LiDAR auto a sosit

Introducerea recentă de către Daimler a unei opțiuni de Nivel 3 (L3, conducere automată în anumite condiții cu șoferul uman gata să preia conducerea odată chemat) în modelul de lux Clasa S este o descoperire semnificativă pentru revoluția autonomiei. Mai multe alte companii de automobile au anunțat disponibilitatea iminentă a acestei funcții, inclusiv Honda și BMW. Imaginile 3D cu LiDAR (Light Detection and Ranging) sunt o tehnologie cheie de detectare care face acest lucru posibil. Un articol recent (care acoperă LiDAR la Consumer Electronics Show din Las Vegas din ianuarie 2022) a examinat întrebarea „A sosit LiDAR?” Patru luni mai târziu, răspunsul este DA.

Accentul major pentru investițiile de ~5 miliarde de dolari (în ultimii 8 ani) în companiile private LiDAR a fost autonomia deplină (Nivelul 4 sau 5 unde nu este nevoie de șoferi umani) pentru transport, transport și logistică. Realizarea capacității L4/L5 s-a dovedit a fi mai dificilă decât se preconizase inițial din cauza considerentelor tehnice, de siguranță, de reglementare și de cost. În multe cazuri, cazurile de afaceri pentru monetizarea acestei capacități s-au dovedit, de asemenea, a fi neclare. Pentru companiile LiDAR, aceasta este o căutare dificilă, având în vedere orizonturile de timp mai lungi și faptul că principalii jucători L4 își dezvoltă LiDAR-urile interne (Waymo, Aurora, Argo).

Piețele țintă pentru autonomie deplină sunt afacerile, cu volume substanțial mai mici de vehicule (< 5 milioane/an față de ~100 milioane de mașini vândute/an către consumatori). Producătorii OEM de automobile nu erau echipați pentru a concura pe piața cu autonomie completă și au văzut oportunitatea de a adăuga caracteristici de autonomie limitată la mașinile lor și de a vinde propunerea de confort, timp liber și siguranță unei baze mai mari de clienți. Acest lucru a determinat multe companii LiDAR să abordeze autonomia L2 și L3. Anunțurile recente includ companii precum Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) și Innovusion (Nio). S-au cristalizat și parteneriatele cu furnizorii auto Tier 1 (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

Intervalul și densitatea punctului (puncte/secundă sau PPS) sunt parametri critici de performanță care guvernează capacitatea de percepție pe care o oferă LiDAR. Acestea includ detectarea și clasificarea marcajelor de benzi, infrastructura de trafic, suprafața drumului, pietonii, vehiculele și resturile rutiere la o rază adecvată pentru a permite manevre de autonomie sigure și confortabile. În timp ce performanța este esențială, trecerea către mașinile de consum a determinat companiile LiDAR să se concentreze și pe caracteristici mai „mundane”, cum ar fi prețul, dimensiunea, consumul de energie, integrarea/stilizarea vehiculului, scalabilitatea producției și certificarea de siguranță. Recenta conferință Autosens de la Detroit a evidențiat acest lucru și este un bun indicator că LiDAR pentru piața auto a sosit în sfârșit. Au participat în total șapte companii LiDAR – Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo și Xenomatix.

Bani bani bani

O sesiune de panel la Autosens a discutat despre pragul de preț (sau durere) care face ca LiDAR să fie accesibil pentru vehiculele de consum. Nu au fost menționate numere specifice (din motive evidente). Ca referință, camerele auto și radarul au prețuri între 10-20 USD și, respectiv, 50-100 USD, iar visul este ca LiDAR să atingă puncte de preț similare. Acest lucru este nerezonabil în viitorul previzibil din câteva motive. În primul rând, camerele și radarele au experimentat câteva decenii de maturitate și scalare pentru mașinile de consum pentru ADAS (Sisteme de asistență pentru șofer auto). În al doilea rând, se bazează în primul rând pe siliciu și tehnologiile CMOS care valorifică amploarea electronicelor de larg consum și industriale. LiDAR este mai puțin matur și se bazează pe tehnologia complexă a semiconductoarelor optice (în special laserele). Lanțul de aprovizionare din acest domeniu pur și simplu nu este poziționat astăzi pentru a susține astfel de prețuri.

