Solid-State-LiDAR bietet eine einfachere Automotive-Sensorlösung

Das Leuven-basierte XenomatiX bietet das, was es als „echte Solid- state LiDAR-Sensoren“ basierend auf einem Mehrstrahllaserkonzept und risikofreier, skalierbarer Halbleitertechnologie.

Anspruchsvolle Automobilanwendungen wie ADAS und autonomes Fahren erfordern fortschrittliche Lösungen für die Reichweiten- und Objekterkennung. Unter diesen spielt das LiDAR-System (Light Detection and Ranging) eine relevante Rolle. LiDAR, auch Time-of-Flight (ToF), Laserscanner oder Laserradar genannt, ist eine Sensortechnologie, deren Hauptaufgabe darin besteht, Objekte zu erkennen und deren Entfernungen abzubilden. Dies wird erreicht, indem ein Ziel mit einem optischen Impuls (dessen Breite von einigen Nanosekunden bis zu mehreren Mikrosekunden reicht) beleuchtet und die Eigenschaften des reflektierten Rücksignals gemessen werden. Schlüsselfaktoren zum Extrahieren nützlicher Informationen aus zurückgesendeten Lichtsignalen sind Impulsleistung, Umlaufzeit, Phasenverschiebung und Impulsbreite. Obwohl verschiedene Arten von LiDAR-Systemen verfügbar sind, können sie in Bezug auf den Strahlsteuerungstyp in zwei Kategorien eingeteilt werden:mechanische und optische LiDARs. Ein mechanischer LiDAR basiert auf einer hochwertigen Optik und einer rotierenden Baugruppe, um ein weites Sichtfeld (FOV) von bis zu 360° zu erzeugen. Das zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist über das FOV ziemlich ausgezeichnet, aber die Lösung ist sperrig und schwer. Festkörper-LiDARs hingegen weisen keine sich drehenden mechanischen Teile auf, was ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bietet. Auch wenn ihr Sichtfeld reduziert ist, gibt es eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden.

In diesem Artikel wird eine von XenomatiX entwickelte neuartige LiDAR-Technologie namens True Solid State für ADAS, autonomes Fahren und andere Straßenanwendungen vorgestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die LiDAR-Technologie neben Automobilanwendungen auch für 3D-Luftbild- und geografische Kartierung, Sicherheitssysteme in Fabriken, intelligente Munition und Gasanalyse genutzt werden kann.

XenomatiX-Ansatz

Heutzutage sind die meisten LiDAR-Systeme mechanisch. Sie verwenden Spinnköpfe, was zu einer sperrigen, schweren und teuren Lösung führt. Um diese Beschränkungen zu überwinden, wurden Technologien wie oszillierende Spiegel verwendet, um die Größe der Lösung zu verkleinern. Es bleibt jedoch immer noch ein etwas mechanisches Gerät. Von Anfang an war die Philosophie von XenomatiX, dass in Automobilanwendungen das einzige bewegliche Teil das Fahrzeug ist.

Während eines Interviews mit EE Times Europe , Filip Geuens, CEO von XenomatiX, sagte:„Die Automobilindustrie hat ganz andere Anforderungen, es geht um Kosten, Größe und Zuverlässigkeit. In Abhängigkeit von diesen drei Schlüsselfaktoren muss die LiDAR-Technologie ausgewählt werden. Deshalb waren wir der Meinung, dass provisorische Laserdioden und mechanisch bewegliche Teile nicht der richtige Weg sind.“

Das 2013 gegründete Unternehmen mit Hauptsitz in Leuven, Belgien, hat den Begriff „true“ eingeführt, um Festkörper-LiDAR-Systeme zu identifizieren, die mit einer halbleiterbasierten Laserquelle und einem Detektor gebaut werden und weder scannen noch bewegliche Teile haben. Diese neuartige Lösung verfolgt einen grundlegend anderen Ansatz als herkömmliche optische LiDARs, die durch sequentielle Messungen Laserlicht in eine Richtung senden, eine Messung durchführen und dann zur nächsten Position weiterfahren. Sie messen und erfassen Schritt für Schritt das Umgebungsszenario.

„Da der Scanmechanismus der Schwachpunkt eines LiDAR-Systems ist, besteht der Ansatz von XenomatiX darin, den Scanmechanismus zu eliminieren, wodurch die Mehrstrahlfähigkeit eingeführt wird, die Tausende von Laserstrahlen gleichzeitig aussendet.“ sagte Geuens. „Das ist die wahre Innovation, auf die wir stolz sind.“

Die gesamte Szene kann in „einem Blitz“ ohne die Einschränkungen einer kürzeren Reichweite oder hoher Leistung erkannt werden, mit Reichweiten von über 200 Metern und normalem Stromverbrauch. Darüber hinaus benötigen die hochauflösenden Punktwolken im Gegensatz zum Scannen von LiDARs keine Nachbehandlung für die Zeit-Raum-Korrektur, was eine viel höhere Bildrate und eine bessere Korrektur ermöglicht.

Dadurch muss sich der LiDAR von XenomatiX nicht sehr schnell bewegen, wie es bei herkömmlichen optischen „Point-and-Measure“-Systemen der Fall ist. Da die gesamte Szene gemessen wird, indem alle Strahlen gleichzeitig gesendet werden, ohne dass ein Scan durchgeführt wird, hat das System mehr Zeit, das hochauflösende Raster der Messpunkte zu verarbeiten.

