Avtomobilski LiDAR je prispel

Daimlerjeva nedavna uvedba možnosti 3. stopnje (L3, avtomatizirana vožnja v določenih pogojih s človeškim voznikom, ki je pripravljen prevzeti, ko ga pokličejo) v luksuzni model razreda S je pomemben preboj za revolucijo avtonomije. Več drugih avtomobilskih podjetij je objavilo skorajšnjo razpoložljivost te funkcije, vključno s Hondo in BMW. 3D slikanje z LiDAR (Light Detection and Ranging) je ključna tehnologija zaznavanja, ki to omogoča. Nedavni članek (ki pokriva LiDAR na sejmu zabavne elektronike januarja 2022 v Las Vegasu) je preučil vprašanje "Ali je LiDAR prispel?" Štiri mesece pozneje je odgovor DA.

Glavni poudarek za naložbe v višini ~5 milijard dolarjev (v zadnjih 8 letih) v zasebna podjetja LiDAR je bila popolna avtonomija (stopnja 4 ali 5, kjer niso potrebni človeški vozniki) za prevoz, tovornjake in logistiko. Uresničevanje zmogljivosti L4/L5 se je izkazalo za bolj zahtevno, kot je bilo prvotno predvideno zaradi tehničnih, varnostnih, regulativnih in stroškovnih premislekov. V mnogih primerih so se tudi poslovni primeri za monetizacijo te zmogljivosti izkazali za nejasne. Za podjetja LiDAR je to težko iskanje glede na daljša časovna obdobja in dejstvo, da glavni igralci L4 razvijajo svoje notranje LiDAR-je (Waymo, Aurora, Argo).

Ciljni trgi za popolno avtonomijo so podjetja z bistveno manjšo količino vozil (< 5M/leto v primerjavi s približno 100M avtomobilov, prodanih potrošnikom/leto). Avtomobilski proizvajalci originalne opreme so bili slabo opremljeni za tekmovanje na trgu popolne avtonomije in so videli priložnost za dodajanje omejenih funkcij avtonomije svojim avtomobilom in prodajo ponudbe udobja, prostega časa in varnosti večji bazi strank. To je spodbudilo številna podjetja LiDAR, da obravnavajo avtonomijo L2 in L3. Nedavne objave vključujejo podjetja, kot so Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) in Innovusion (Nio). Izkristalizirala so se tudi partnerstva z dobavitelji avtomobilske industrije Tier 1 (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

Domet in gostota točk (točke/sekundo ali PPS) sta kritična parametra zmogljivosti, ki urejata zmožnost zaznavanja, ki jo zagotavlja LiDAR. Ti vključujejo odkrivanje in razvrščanje oznak na voznih pasovih, prometne infrastrukture, cestne površine, pešcev, vozil in cestnih odpadkov na ustreznem dosegu, ki omogoča varne in udobne avtonomne manevre. Medtem ko je zmogljivost ključnega pomena, je usmeritev k potrošniškim avtomobilom spodbudila podjetja LiDAR, da se osredotočijo tudi na bolj »svetovne« značilnosti, kot so cena, velikost, poraba energije, integracija/slog vozila, razširljivost proizvodnje in varnostno certificiranje. Nedavna konferenca Autosens v Detroitu je to poudarila in je dober pokazatelj, da je LiDAR za avtomobilski trg končno prispel. Sodelovalo je sedem podjetij LiDAR – Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo in Xenomatix.

Denar, denar, denar

Na panelni seji pri Autosensu so razpravljali o cenovnem (ali bolečinskem) pragu, zaradi katerega je LiDAR cenovno dostopen vlečno vozilo za potrošniška vozila. Posebne številke niso bile omenjene (iz očitnih razlogov). Kot referenca, avtomobilske kamere in radarji imajo cene v razponu od 10 do 20 dolarjev oziroma 50 do 100 dolarjev, sanje pa so, da bo LiDAR dosegel podobne cene. To je v bližnji prihodnosti nerazumno iz več razlogov. Prvič, kamere in radarji so doživeli več desetletij zrelosti in prilagajanja za potrošniške avtomobile za ADAS (Automotive Driver Assistance Systems). Drugič, zanašajo se predvsem na tehnologije silicija in CMOS, ki izkoriščajo obseg potrošniške in industrijske elektronike. LiDAR je manj zrel in se zanaša na kompleksno optično polprevodniško tehnologijo (zlasti laserje). Dobavna veriga na tem področju danes preprosto ni v položaju, da bi podpirala takšne cene.

