrirana s procesom CMOS, ki je certificiran za avtomobilsko industrijo in optimiziran za optoelektronske aplikacije. Rezultat so zelo občutljive in izredno hitre plazovne fotodiode s kratkoročnim ojačanjem do 108, velikimi hitrostmi impulzov in nizkim šumom.

 

Bliskovno tipalo LiDAR s fotodiodami CMOS SPAD ponuja podjetje Laser Components: SPAD2L192 je bliskovno tipalo LiDAR brez premikajočih se delov v tehnologiji CMOS s 192 x 2 slikovnimi točkami. Njegovo merjenje razdalje temelji na načelu neposrednega merjenja trajanja preleta za prvi foton (angl. First Photon Direct ToF). Detektorji posameznih fotonov zagotavljajo izredno veliko občutljivost in visoko časovno ločljivost. Digitalni pretvornik trajanja (angl. Time to Digital) je integriran v slikovno točko in ima ločljivost 312,5 ps (pikosekund) ter doseg 1,28 μs, tako da omogoča nazivni doseg 192 m in ločljivost 4,7 cm.

 

Rastrska tipala LiDAR – premična zrcala

4 3 300x272 - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Slika 3: Rastrska tipala LiDAR: Impulzni laser (impulzne laserske diode ali VCSEL) se rastrsko premika po vidnem polju z vrtljivim zrcalom. (Vir slike: Laser Components)

Tehnologija rastrskih tipal LiDAR (angl. Scanning LiDAR) ohrani svetlobno jakost osnovnega žarka in razširi vidno polje z rastrskim premikanjem svetlobnega žarka po celotnem vidnem polju. Svetlobni žarek premikajo premična mikrozrcala po celotnem načrtovanem vidnem polju. Pri rastrskih tipalih LiDAR je praviloma uporabljenih od 1 do 16 laserskih diod. Tukaj so najprimernejši laserji z robnim oddajnikom in valovno dolžino 905 nm, močnostne laserske diode z močmi nad 100 W pa omogočajo doseg nad 150 m.

 

Ker zadostuje malo diod z razmeroma majhno močjo, imajo rastrska tipala LiDAR dobre toplotne lastnosti. To omogoča zelo velike hitrosti impulzov, tako da je varnost oči zagotovljena tudi pri valovni dolžini 905 nm.

 

Vidno polje praviloma znaša 145° po osi y in 3,2° po osi z. Teoretično lahko s to tehnologijo dosežemo 360° vidni kot, realno pa bomo pri tem vedno naleteli na slepe pege. Svetlobni žarek ne omogoča merjenja v neposredni bližini. Rešitve z dodatnim radarjem in kamero lahko to šibko točko odpravijo. Vendar pa so zaradi svoje velikosti in občutljivosti rastrska tipala LiDAR manj primerna za uporabo v vozilih: Merijo približno 10,5 x 6 x 10 cm in so zato prevelika, da bi jih na primer lahko vgradili v ohišje žarometov. Poleg tega so premikajoča se zrcala občutljiva za tresljaje, udarce, prah in ekstremne temperature, ki se jim pri vozilih ni mogoče izogniti.

 

Ustrezne diode so na voljo pri podjetju Laser Components: Serija 905DxxUA vključuje impulzne laserske diode v izvedbi z enojnim ali večkratnim spojem z lasersko močjo do 110 W in valovno dolžino 905 nm. So izredno zanesljive, odlično toplotno stabilne in zelo natančno izravnane v hermetično zaprtem ohišju. Zaradi tega so primerne za merjenje razdalje, prepoznavanje ovir, geodetske naprave, sisteme LiDAR in številne medicinske načine uporabe. Izvedbe, ki izpolnjujejo zahteve AEC-Q101, so primerne tudi za uporabo v avtomobilih.

