Automobilový LiDAR dorazil

Nedávné představení volitelné výbavy úrovně 3 (L3, automatizovaná jízda za určitých podmínek s lidským řidičem připraveným převzít řízení po přivolání) společností Daimler v luxusním modelu třídy S je významným průlomem v revoluci autonomie. Mnoho dalších automobilových společností oznámilo bezprostřední dostupnost této funkce, včetně Honda a BMW. 3D zobrazování pomocí LiDAR (Light Detection and Ranging) je klíčovou technologií snímání, která to umožňuje. Nedávný článek (pokrývající LiDAR na výstavě spotřební elektroniky v lednu 2022 v Las Vegas) zkoumal otázku "Přišel LiDAR?" O čtyři měsíce později je odpověď ANO.

Hlavním zaměřením investic ~ 5 miliard USD (za posledních 8 let) do soukromých společností LiDAR byla plná autonomie (úroveň 4 nebo 5, kde nejsou potřeba žádní řidiči) pro jízdu, kamionovou dopravu a logistiku. Ukázalo se, že realizace schopností L4/L5 je náročnější, než se původně předpokládalo, a to kvůli technickým, bezpečnostním, regulačním a cenovým úvahám. V mnoha případech se ukázalo, že obchodní případy pro zpeněžení této schopnosti jsou také nejasné. Pro společnosti LiDAR je to obtížný úkol vzhledem k delším časovým horizontům a skutečnosti, že hlavní hráči L4 vyvíjejí své interní LiDARy (Waymo, Aurora, Argo).

Cílovými trhy pro plnou autonomii jsou podniky s podstatně nižšími objemy vozidel (< 5 milionů ročně oproti ~100 milionům vozů prodaných ročně spotřebitelům). Automobiloví výrobci OEM nebyli dostatečně vybaveni, aby mohli konkurovat na trhu s plnou autonomií, a viděli příležitost přidat do svých vozů funkce omezené autonomie a prodat nabídku pohodlí, volného času a bezpečnosti širší zákaznické základně. To přimělo mnoho společností LiDAR k řešení autonomie L2 a L3. Nedávná oznámení zahrnují společnosti jako Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) a Innovusion (Nio). Vykrystalizovala také partnerství s dodavateli automobilového Tier 1 (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

Rozsah a hustota bodů (body/sekunda nebo PPS) jsou kritické výkonnostní parametry, které řídí schopnost vnímání, kterou LiDAR poskytuje. Patří mezi ně detekce a klasifikace značení jízdních pruhů, dopravní infrastruktury, povrchu vozovky, chodců, vozidel a úlomků vozovky v dostatečném dosahu, který umožňuje bezpečné a pohodlné manévry autonomie. Zatímco výkon je kritický, orientace na spotřebitelské vozy přiměla společnosti LiDAR k tomu, aby se zaměřily také na „všednější“ vlastnosti, jako je cena, velikost, spotřeba energie, integrace/styling vozidla, škálovatelnost výroby a bezpečnostní certifikace. Nedávná konference Autosens v Detroitu to zdůraznila a je dobrým indikátorem toho, že LiDAR pro automobilový trh konečně dorazil. Zúčastnilo se celkem sedm společností LiDAR – Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo a Xenomatix.

Peníze, peníze, peníze

Panelová schůzka v Autosens diskutovala o prahu ceny (nebo bolesti), díky kterému je LiDAR cenově dostupný pro spotřebitelská vozidla. Nebyla uvedena žádná konkrétní čísla (z pochopitelných důvodů). Pro srovnání, automobilové kamery a radary se pohybují v rozmezí 10-20 USD a 50-100 USD a snem je, že LiDAR dosáhne podobných cenových bodů. To je v dohledné době nerozumné z několika důvodů. Za prvé, kamery a radary zažily několik desetiletí vyspělosti a škálování pro spotřebitelské vozy pro ADAS (Automotive Driver Assistance Systems). Za druhé, spoléhají především na křemíkové a CMOS technologie, které využívají rozsah spotřební a průmyslové elektroniky. LiDAR je méně vyspělý a spoléhá se na komplexní technologii optických polovodičů (zejména lasery). Dodavatelský řetězec v této oblasti dnes prostě není v pozici, aby podporoval takové ceny.

