LiDAR-Modul unterstützt erhöhte Autobahngeschwindigkeit

Das Aufkommen des autonomen Fahrens hat die Präsenz von Laser-Imaging-Erkennungs- und Entfernungssensoren (LiDAR) in der Automobilelektronikplattform entscheidend erweitert. LiDAR arbeitet nach dem Radarprinzip, verwendet jedoch Lichtimpulse, die von einer Infrarot-Laserdiode emittiert werden.

Der neue Hochgeschwindigkeitskomparator MAX40026 und die Transimpedanzverstärker (TIAs) MAX40660/MAX40661 von Maxim Integrated ermöglichen 15 km/h schnelleres autonomes Fahren bei Autobahngeschwindigkeit durch Verdoppelung der Bandbreite und Hinzufügen von 32 Kanälen (insgesamt 128 statt 96) in ein LiDAR-Modul der gleichen Größe.

Was ist LIDAR?

Maurizio Gavardoni von Maxim demonstriert das Evaluierungsboard für ein vierkanaliges LiDAR-Empfangssystem.
Es enthält optische Fotodioden von First Sensor und den neu eingeführten TIA- und Hochgeschwindigkeits-Komparator von Maxim. (Bild:Maxim Integrated)

Neben künstlicher Intelligenz, Kameras und Radar sind Sensoren für das assistierte und autonome Fahren unverzichtbar. Da sie genaue Messungen von Objekten liefern und Hindernisse auf der Straße erkennen können – umgestürzte Äste, andere Autos oder sogar ein Kind, das in den Verkehr stürzt – haben LiDAR-Sensoren dazu beigetragen, die Einführung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) voranzutreiben und sind entscheidend für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge (AV). Die Wahrnehmung der Umgebung durch einen AV muss äußerst präzise sein, weshalb experimentelle Robocars voller Sensoren sind. Die Verwendung eines Laserbeleuchtungssystems ermöglicht den Betrieb selbstfahrender Autos bei schlechten oder fehlenden Sichtverhältnissen und sogar ohne Straßenmarkierungen.

„LiDAR-Sensoren spielen eine zunehmende Rolle bei der Fusion von Fahrzeugsensoren, da sie eine genaue Entfernungsmessung von Objekten ermöglichen“, sagte Maurizio Gavardoni, leitender technischer Mitarbeiter bei Maxim Integrated. „Ein typischer LiDAR-Sensor sendet Lichtimpulse, die von Objekten reflektiert und von Fotodioden adäquat erfasst werden, sodass Sie die Umgebung kartieren können.“

LiDAR-Systeme basieren auf der Flugzeit (ToF), die präzise Timing-Ereignisse misst (Abbildung 1). Zu den neuesten Entwicklungen gehören mehrere Multibeam-LiDAR-Systeme, die ein präzises 3D-Bild der Umgebung des Fahrzeugs erzeugen. Diese Informationen werden verwendet, um die am besten geeigneten Fahrmanöver auszuwählen.

Abbildung 1:Time-of-Flight-Funktionsdiagramm (Bild:Maxim Integrated)

Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines LiDAR-Sensors. Es gibt zwei grundlegende Arten von LiDAR-Systemen:Mikropuls-LiDAR und Hochenergie-LiDAR. Micropulse-Systeme wurden aufgrund der ständig steigenden verfügbaren Rechenleistung und der Fortschritte in der Lasertechnologie entwickelt. Diese neuen Systeme verbrauchen sehr wenig Strom in der Größenordnung von 1 W und sind für die meisten Anwendungen absolut sicher. Hochenergetisches LiDAR hingegen ist in atmosphärischen Überwachungssystemen üblich, wo die Sensoren verwendet werden, um atmosphärische Parameter wie Höhe, Schichtung und Wolkendichte zu erkennen.