„Wir brauchen nicht den schnellsten Laser, da wir einen LiDAR haben, der im Global Shutter-Modus arbeitet, d. h. die gesamte Szene in einer einzigen Aufnahme in einem einzigen Bild betrachtet“, sagte Geuens. „Das bringt ein paar nette Vorteile mit sich:Unser System wird nicht von Bewegungsunschärfe beeinflusst und wir brauchen keinen extrem leistungsstarken Lasertreiber, der Nanosekundenpulse aussenden kann.“

Der von XenomatiX gewählte Ansatz ist eine Lösung für das Scannen während der Bewegung, da er die Verzögerungszeit beseitigt, die durch scannende Sensoren verursacht wird, während sie sich durch ihr Scanmuster bewegen. Tatsächlich eignet sich dieses Konzept gut für Automotive-Anwendungen, da keine Bewegungskompensation erforderlich ist:Alle Strahlen werden exakt gleichzeitig ausgesendet und alle Punkte gleichzeitig über eine globale Verschluss. Abbildung 1 zeigt den XenoLidar-X, eine Stand-alone-Lösung ohne bewegliche Teile, die sowohl für autonomes Fahren als auch für industrielle Anwendungen eingesetzt werden kann. Dieses Design erweist sich in allen Szenarien als effektiv, in denen Licht- und Wetterbedingungen stark variieren können. Es ist die Festkörperlösung der nächsten Generation von XenomatiX mit 15.000 Laserstrahlen, die wir gleichzeitig projizieren. Dadurch wird die Auflösung auf ein Niveau von 0,15° horizontal und vertikal verbessert, um den anspruchsvollsten Marktanforderungen von heute gerecht zu werden.

Abbildung 1:XenoLidar-X (Festkörper)

In seinen Festkörper-LiDARs verwendet XenomatiX VCSELs (Vertical-Cavity Surface Emitting Lasers), die bekanntermaßen Laserquellen mit geringer Leistung sind, die eine sehr gute Haltbarkeit und Lebensdauererwartung bieten, viel besser als herkömmliche Diodenlaser.

„Da wir mehr Zeit zum Messen haben, können wir immer noch genug Energie in die Laserstrahlen geben, um auch Fernmessungen durchzuführen“, sagte Geuens.

XenomatiX-LiDARs werden als 6D-LiDARs bezeichnet, was bedeutet, dass sie zwei Arten von Ausgaben mit perfekter Überlagerung bieten. Die erste ist eine Punktwolke, eine 3D-Geometrie, die alle erkannten Laserpunkte enthält. Das zweite ist ein visuelles 2D-Kamerabild. Es kann als LiDAR mit einer inhärent integrierten Kamera oder als Kamera mit LiDAR-Leistung und ohne Parallaxenfehler angesehen werden. Die Verfügbarkeit redundanter Daten ermöglicht die Sensorfusion und liefert komplementäre Informationen, die Sicherheitsanwendungen stark unterstützen. Der 6. Dimension ist das Reflexionsvermögen von Objekten, basierend auf der Menge des zurückgestrahlten Laserlichts.

„Unser Detektor ist ein spezieller CMOS-Typ, ein Pixel, das wir selbst entwickelt haben. Es ist wie eine CMOS-Kamera, die im dreidimensionalen Modus arbeiten kann und die Koordinaten jedes erkannten Flecks anzeigt“, sagte Geuens. „Es kann auch im zweidimensionalen Modus arbeiten und ein visuelles Bild liefern. Das visuelle Bild und die Punktwolke werden an ein zentrales Steuergerät gesendet, wo sie mit proprietären KI-Algorithmen zur Freiraum- oder Objekterkennung verarbeitet werden.“

XenomatiX nennt es vierdimensionale KI, was bedeutet, dass es eine Mustererkennung in einem vierdimensionalen Raum durchführt, in dem x-, y-, z-Koordinaten mit der Intensität des reflektierten Laserstrahls kombiniert werden. Der Sensor wurde so konzipiert, dass er auch als Detektor im 2D-Modus arbeitet, wenn der Laser ausgeschaltet ist. Ist der Laser eingeschaltet, kann das System mit denselben Pixeln 3D-Messungen durchführen und die dreidimensionale Punktwolke erzeugen. Solid-State-LiDARs bieten auch eine hervorragende Zuverlässigkeit, was ein Schlüsselfaktor in Automobilanwendungen ist. Die Mean Time Between Failure (MTBF) ist aufgrund des Fehlens beweglicher Teile, der Verwendung von VCSELs (bei denen es sich um Laser mit langer Lebensdauer handelt) und der ausgereiften CMOS-Technologie tatsächlich sehr gut.

Ein Vorteil von LiDARs mit beweglichen Teilen ist, wie bereits erwähnt, das weite Sichtfeld, das auf bis zu 360 Grad erweitert werden kann. Drehköpfe ermöglichen den Blick in alle Richtungen. XenomatiX-LiDARs können immer noch ein breites Sichtfeld erreichen, indem mehrere Module kombiniert werden, um eine höhere Abdeckung zu erzielen. Mehrere LiDAR-Einheiten können an den Ecken des Fahrzeugs platziert werden, um keine toten Zonen zu haben.

Mit einem flexiblen und modularen Design bietet XenomatiX einen kleinen, leichten und zukunftssicheren Sensor für eine einfache Integration. Das Unternehmen unterhält fortlaufende Partnerschaften mit Tier-I-Automobilzulieferern wie AGC, Marelli, Kautex und anderen, um eine vollständige, anpassbare, modulare und flexible LiDAR-Lösung zu entwickeln. Diese Partnerschaften werden die Integration von LiDARs in Windschutzscheibe, Heckscheibe, Kühlergrill, Scheinwerfer, Rücklicht und Stoßfänger des Fahrzeugs fördern.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE . veröffentlicht Mal Europa.

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