Eden od načinov za racionalizacijo sprejemljive mejne cene za LiDAR je, da jo povežete s ceno opcije L3. Za Mercedes razreda S je to ~5000 $. Glede na to, da LiDAR omogoča to funkcionalnost, je smiselno domnevati, da lahko LiDAR zahteva ceno 500 $ (ali 10 % cene opcije L3). Ko bodo avtomobili srednjega cenovnega razreda začeli ponujati to možnost, se bo morala cena L3 znižati (~ 3000 $), cena LiDAR pa se bo znižala na ~ 300 $. Široko sprejetje strank je verjetno le, če se domena operativnega načrtovanja (ODD) razširi (glede hitrosti, lokacije, vremena itd.) in med tem razvojem ne pride do pomembnih varnostnih incidentov.

Size Matters

O “Style Studio je kralj” Tema je bila pri Autosensu večkrat poudarjena z nasvetom, da mora biti integracija senzorjev izvedena brez ogrožanja splošnega sloga in čustvene privlačnosti potrošniških avtomobilov. Velikost in poraba energije določata, kje in kako so senzorji integrirani. Večina energije, porabljene v senzorjih (zlasti LiDAR), se pretvori v toploto. Zmanjšanje tega je koristno z vidika učinkovitosti, toplotnega upravljanja in zmanjšanja velikosti.

Radarski senzorji imajo prostornino od 100 do 500 cm³ in porabijo 5-15 W moči (odvisno od zmogljivosti). Kamere so bistveno manjše in energetsko učinkovite (običajno v območju 25 – 200 cm³ in poraba energije ~3 W). Nepremičnine so v avtomobilu dragocene, in ko se funkcije L2 in L3 razvijajo, morajo LiDAR-ji tekmovati s temi običajnimi senzorji za prostor, moč, računalniške vire in toplotno upravljanje.

Tabela 1 primerja velikost in porabo energije zasnove LiDAR po razponu in parametrih zmogljivosti PPS (točke/sekundo):

Operativna fizika, pristop skeniranja in valovna dolžina so ključni dejavniki, ki vplivajo na velikost in porabo energije. Glavni sklepi iz tabele 1 so naslednji:

1. ④ je najmanj kompakten pristop. Za delovanje 1550 nm ToF (Time-of-Flight) so potrebni laserji z vlakni visoke največje moči, ki niso tako kompaktni kot polprevodniški diodni laserji. 2D skeniranje in ločene oddajne/sprejemne odprtine prav tako naredijo LiDAR večji.
2. ① se zdi najbolj kompakten pristop. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) omogoča uporabo koherentnih, nastavljivih diodnih laserjev z manjšo močjo. Skeniranje poteka v eni dimenziji (horizontalna smer), medtem ko je navpično skeniranje doseženo z nastavljivimi laserji in optiko, podobno prizmu (brez gibljivih delov). Uporablja tudi monostatično arhitekturo (oddajanje/sprejem poteka skozi eno zaslonko).
3. V primerjavi z 905 nm (②), 1550 nm LiDAR (① in ④) porabijo večjo moč, vendar zagotavljajo tudi višjo zmogljivost v dosegu. Večja poraba energije je posledica več dejavnikov. Prvič, laserje je dovoljeno poganjati z večjo optično močjo (pragovi varnosti oči za 1550 nm so veliko višji kot pri 905 nm). Drugič, 1550 nm laserji so manj učinkoviti in porabijo več električne energije. Končno, zaradi višje temperaturne občutljivosti je treba 1550 nm laserje ohladiti ali temperaturno stabilizirati. To porablja moč in velikost.
4. Generacijske izboljšave v obsegu LiDAR in zmogljivosti PPS (Innoviz in Valeo v ②) povečujejo porabo energije. To je razumljivo, saj večja zmogljivost zahteva večjo moč laserja, delovni cikel in prostorsko frekvenco. Poveča se tudi računalniška moč za obdelavo signalov. Velikost se spreminja sorazmerno s povečano porabo energije.
5. Glede na skromno zmogljivost, ki jo zagotavlja Flash LiDAR (③), je drag glede na velikost in porabo energije. Če je odprava gibljivih delov ključni dejavnik (zanesljivost ali integracija), so arhitekture, ki uporabljajo elektronsko skeniranje, veliko bolj privlačne (③), saj zagotavljajo bistveno večjo zmogljivost pri enakovredni velikosti in dramatično nižji porabi energije. Kompromis je, da globalno delovanje zaklopa ni mogoče, kar vodi do zamegljevanja v oblaku točk.
6. Partnerstva za skupno oblikovanje med proizvajalci LiDAR in podjetji Tier 1 (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) so koristna v smislu zmanjšanja velikosti.