Jedním ze způsobů, jak racionalizovat přijatelnou prahovou cenu pro LiDAR, je vztáhnout ji k ceně opce L3. U Mercedesu třídy S je to ~5000 $. Vzhledem k tomu, že LiDAR tuto funkci umožňuje, je rozumné předpokládat, že LiDAR může získat cenový bod 500 $ (nebo 10 % ceny opce L3). Jakmile tuto možnost začnou nabízet vozy střední ceny, bude se muset cena L3 snížit (~ 3000 300 $) a cena LiDAR se sníží na ~ XNUMX $. Široké přijetí ze strany zákazníků pravděpodobně nastane pouze v případě, že se doména provozního návrhu (ODD) rozšíří (z hlediska rychlosti, umístění, počasí atd.) a během tohoto vývoje nedojde k žádným významným bezpečnostním incidentům.

Size Matters

Projekt “Style Studio je král” toto téma bylo opakovaně zdůrazněno v Autosens s radou, že integrace senzorů musí probíhat bez kompromisů v celkovém stylu a emocionální přitažlivosti spotřebitelských vozů. Velikost a spotřeba energie určují, kde a jak jsou senzory integrovány. Většina energie spotřebované v senzorech (zejména LiDAR) se přeměňuje na teplo. Minimalizace je výhodná z hlediska efektivity, tepelného managementu a zmenšení velikosti.

Radarové senzory mají objem 100-500 cm³ a ​​spotřebují 5-15W energie (v závislosti na výkonu). Kamery jsou výrazně menší a energeticky úsporné (typicky v rozmezí 25 – 200 cm³ a ​​spotřeba ~3W). Nemovitost je v autě drahocenná a jak se funkce L2 a L3 vyvíjejí, LiDAR musí konkurovat těmto konvenčním senzorům v oblasti prostoru, napájení, výpočetních zdrojů a tepelného managementu.

Tabulka 1 porovnává velikost a spotřebu energie designů LiDAR napříč rozsahem a výkonnostními parametry PPS (body/sekunda):

Provozní fyzika, přístup ke skenování a vlnová délka jsou kritickými faktory, které řídí velikost a spotřebu energie. Hlavní závěry z tabulky 1 jsou následující:

1. ④ je nejméně kompaktní přístup. Operace 1550 nm ToF (Time-of-Flight) vyžaduje vláknové lasery s vysokým špičkovým výkonem, které nejsou tak kompaktní jako polovodičové diodové lasery. 2D skenování a oddělené vysílací/přijímací otvory také činí LiDAR objemnějším.
2. ① se zdá být nejkompaktnějším přístupem. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) umožňuje použití koherentních, laditelných diodových laserů s nižším výkonem. Skenování probíhá v jednom rozměru (horizontálním směru), zatímco vertikální skenování se provádí pomocí laditelných laserů a hranolové optiky (bez pohyblivých částí). Využívá také monostatickou architekturu (vysílání/příjem probíhá přes jeden otvor).
3. Ve srovnání s 905 nm (②) spotřebovávají 1550 nm LiDAR (① a ④) vyšší energii, ale také poskytují výkon s vyšším dosahem. Vyšší spotřeba energie je způsobena více faktory. Za prvé, lasery mohou být řízeny s vyšším optickým výkonem (prahové hodnoty pro bezpečnost očí pro 1550 nm jsou mnohem vyšší než pro 905 nm). Za druhé, 1550 nm lasery jsou méně účinné a spotřebovávají více elektrické energie. A konečně, kvůli vyšší teplotní citlivosti je potřeba 1550 nm lasery chladit nebo teplotně stabilizovat. To spotřebovává energii a velikost.
4. Generační vylepšení řady LiDAR a výkonu PPS (Innoviz a Valeo v ②) zvyšují spotřebu energie. To je pochopitelné, protože vyšší výkon vyžaduje vyšší výkon laseru, pracovní cyklus a prostorovou frekvenci. Zvyšuje se také výpočetní výkon zpracování signálu. Velikost se úměrně mění se zvýšenou spotřebou energie.
5. V poměru ke skromnému výkonu, který Flash LiDAR (③) poskytuje, je drahý z hlediska velikosti a spotřeby energie. Pokud je eliminace pohyblivých částí klíčovým hlediskem (z hlediska spolehlivosti nebo integrace), jsou architektury využívající elektronické skenování mnohem atraktivnější (③), protože poskytují výrazně vyšší výkon při stejné velikosti a výrazně nižší spotřebu energie. Kompromisem je, že globální provoz závěrky není možný, což vede k rozmazání efektů v mračnu bodů.
6. Co-design partnerství mezi výrobci LiDAR a Tier 1 společnostmi (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) je přínosné z hlediska zmenšení velikosti.