4 4 300x148 - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Slika 4: Impulzne laserske diode serije 905xxUA podjetja Laser Components izpolnjujejo zahteve AEC Q101 in imajo izhodno moč do 110 W pri valovni dolžini 905 nm. (Vir slike: Laser Components)

Za detektorje priporočamo fotodiode Si-APD ali polja fotodiod Si-APD. Fotodiode Si-APD serije SAHA podjetja Laser Components so optimizirane za valovne dolžine od 850 do 905 nm. Polprevodniški material je tukaj še posebej učinkovit, na teh valovnih dolžinah pa delujejo tudi impulzne laserske diode.Fotodiode Si-APD v miniaturnem ohišju SMD imajo visok kvantni izkoristek, kar pomeni visoko občutljivost in majhen šum. Enake lastnosti ima serija SAH1Lxx, ki vključuje polja z 8, 12 ali 16 zelo občutljivimi fotodiodami Si-APD v ohišju LCC44 z zaščitnim oknom. Odlikuje jo posebno majhna razdalja med diodami, ki znaša le 40 µm. Polje 12 fotodiod APD je na voljo tudi v 14-polnem ohišju DIL. Poleg standardnih polj so na voljo tudi polja fotodiod APD po meri stranke s poljubnim številom in velikostjo elementov.

 

Polprevodniška tipala LiDAR – polprevodniki namesto mehanskih delov

Manjša in trpežnejša alternativa so polprevodniška tipala LiDAR. Za usmerjanje svetlobnega žarka se namesto na mehanske dele zanašajo na polprevodnike. Ločimo med dvema vrstama: z zrcali s tehnologijo MEMS in s polji z zamikom optične faze (angl. Optical Phased Array – OPA).

 

4 5 300x255 - LiDAR za avtonomno vožnjo. Kako znanstvena fantastika postaja resničnost

Slika 5: Polprevodniška tipala LiDAR: Premična zrcala MEMS usmerjajo svetlobo v različne smeri, da s tem povečajo vidno polje. (Vir slike: Laser Components)

Tipala LiDAR z zrcali MEMS uporabljajo matriko mikrozrcal; vsako zrcalo ima stranico nekaj mikrometrov. Ta zrcala se več tisočkrat na sekundo premaknejo med dvema položajema. Premikajo jih elektrostatična polja. Takšna zrcala se uporabljajo na primer v blagajnah z optičnimi bralniki in v projektorjih z digitalno obdelavo svetlobe (angl. Digital Light Processing – DLP). To pomeni, da gre za preverjeno tehnologijo z razmeroma majhnimi proizvodnimi stroški.

 

Za avtomobilsko uporabo pa morajo tipala izpolnjevati bistveno strožje zahteve. Tu je na primer potrebno širše vidno polje kot pri blagajni ali projektorju. Trenutne rešitve ponujajo kot 40° pri rastrski frekvenci nad 100 Hz, sistemi MEMS z večjimi koti pa so trenutno še v razvoju.

 

Pri tipalih LiDAR OPA se faza svetlobe vsake laserske diode spreminja z modulatorjem, tako da impulz pokrije večje območje. Ta tehnologija je trenutno še v fazi raziskav. Ena izvedba stavi na nekaj kvadratnih milimetrov veliko silicijevo vezje, ki nadomešča vrtečo se enoto z oddajnikom in detektorjem. Za večje moči in široko vidno polje raziskujejo tudi daljše valovne dolžine od trenutno uveljavljene 905 nm. Valovna dolžina 1550 nm je na primer neškodljiva za oči, vendar pa jo oslabi sneg ali dež. Poleg tega to zahteva tudi drugačne detektorje.

 

Znanstvena fantastika se z različnimi tehnologijami bliža resničnosti

Do avtonomnih voženj, kot jih gledamo v znanstvenofantastičnih filmih, bo minilo še precej let. Vseeno pa je vsak sistem pomoči, kot so prilagodljivi tempomat (angl. Adaptive Cruise Control – ACC), pomoč pri zaviranju v sili (angl. Emergency Brake Assist – EBA) ali opozorilo ob zapuščanju voznega pasu (angl. Lane Departure Warning – LDW), korak v to smer. Za številne od njih so tipala LiDAR nepogrešljiv del, ki pa ga bo vsekakor treba kombinirati z drugimi tehnologijami, kot so ultrazvočna tipala, kamere in radarske rešitve, saj ima vsaka tehnologija svoje prednosti ter slabosti.

Avtor: Alain Bruno Kamwa, vodja prodaje izdelkov za optoelektroniko pri podjetju Rutronik

2021-294