LiDAR dozoreva v smislu integracije, velikosti in porabe energije. Glede na radar je še vedno približno 2-3X večji glede na velikost in porabo energije. Slikovne kamere so še bolj kompaktne in energetsko učinkovite (manj kot 10X manjše velikosti, 5X po moči).

Ali bo LiDAR sčasoma kdaj dosegel pariteto s temi drugimi senzorji? 1550 nm FMCW LiDAR (①) ponuja najboljši potencial za pariteto velikosti z radarjem, ki je bil nekoč implementiran v silicijevo fotonično platformo z optičnim skeniranjem v dveh dimenzijah v velikosti čipa (področje aktivnih raziskav danes, vendar še ni praktično izvedljivo). Poraba energije se verjetno ne bo zmanjšala, saj bi bilo treba v osnovni laserski tehnologiji izvesti velike izboljšave materialov (v zadnjih treh desetletjih so se na tem področju zgodile pomembne naložbe za podporo komunikaciji z optičnimi vlakni in dramatične izboljšave so malo verjetne). Večji del porabe energije je posledica laserja, več kot 70 % tega se pretvori v toploto, ki jo je treba upravljati. To posledično določa spodnjo mejo velikosti.

Izdelava: 1-1000 je enostavno, 1000,000 je težko (če želite zaslužiti $)

Zagotavljanje, da se lahko kompleksen opto-mehanski senzor, kot je LiDAR, elegantno spreminja od prototipov do proizvodnje velike količine, zahteva, da se v zgodnjih fazah načrtovanja upoštevata dobavna veriga in proizvodnost. Partnerstva med podjetji LiDAR in dobavitelji Tier 1 (ki so obvladali postopke in znanost učinkovitega skaliranja v obseg proizvodnje) so v tem pogledu neprecenljiva.

Valeo oblikuje in izdeluje svoj LiDAR (serija SCALA). Pri Autosensu so predstavili premisleke, ki vplivajo na proces načrtovanja – tehnološke izbire, dobavitelje, preprostost postopka, stroške, zanesljivost in razširljivost. Časi ciklov in nivoji odpadkov so natančno analizirani in preverjeni. Filozofija Valea je bila uvesti modele, ki ustrezajo funkciji, ki ustrezajo trenutnim potrebam avtomobilskih strank (na začetku morda ne vodijo konkurentov po zmogljivosti, vendar so zanesljivi in ​​enostavni za uporabo za stranke), jih lansirati v obseg proizvodnje ter uporabiti skaliranje in nizkocenovno izkušnje kot osnova za nadgradnje zmogljivosti za prihodnje načrte. Do danes je bilo izdelanih več kot 170,000 avtomobilskih LiDAR-jev (v serijah SCALA 1 in 2 je SCALA 2 trenutno zasnovan v razredu Mercedes S, o katerem smo govorili prej). SCALA 3 to izkušnjo izkorišča z bistveno večjo zmogljivostjo in naj bi se začela izvajati leta 2023. Valeov pristop (ki je značilen za Tier 1 in druga podjetja z velikim obsegom proizvodnje) se razlikuje od mnogih podjetij LiDAR, ki se s tveganim financiranjem sprva osredotočajo na maksimiranje zmogljivost in domnevajte, da bodo zahteve glede obsega in stroškov obravnavane, ko se bo količina povečala. To je težak predlog.