LiDAR dospívá z hlediska integrace, velikosti a spotřeby energie. Ve srovnání s radarem je stále ~2-3X větší, pokud jde o velikost a spotřebu energie. Zobrazovací kamery jsou ještě kompaktnější a energeticky úspornější (menší než 10x menší velikost, 5x výkon).

Dosáhne LiDAR někdy časem parity s těmito dalšími senzory? 1550 nm FMCW LiDAR (①) nabízí nejlepší potenciál pro velikostní paritu s radarem, který byl kdysi implementován v křemíkové fotonické platformě s optickým skenováním v čipovém měřítku ve dvou rozměrech (oblast dnes aktivního výzkumu, ale dosud prakticky nerealizovatelná). Spotřeba energie se pravděpodobně nesníží, protože v základní laserové technologii by muselo dojít k zásadním vylepšením materiálů (v posledních třech desetiletích došlo v této oblasti k významným investicím na podporu komunikace pomocí optických vláken a dramatická zlepšení jsou nepravděpodobná). Hlavní část spotřeby energie má na svědomí laser a více než 70 % této spotřeby se přeměňuje na teplo, které je třeba řídit. To zase nastavuje spodní hranici velikosti.

Výroba: 1-1000 je snadná, 1000,000 XNUMX těžká (pokud chcete vydělat $)

Zajištění toho, aby se komplexní optomechanický senzor, jako je LiDAR, mohl elegantně škálovat od prototypů až po velkoobjemovou výrobu, vyžaduje, aby dodavatelský řetězec a vyrobitelnost byly zváženy již v raných fázích návrhu. V tomto ohledu jsou neocenitelná partnerství mezi společnostmi LiDAR a dodavateli Tier 1 (kteří zvládli procesy a vědu efektivního škálování do sériové výroby).

Valeo navrhuje a vyrábí svůj LiDAR (řada SCALA). Ve společnosti Autosens prezentovali úvahy, které ovlivňují proces navrhování – výběr technologií, dodavatele, jednoduchost procesu, náklady, spolehlivost a škálovatelnost. Doby cyklů a úrovně zmetků jsou přísně analyzovány a ověřovány. Filozofií společnosti Valeo bylo zavést návrhy „vhodné pro funkci“, které splňují současné potřeby zákazníků z oblasti automobilového průmyslu (nemusí zpočátku vést konkurenty ve výkonu, ale jsou spolehlivé a pro zákazníky je snadné je nasadit), uvést je do sériové výroby a využívat škálování a nízké náklady. zkušenosti jako základ pro vylepšení výkonu pro budoucí návrhy. K dnešnímu dni bylo vyrobeno více než 170,000 1 automobilových LiDARů (v řadě SCALA 2 a 2 je SCALA 3 v současné době navržena pro Mercedes S třídu, o které jsme hovořili výše). SCALA 2023 využívá tyto zkušenosti s výrazně vyšším výkonem a očekává se, že bude uveden na trh v roce 1. Přístup společnosti Valeo (který je typický pro Tier XNUMX a další velkoobjemové výrobní společnosti) se liší od mnoha společností financovaných rizikovými společnostmi LiDAR, které se zpočátku zaměřují na maximalizaci výkon a předpokládejme, že požadavky na škálování a náklady budou vyřešeny, jakmile se objemy zvýší. To je obtížný návrh.