O modalitate de a raționaliza un preț prag acceptabil pentru LiDAR este de a-l raporta la prețul opțiunii L3. Pentru Mercedes S-Class, aceasta este ~ 5000 USD. Având în vedere că LiDAR face posibilă această funcționalitate, este rezonabil să presupunem că LiDAR poate comanda un preț de 500 USD (sau 10% din prețul opțiunii L3). Pe măsură ce mașinile cu preț mediu încep să ofere această opțiune, prețul L3 va trebui să se reducă (~3000 USD), prețul LiDAR reducându-se la ~300 USD. Acceptarea largă a clienților este probabil să apară numai dacă domeniul de proiectare operațional (ODD) se extinde (în ceea ce privește vitezele, locația, vremea etc.) și nu apar incidente semnificative de siguranță în timpul acestei evoluții.

Mărimea contează

„Style Studio este King” tema a fost accentuată în mod repetat la Autosens, cu sfatul că integrarea senzorilor trebuie să aibă loc fără a compromite stilul general și atractivitatea emoțională a mașinilor de consum. Dimensiunea și consumul de energie guvernează unde și cum sunt integrați senzorii. Cea mai mare parte a energiei consumate în senzori (în special LiDAR) este convertită în căldură. Minimizarea acestui lucru este benefică din perspectiva eficienței, managementului termic și reducerii dimensiunilor.

Senzorii radar variază între 100-500 cm³ în volum și consumă 5-15 W de putere (în funcție de performanță). Camerele sunt semnificativ mai mici și eficiente din punct de vedere energetic (de obicei, în intervalul 25 – 200 cm³ și consum de energie de ~3W). Imobilele sunt prețioase într-o mașină și, pe măsură ce funcționalitățile L2 și L3 evoluează, LiDAR-urile trebuie să concureze cu acești senzori convenționali pentru spațiu, putere, resurse de calcul și management termic.

Tabelul 1 compară dimensiunea și consumul de energie al modelelor LiDAR în intervalul și parametrii de performanță PPS (puncte/secundă):

Fizica de funcționare, abordarea scanării și lungimea de undă sunt factori critici care conduc dimensiunea și consumul de energie. Principalele concluzii din tabelul 1 sunt următoarele:

1. ④ este abordarea cel mai puțin compactă. Funcționarea la 1550 nm ToF (Time-of-Flight) necesită lasere cu fibră de mare putere, care nu sunt la fel de compacte ca laserele cu diode semiconductoare. Scanarea 2D și deschiderile separate de transmisie/recepție tind, de asemenea, să facă LiDAR-ul mai voluminos.
2. ① pare a fi cea mai compactă abordare. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) permite utilizarea laserelor cu diode cu putere mai mică, coerente și reglabile. Scanarea are loc într-o singură dimensiune (direcție orizontală), în timp ce scanarea verticală se realizează cu lasere reglabile și optică asemănătoare prismei (fără părți în mișcare). De asemenea, folosește o arhitectură mono-statică (transmisia/recepția are loc printr-o singură deschidere).
3. În comparație cu 905 nm (②), LiDAR-urile de 1550 nm (① și ④) consumă energie mai mare, dar oferă și performanțe mai mari. Consumul mai mare de energie se datorează mai multor factori. În primul rând, laserele pot fi conduse la o putere optică mai mare (pragurile de siguranță pentru ochi pentru 1550 nm sunt mult mai mari decât la 905 nm). În al doilea rând, laserele de 1550 nm sunt mai puțin eficiente și consumă mai multă energie electrică. În cele din urmă, datorită sensibilității mai mari la temperatură, laserele de 1550 nm trebuie să fie răcite sau stabilizate. Acest lucru consumă putere și dimensiune.
4. Îmbunătățirile generaționale în gama LiDAR și performanța PPS (Innoviz și Valeo în ②) cresc consumul de energie. Acest lucru este de înțeles, deoarece o performanță mai mare necesită mai multă putere laser, ciclu de lucru și frecvență spațială. Puterea de calcul de procesare a semnalului crește și ea. Dimensiunea crește proporțional cu consumul de energie crescut.
5. În raport cu performanța modestă pe care o oferă Flash LiDAR (③), este scump în ceea ce privește dimensiunea și consumul de energie. Dacă eliminarea pieselor în mișcare este un aspect cheie (considerații de fiabilitate sau integrare), arhitecturile care utilizează scanarea electronică sunt mult mai atractive (③), deoarece oferă performanțe semnificativ mai mari la o dimensiune echivalentă și un consum de energie dramatic mai mic. Compromisul este că operarea obturatorului global nu este posibilă, ceea ce duce la efecte de estompare în norul de puncte.
6. Parteneriatele de co-design între producătorii LiDAR și companiile de nivel 1 (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) sunt benefice în ceea ce privește reducerea dimensiunii.

