Продвинутый LiDAR‑модуль Maxim позволяет на 15 км/ч быстрее автономное вождение по трассе

Появление беспилотного вождения решительно расширило присутствие лазерных датчиков обнаружения и дальности (LiDAR) в автомобильной электронной платформе. LiDAR работает по радарному принципу, но использует световые импульсы, излучаемые ИК‑лазерным диодом.

Новые высокоскоростной компаратор MAX40026 и высокополосные транс импедансные усилители (TIA) MAX40660/MAX40661 от Maxim Integrated позволяют на 15 км/ч быстрее автономное вождение по трассе, удваивая полосу пропускания и добавляя 32 канала (всего 128 вместо 96) в LiDAR‑модуле того же размера.

Что такое LiDAR?

Маурицио Гавардони Maxim демонстрирует отладочную плату для четырехканальной приемной системы LiDAR.
Включает оптические фотодиоды от First Sensor и только что запущенные TIA и высокоскоростной компаратор Maxim. (Источник: Maxim Integrated)

Наряду с ИИ, камерами и радарами сенсоры незаменимы для asistированного и автономного вождения. Поскольку они дают точные измерения объектов и обнаруживают препятствия на дороге — упавшие ветви, другие машины, даже ребенка, выбегающего на проезжую часть — LiDAR‑сенсоры способствовали внедрению продвинутых систем помощи водителю (ADAS) и критичны для разработки автономных автомобилей (AV). Восприятие AV окружающей среды должно быть экстремально точным, поэтому экспериментальные робомобили набиты сенсорами. Лазерная система освещения позволяет управлять авто в условиях низкой или нулевой видимости и даже без дорожной разметки.

«LiDAR‑сенсоры играют растущую роль в слиянии автомобильных сенсоров за способностью давать точные измерения расстояний до объектов», — сказал Маурицио Гавардони, старший член технического персонала Maxim Integrated. «Типичный LiDAR посылает световые импульсы, отраженные от объектов и адекватно обнаруженные фотодиодами, позволяя картографировать окружение».

LiDAR‑системы основаны на time‑of‑flight (ToF), измеряющем точные временные события (Рисунок 1). Последние разработки привели к нескольким многолучевым LiDAR‑системам, генерирующим точный 3D‑образ окружения авто. Эта информация используется для выбора наиболее подходящих маневров вождения.

Рисунок 1: Функциональная диаграмма time‑of‑flight (Источник: Maxim Integrated)

Рисунок 2 показывает базовую компоновку LiDAR‑сенсора. Существует два базовых типа: микропульсный и высокоэнергетический. Микропульсные системы развились благодаря растущей вычислительной мощи и прогрессу лазерных технологий. Они используют очень низкую мощность ~1 Вт и полностью безопасны для большинства применений. Высокоэнергетический LiDAR распространен в атмосферном мониторинге для обнаружения параметров: высота, стратификация, плотность облаков.

Рисунок 2: Общая компоновка LiDAR‑сенсора с основными электронными частями (Источник: Maxim Integrated)

«Автомобильные системы самоуправления эволюционируют от 35 миль/ч до 65 миль/ч и выше, но более быстрые автономные системы необходимы», — сказал Гавардони. «Вызовы в удовлетворении этих требований [переводятся] в высокоточные измерения расстояний до объектов, [требующие] большей точности, большего числа каналов для размещения в пространственно‑ограниченных платформах, [и соответствия] строгим требованиям безопасности».

Железо LiDAR

В LiDAR‑проекте транс импедансный усилитель — самая критичная часть электронной компоновки. Низкий шум, высокое усиление, низкая групповая задержка и быстрое восстановление после перегрузки делают новые TIA Maxim идеальными для приложений измерения расстояний.

Схемы TIA часто используются в приложениях, требующих буферизации и масштабирования выхода электро‑оптических решений для высокой скорости и динамического диапазона. TIA — преобразователь тока в напряжение, почти исключительно реализуемый на одном или нескольких оп‑ампs (Рисунок 3).

Рисунок 3: Общая компоновка TIA с обратной поляризацией фотодиода (Источник: Wikipedia)

Фототранзисторы и фотодиоды тесно связаны и конвертируют падающий лазерный свет в электрический ток. Для максимальной производительности проектировщики должны уделять особое внимание интерфейсным схемам, длинам волн и опто‑механическому выравниванию. MAX40660/MAX40661 TIA позволяют значительно более быстрые самоуправляемые системы с высоким разрешением. TIA снижают потребление тока более чем на 80% в низкоэнергетическом режиме. TIA Maxim поддерживают 128 каналов с полосой 490 МГц (MAX40660) и шумом 2.1 пА/√Гц для большей точности измерений (Рисунок 4).

Рисунок 4: Блок‑диаграмма MAX40660 (Источник: Maxim Integrated)

MAX40026 — однополярный высокоскоростной компаратор для ToF измерений расстояний. Его низкая дисперсия задержки распространения 10 пс способствует точному обнаружению стационарных и движущихся объектов. «Меньшая дисперсия задержки и больше каналов на систему позволяют более точные временные измерения, повышая разрешение системы и позволяя более высокую скорость вождения», — сказал Гавардони.

MAX40026 имеет входной common‑mode диапазон 1.5 В до VDD+0.1 В, совместимый с выходными свингами нескольких широко используемых высокоскоростных TIA. Выходная стадия LVDS минимизирует рассеяние мощности и напрямую интерфейсуется со многими FPGA и CPU (Рисунок 5).

Рисунок 5: Функциональная диаграмма MAX40026 (Источник: Maxim Integrated)

Размер новых решений еще больше уменьшен, позволяя разместить больше каналов в автомобильных платформах с ограниченным пространством. Эти интегральные схемы соответствуют самым строгим требованиям безопасности автопрома: квалификация AEC‑Q100, улучшенная ESD‑устойчивость, анализ эффектов и диагностика (FMEDA) для поддержки сертификации ISO 26262 на системном уровне.

>> Эта статья изначально опубликована на нашем партнерском сайте EE Times Europe.