Seagate Technology je velký výrobce pevných disků (HDD), vyrábí více než 100 milionů kusů ročně. Na Autosens představili a předvedli svůj LiDAR, 1550 nm systém schopný dynamické foveace, 120° zorného pole, 250 m dosahu a 25W spotřeby. Společnost je průkopníkem HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) pro zvýšení úložné kapacity HDD. Laserové diody namontované na záznamové hlavě se používají k místnímu zahřívání jednotlivých bitů k převrácení magnetické polarity a napomáhají při procesu zápisu. Optika, přesná mechanika, vysokorychlostní elektronika a skenování jsou klíčovými konstrukčními platformami. Výrobní linky HDD využívají přesné polohování (submikronové) a lepení optických, mechanických a elektronických dílů a vysokou propustnost in-line a závěrečné testování. Strategií společnosti Seagate je využít patenty, příslušné technologické bloky a výrobní infrastrukturu jejich produktů HDD pro automobilový LiDAR. Úsilí trvá poslední 2-3 roky a v tuto chvíli nejsou podrobné specifikace a plány veřejné. Seagate se pravděpodobně nepodobá žádnému jinému subjektu, který dosud vstoupil do přeplněného ekosystému LiDAR. Začínají se stávající velkoobjemovou, nízkonákladovou výrobní linkou a vkládají do ní návrhy výrobků podobné složitosti. V budoucnu by mohly narušit trh LiDAR.

Trioptics (divize Jenoptik) představila některé z výzev výrobního zařízení při budování LiDARu ve velkých objemech pro automobilový trh. Přesné vyrovnání a lepení optických, mechanických a elektronických součástek je klíčem k vysoce výkonné výrobě LiDAR, stejně jako schopnost kalibrovat a testovat podsestavy a finální produkty při velmi krátkých dobách cyklu. Klíčem je zajistit, aby každá dílčí součást byla navržena a pořízena s odpovídající úrovní přesnosti a referenčními značkami, aby mohla robotická automatizace efektivně fungovat. Trioptics buduje komerčně dostupná zařízení pro výrobu LiDAR a jejich návrh je podobný škálování komunikačních systémů na bázi optických vláken před dvěma desetiletími. Vznikl specializovaný průmyslový průmysl zaměřený na výrobu optoelektronických součástek, včetně vypalování/testování, vyrovnávání/připojování vláken, spojování matricí/drátem, hermetického těsnění a systémů testování spolehlivosti.

Bezpečnostní normy a certifikace

NVIDIA představila svůj přístup k řešení dvou klíčových standardů pro bezpečnostní certifikaci senzorů: ISO 26262 Funkční bezpečnostní standard a nově vznikající standard ISO 21448, který se zabývá bezpečností zamýšlené funkce (SOTIF). Ten se zabývá tím, jak konkrétní funkce vozidla funguje nad slíbenou ODD. Pro nový senzor, jako je LiDAR, je kritické převést to na detekci a klasifikaci objektů (například vozidla, chodce, překážky a dopravní infrastruktura) v nepříznivých světelných a povětrnostních podmínkách. Dodavatelé LiDAR se stále více zaměřují na tento nový standard, i když není jasné, zda se jedná o něco, co bude provádět OEM nebo Tier 1 (protože se může spoléhat na fúzi a softwarové balíčky vyšší úrovně).

Automobilový LiDAR definitivně dorazil. Zatímco trh autonomie L4 je stále daleko, omezené úrovně autonomie (L2 a L3), které vyžadují LiDAR, nabízejí lukrativnější a krátkodobou příležitost. Možnosti designu jsou omezené a soutěžit o ně je brutální. Jejich získání bude vyžadovat poskytnutí správné rovnováhy mezi výkonem, cenou, spolehlivostí a snadnou integrací.