Abbildung 2:Allgemeiner Aufbau eines LiDAR-Sensors mit den abgebildeten Hauptelektronikteilen (Bild:Maxim Integrated)

„Autonome selbstfahrende Systeme entwickeln sich von 56 km/h auf 65 km/h und darüber hinaus, aber schnellere autonome selbstfahrende Systeme sind unerlässlich“, sagte Gavardoni. „Die Herausforderungen bei der Erfüllung dieser Anforderungen [übersetzen] sich in hochpräzise Entfernungsmessungen von Objekten, [erfordern] mehr Genauigkeit, mehr Kanäle, um in platzbeschränkte Plattformen zu passen, [und die Einhaltung] strenger Sicherheitsanforderungen.“

LiDAR-Hardware

In einem LiDAR-Projekt ist der Transimpedanzverstärker der kritischste Teil eines elektronischen Layouts. Geringes Rauschen, hohe Verstärkung, geringe Gruppenverzögerung und schnelle Erholung nach Überlastung machen die neuen Maxim TIAs ideal für Distanzmessanwendungen.

TIA-Schaltungen werden häufig in Anwendungen verwendet, die den Bedarf an Schaltungen zum Puffern und Skalieren der Ausgabe von elektrooptischen Lösungen teilen, um eine hohe Geschwindigkeit und einen hohen Dynamikbereich zu erreichen. TIA ist ein Strom-Spannungs-Wandler, der fast ausschließlich mit einem oder mehreren Operationsverstärkern realisiert wird (Abbildung 3).

Abbildung 3:Allgemeiner Aufbau eines TIA mit einer Photodiode mit umgekehrter Polarisation (Bild:Wikipedia)

Fototransistoren und Fotodioden sind eng verwandt und wandeln einfallendes Laserlicht in elektrischen Strom um. Um die maximale Leistung dieser Geräte zu erzielen, müssen Designer den Schnittstellenschaltkreisen, den Wellenlängen und der optisch-mechanischen Ausrichtung besondere Aufmerksamkeit schenken. Die Transimpedanzverstärker MAX40660/MAX40661 ermöglichen viel schnellere selbstfahrende Systeme mit hoher Auflösung. Die TIAs reduzieren den Stromverbrauch im Low-Power-Modus um mehr als 80 %. Maxims TIAs unterstützen 128 Kanäle mit einer Bandbreite von 490 MHz im Fall des MAX40660 und einer Rauschdichte von 2,1 pA/√Hz, um eine höhere Messgenauigkeit zu bieten (Abbildung 4).

Abbildung 4:MAX40660-Blockdiagramm (Bild:Maxim Integrated)

Der MAX40026 hingegen ist ein Single-Supply-Hochgeschwindigkeits-Komparator für TOF-Distanzmessanwendungen. Seine geringe Ausbreitungsverzögerung von 10 Pikosekunden trägt zur genauen Erkennung von festen und sich bewegenden Objekten bei. „Eine geringere Dispersionsverzögerung und mehr Kanäle pro System ermöglichen eine präzisere Timing-Messung, wodurch die Systemauflösung verbessert und eine höhere Fahrgeschwindigkeit ermöglicht wird“, sagte Gavardoni.

Der MAX40026 verfügt über einen Eingangsgleichtaktbereich von 1,5 V bis VDD + 0,1 V, der mit den Ausgangsschwingungen mehrerer weit verbreiteter Hochgeschwindigkeits-TIAs kompatibel ist. Die Low Voltage Differential Signaling (LVDS)-Ausgangsstufe minimiert die Verlustleistung und ist direkt mit vielen FPGAs und CPUs verbunden (Abbildung 5).

Abbildung 5:Funktionsdiagramm des MAX40026 (Bild:Maxim Integrated)

Die Größe der neuen Lösungen wird weiter reduziert, so dass bei begrenztem Platzangebot viel mehr Kanäle in Fahrzeugplattformen eingefügt werden können. Diese integrierten Schaltkreise erfüllen die strengsten Sicherheitsanforderungen der Automobilindustrie mit AEC-Q100-Qualifizierung, verbesserter Leistung bei elektrostatischer Entladung (ESD) und Effekt- und Diagnoseanalyse (FMEDA), um die ISO 26262-Zertifizierung auf Systemebene zu unterstützen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times Europe.