Lidar az autonóm vezetéshez

Hogyan válik a sci-fi
tudományos valósággá?

Sokak álma, hogy mindenféle erőfeszítés nélkül eljussanak A-ból B-be – ez az álom a Knight Rider K.I.T.T.-jében vagy Az ötödik elem járműveiben testesül meg. A modern autók egyre inkább megközelítik ezeket a jövőképeket, és ebben a különböző szenzortechnológiák játszák az egyik legfontosabb szerepet. Ezek közül az egyik legígéretesebb a LiDAR.

A radarhoz hasonlóan a LiDAR is a detektálás és távolságmérés (DAR – detection and ranging) egyik módszere. Mindkettő ugyanazt az echolokációs módszert használja, mint a denevérek – akik ultrahanghullámokat bocsátanak ki, és a visszaverődés alapján észlelik, hogy hol találhatók tárgyak vagy „zsákmányállatok”. A radar rádióhullámokat használ, a LiDAR fényhullámokat.
A LiDAR-érzékelők fényimpulzust kibocsátó impulzus-lézerdiódát tartalmaznak. Ha ez visszaverődik egy akadályról, az érzékelő észleli azt. A repülési idő (ToF), azaz a fényhullámok küldése és fogadása közötti idő lehetővé teszi az érzékelő és az akadály közötti távolság kiszámítását.

Nagy érzékenységű érzékelők

A fényhullámok a fényvisszaverő tárgy vagy élőlény távolságától és formájától függően több irányba szóródnak. Ezért minél szélesebb az érzékelő hatótávolsága, annál pontosabb képet ad a környezetről – mert még több visszaverődést képes érzékelni. A jelenlegi LiDAR-érzékelők 8, 12 vagy 16 diódából álló lavina-fotodióda (APD – avalanche photodiode) tömböket használnak. Minden egyes dióda a teljes kép egy-egy pixeljét képviseli. Ez azt jelenti, hogy a tömb mérete mellett a diódák (pixelek) közötti távolság is befolyásolja az érzékelő felbontását. Az APD érzékenysége is szerepet játszik. Ideális esetben a visszavert sugárnak a lehető legkevesebb nyomát kell érzékelniük.

1. ábra Lavina-fotodióda

Az ideális fénysugár

A fényimpulzusok hossza döntő szerepet játszik az érzékelő felbontásában, ezért a LiDAR-gyártók nagy erőfeszítéseket tesznek a minél rövidebb impulzusok kifejlesztésére. Jelenleg átlagosan 5 ns-t mérnek, legfeljebb 10 ns-ig. Egy másik tényező a fénysugár mérete. Mivel a lézerdióda rendkívül fókuszált fénysugarat bocsát ki, csak egy a fénysugárral azonos méretű pont távolságát tudja mérni. Ez közel sem elegendő a vezetőtámogató rendszerekben való használatra, és természetesen nem felel meg az autonóm járművekben való használatra. A látómező (FOV) megnövelésére különböző megoldások léteznek. A kihívást itt az jelenti, hogy még a legkisebb arcokat és elemeket is felismerje egy nagy látómezőn belül.

2. ábra A Flash LiDAR a teljes látómezőt kitakarja

Szem- és bőrbiztonság

A LiDAR-fejlesztés egyik korlátozó tényezője a szem biztonsága. Tekintettel arra, hogy a lézersugarak besugározhatnak az emberek retinájába, különösen a közúti közlekedésben való alkalmazás esetén, fontos gondoskodni arról, hogy ne okozzon szemkárosodást. A lézersugarak az emberi bőr szöveteit is megtámadhatják. Az EN 60825-1 szabvány különböző osztályokat határoz meg a szemre és a bőrre gyakorolt kockázatuk alapján – itt a hullámhossz és az impulzus hossza is szerepet játszik.

Három példa a lézerosztályokra:

• Az 1. osztály a nem veszélyes vagy zárt házban használt lézersugárzásra vonatkozik.
• A 2. osztály a 400 és 700 nm közötti, látható spektrális tartományban lévő lézersugárzásra vonatkozik. Rövid expozíciós idővel – max. 0,25 s – nem jelent veszélyt a szemre.
• A 4. osztályú lézersugárzás a szemre és a bőrre rendkívül veszélyes, még akkor is, ha szórtan alkalmazzák.