Seagate Technology je velik proizvajalec trdih diskov (HDD), ki proizvede več kot 100 milijonov enot na leto. Pri Autosensu so predstavili in demonstrirali svoj LiDAR, 1550 nm sistem, ki je sposoben dinamične foveacije, 120° vidnega polja, 250 m dosega in 25 W porabe energije. Podjetje je uvedlo HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) za povečanje pomnilniške zmogljivosti trdega diska. Laserske diode, nameščene na snemalno glavo, se uporabljajo za lokalno segrevanje posameznih bitov, da obrnejo magnetno polarnost in pomagajo pri pisanju. Optika, precizna mehanika, hitra elektronika in skeniranje so ključne platforme za oblikovanje. Proizvodne linije trdih diskov uporabljajo natančno pozicioniranje (submikronsko) in lepljenje optičnih, mehanskih in elektronskih delov ter visoko zmogljivo linijsko in končno testiranje. Seagateova strategija je izkoristiti patente, ustrezne tehnološke bloke in proizvodno infrastrukturo svojih izdelkov HDD za avtomobilski LiDAR. Prizadevanja so potekala že 2-3 leta in na tej točki podrobne specifikacije in načrti niso javni. Seagate verjetno ni podoben nobenemu drugemu dosedanjemu udeležencu v prenatrpanem ekosistemu LiDAR. Začnejo z obstoječo obsežno in poceni proizvodno linijo in vanjo vstavljajo zasnove izdelkov podobne kompleksnosti. V prihodnosti bi lahko motili trg LiDAR.

Trioptics (oddelek Jenoptika) je predstavil nekatere izzive proizvodne opreme pri izdelavi velikih količin LiDAR-ja za avtomobilski trg. Natančna poravnava in lepljenje optičnih, mehanskih in elektronskih komponent je ključnega pomena za visoko zmogljivo proizvodnjo LiDAR, prav tako zmožnost kalibriranja in testiranja podsklopov in končnih izdelkov pri zelo nizkih časih cikla. Ključno je zagotoviti, da je vsaka podkomponenta zasnovana in nabavljena z ustreznimi ravnmi natančnosti in izhodišči, tako da lahko robotska avtomatizacija učinkovito deluje. Trioptics gradi komercialno dostopno opremo za proizvodnjo LiDAR in njihov predlog je podoben skaliranju komunikacijskih sistemov na osnovi optičnih vlaken pred dvema desetletjema. Ustvaril je specializirano industrijo opreme, namenjeno proizvodnji opto-elektronskih komponent, vključno s sistemi za vžiganje/testiranje, poravnavo/pritrjevanje vlaken, spajanje matrice/žice, hermetično tesnjenje in testiranje zanesljivosti.

Varnostni standardi in certificiranje

NVIDIA je predstavila svoj pristop k obravnavanju dveh ključnih standardov za varnostno certificiranje senzorjev: standarda za funkcionalno varnost ISO 26262 in nastajajočega standarda ISO 21448, ki obravnava varnost predvidene funkcije (SOTIF). Slednji obravnava, kako se določena funkcija vozila obnese v primerjavi z obljubljenim ODD. Za nov senzor, kot je LiDAR, je kritično prevajanje tega v zaznavanje in razvrščanje predmetov (na primer vozilo, pešec, ovire in prometna infrastruktura) v neugodni svetlobi in vremenskih razmerah. Dobavitelji LiDAR so vse bolj osredotočeni na ta novi standard, čeprav ni jasno, ali bo to nekaj, kar bo prevzel OEM ali Tier 1 (saj se lahko zanaša na fuzijo in višjo raven programske opreme).

Avtomobilski LiDAR je zagotovo prišel. Medtem ko je trg avtonomije L4 še daleč, omejene ravni avtonomije (L2 in L3), ki zahtevajo LiDAR, ponujajo bolj donosno in kratkoročno priložnost. Možnosti oblikovanja so omejene in tekmovanje zanje je brutalno. Za njihovo zmago bo potrebno zagotoviti pravo razmerje med zmogljivostjo, stroški, zanesljivostjo in enostavnostjo integracije.