LiDAR se maturizează în ceea ce privește integrarea, dimensiunea și consumul de energie. Față de radar, este încă de ~2-3X mai mare în ceea ce privește dimensiunea și consumul de energie. Camerele de imagine sunt și mai compacte și mai eficiente din punct de vedere energetic (dimensiune mai mică de 10 ori mai mică, putere de 5 ori mai mică).

Va ajunge vreodată LiDAR la egalitatea cu acești alți senzori în timp? 1550 nm FMCW LiDAR (①) oferă cel mai bun potențial de paritate a dimensiunii cu radarul odată implementat într-o platformă fotonică de siliciu cu scanare optică la scară de cip în două dimensiuni (o zonă de cercetare activă astăzi, dar încă nu este practic fezabilă). Este puțin probabil ca consumul de energie să se reducă, deoarece ar trebui să apară îmbunătățiri majore ale materialelor în tehnologia laser fundamentală (în ultimele trei decenii au avut loc investiții semnificative în acest domeniu pentru a sprijini comunicarea prin fibră optică și sunt puțin probabile îmbunătățiri dramatice). Cea mai mare parte a consumului de energie se datorează laserului, iar peste 70% din aceasta este transformată în căldură, care trebuie gestionată. Aceasta, la rândul său, stabilește o limită inferioară a dimensiunii.

Fabricare: 1-1000 este ușor, 1000,000 este greu (dacă vrei să câștigi $)

Asigurarea faptului că un senzor opto-mecanic complex, cum ar fi LiDAR, poate scala cu grație de la prototipuri la producție de volum mare necesită ca lanțul de aprovizionare și capacitatea de fabricație să fie luate în considerare în etapele incipiente ale proiectării. Parteneriatele dintre companiile LiDAR și furnizorii de nivel 1 (care au stăpânit procesele și știința de scalare eficientă în producția de volum) sunt neprețuite în acest sens.

Valeo proiectează și produce LiDAR (seria SCALA). La Autosens, ei au prezentat considerente care influențează procesul de proiectare – alegeri tehnologice, furnizori, simplitatea procesului, cost, fiabilitate și scalabilitate. Timpii de ciclu și nivelurile de deșeuri sunt analizate și verificate riguros. Filozofia Valeo a fost să introducă modele „adaptate pentru funcționalitate” care să răspundă nevoilor actuale ale clienților din domeniul auto (s-ar putea să nu conducă inițial concurenților în ceea ce privește performanța, dar sunt fiabile și ușor de implementat de către clienți), să le lanseze în producția de volum și să utilizeze scalarea și costurile reduse. experiență ca bază pentru îmbunătățiri de performanță pentru proiecte viitoare. Peste 170,000 de LiDAR de calitate auto au fost fabricate până în prezent (în toate seriile SCALA 1 și 2, SCALA 2 este în prezent proiectat în clasa Mercedes S discutată mai devreme). SCALA 3 valorifică această experiență cu performanțe semnificativ mai mari și este de așteptat să fie lansată în 2023. Abordarea Valeo (care este tipică pentru Tier 1 și pentru alte companii de producție cu volum mare) este diferită de multe companii LiDAR finanțate prin risc, care tind să se concentreze inițial pe maximizarea performanță și să presupunem că cerințele de scalare și costuri vor fi abordate odată cu creșterea volumelor. Aceasta este o propunere dificilă.

Seagate Technology este un mare producător de hard disk-uri (HDD), producând peste 100 de milioane de unități pe an. La Autosens, aceștia și-au prezentat și demonstrat LiDAR, un sistem de 1550 nm capabil de o vibrație dinamică, un câmp vizual de 120°, o rază de acțiune de 250 m și un consum de energie de 25 W. Compania a fost pionierul HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) pentru creșterea capacității de stocare a HDD-ului. Diodele laser montate pe capul de înregistrare sunt folosite pentru a încălzi local biți unici pentru a inversa polaritatea magnetică și pentru a ajuta procesul de scriere. Optica, mecanica de precizie, electronica de mare viteză și scanarea sunt platforme cheie de proiectare. Liniile de producție HDD utilizează poziționarea precisă (sub-micron) și lipirea pieselor optice, mecanice și electronice și testarea în linie și finală de mare capacitate. Strategia Seagate este de a valorifica brevetele, blocurile tehnologice relevante și infrastructura de producție a produselor lor HDD pentru LiDAR auto. Efortul a fost în desfășurare în ultimii 2-3 ani și, în acest moment, specificațiile și planurile detaliate nu sunt publice. Seagate este probabil diferit de orice alt participant până în prezent în ecosistemul aglomerat LiDAR. Ei încep cu o linie de producție existentă de mare volum, cu costuri reduse și inserează în ea design de produse de complexitate similară. Ele ar putea perturba piața LiDAR în viitor.

Trioptics (o divizie a Jenoptik) a prezentat unele dintre provocările echipamentelor de producție ale construirii LiDAR în volume mari pentru piața auto. Alinierea și legarea de precizie a componentelor optice, mecanice și electronice este cheia pentru producția LiDAR de mare capacitate, la fel ca și capacitatea de a calibra și testa subansamblurile și produsele finale la timpi de ciclu foarte mici. Cheia este să vă asigurați că fiecare subcomponentă este proiectată și achiziționată cu niveluri de precizie și valori de referință adecvate, astfel încât automatizarea robotică să poată funcționa eficient. Trioptics construiește echipamente disponibile comercial pentru producția LiDAR și propunerea lor este similară cu scalarea sistemelor de comunicații bazate pe fibră optică în urmă cu două decenii. A dat naștere unei industrii de echipamente specializate dedicată producției de componente opto-electronice, inclusiv ardere/testare, aliniere/atașare a fibrelor, lipire matriță/sârmă, etanșare ermetică și sisteme de testare a fiabilității.

Standarde de siguranță și certificare

NVIDIA și-a prezentat abordarea pentru abordarea a două standarde cheie pentru certificarea de siguranță a senzorilor: Standardul de siguranță funcțională ISO 26262 și standardul în curs de dezvoltare ISO 21448 care se ocupă de Siguranța funcției intenționate (SOTIF). Acesta din urmă abordează modul în care o caracteristică anume a vehiculului funcționează peste ODD-ul promis. Pentru un senzor nou precum LiDAR, traducerea acestui lucru în detectarea și clasificarea obiectelor (de exemplu un vehicul, un pieton, obstacole și infrastructură de trafic) în condiții de iluminare și vreme nefavorabile este critică. Furnizorii LiDAR sunt din ce în ce mai concentrați pe acest nou standard, deși nu este clar dacă acesta este ceva ce va fi întreprins de OEM sau Tier 1 (deoarece se poate baza pe fuziune și stive de software de nivel superior).

LiDAR auto a sosit cu siguranță. În timp ce piața autonomiei L4 este încă departe, nivelurile limitate de autonomie (L2 și L3) care necesită LiDAR oferă o oportunitate mai profitabilă și pe termen scurt. Oportunitățile de proiectare sunt limitate și concurența pentru acestea este brutală. Câștigarea acestora va necesita furnizarea echilibrului corect între performanță, cost, fiabilitate și ușurință de integrare.