Flash LiDAR – szórt fény

A látómező kiszélesítésének egyik módszere a fénysugár szórásán alapul, hogy az széles sugárszöggel nagy látómezőt fedjen le. A „Flash LiDAR” néven ismert módszer esetében a fény azonban szórt, és sokkal gyengébb, mint a fókuszált fénysugár. Ennek ellenére a nagy hatótávolság és a nagy felbontás elérése érdekében nagyon nagy, 1-2 kW teljesítményű lézerdiódákat használnak.
Azokban az alkalmazásokban, ahol a tárgyakat csak kis távolságban kell érzékelni, a 850 és 940 nm közötti hullámhosszúságú, függőleges üregű felületsugárzó lézerdiódák (VCSEL) ideálisak. Ezekből nagy teljesítményű 2D-s tömbök alakíthatók ki. A detektorok esetében előnyösek lehetnek a nagy érzékenységű, akár egyes fotonokat is érzékelni képes érzékelők, az úgynevezett egyfotonos lavinadiódák (SPAD). A hatótávolság növelése érdekében és az intenzív napfénynek kitett körülményekre a Fraunhofer Intézet CMOS SPAD detektorokat fejlesztett ki mikroelektronikai áramkörök és rendszerek számára. Az SPAD-okat egy – az autóipar számára tanúsított és optoelektronikai alkalmazásokra optimalizált – CMOS-eljárásba integrálták. Ezáltal rendkívül érzékeny, nagyon gyors lavina-fotodiódák jönnek létre, akár 108 pillanatnyi erősítéssel, nagy impulzusszámmal és alacsony zajszinttel.
Flash LiDAR alkalmazásokhoz a Laser Components egy CMOS SPAD-okkal ellátott Flash LiDAR-érzékelőt kínál – a SPAD2L192 típusú, 192 × 2 pixeles szilárdtest CMOS érzékelőt, amely fotonos, közvetlen ToF-elv alapján méri a távolságokat. Az egyfotonos detektorok nagyon nagy érzékenységet és nagy időbeli felbontást biztosítanak. A pixelbelső idő-digitális átalakító 312,5 ps időbeli felbontással és 1,28 μs skálavégi értékkel 192 m névleges hatótávolságot és 4,7 cm-es felbontást tesz lehetővé.

Pásztázó LiDAR – Mobil tükrök

A pásztázó LiDAR-technológia a fény intenzitásának megőrzése érdekében szélesebb FOV lefedése mellett a mező „pásztázásának” elvét alkalmazza egy fénysugárral. Mozgó mikrotükrök segítségével a fényt a letapogatandó látómezőre irányítják. A pásztázó LiDAR-érzékelők általában 1-16 lézerdiódát használnak. A legjobb eredményeket itt a 905 nm hullámhosszú, élsugárzó lézerek produkálják, míg a nagy teljesítményű, több mint 100 W-os lézerdiódák akár 150 m-es hatótávolságot is elérhetnek.

3. ábra Klasszikus LiDAR-szkenner forgó tükörrel

A pásztázó LiDAR-érzékelők jó termikus tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel csak néhány, viszonylag kis teljesítményű dióda szükséges. Ez nagyon nagy impulzusszámot tesz lehetővé, ami még 905 nm-es hullámhosszon is szemkímélő.
A látómező általában 145° az y tengelyen és 3,2° a z tengelyen. Elméletileg ezzel a technológiával 360°-os panorámapásztázásnak kellene lehetővé válnia, de a gyakorlatban általában vannak „vakfoltok” – a fénysugár nem képes a közvetlen környezetet letapogatni –, de a kiegészítő radar- és kameramegoldások kiküszöbölik ezeket a hibákat. Méretük és hibatűrésük miatt azonban a pásztázó LiDAR-érzékelők nem alkalmasak járművekben való használatra. Méretük körülbelül 10,5 cm × 6 cm × 10 cm, így túl nagyok ahhoz, hogy például egy reflektor házába beépítsék őket. A mozgó tükrök emellett érzékenyek a rezgésekre, ütközésekre, porra és olyan szélsőséges hőmérsékletekre, amelyeket a járművekben nem lehet elkerülni.
A megfelelő diódák a Laser Components kínálatában találhatók – a 905DxxUA sorozat egy- és többfunkciós kivitelű impulzus-lézerdiódákat tartalmaz, akár 110 W lézerteljesítménnyel és 905 nm-es hullámhosszal. Az alkatrészek teljesen megbízhatók, kiváló hőstabilitást és nagyon pontos chip-beállítást kínálnak hermetikusan zárt tokozásban. Ennek köszönhetően alkalmasak távolságmérésre és akadályok felismerésére, földmérő berendezésekhez, lézerradarokhoz és számos orvosi alkalmazáshoz. Az AEC-Q101 minősítésű modellek autóipari alkalmazásokban is használhatók.
Az érzékelőkhöz Si-APD vagy Si-APD tömbök ajánlottak, amelyeket a Laser Components SAHA sorozatú Si-APD-it 850 és 905 nm közötti hullámhosszra optimalizáltak. A félvezető anyag itt különösen hatékony, és az impulzus-lézerdiódák is ezeken a hullámhosszakon emittálnak. Az Si-APD-k miniatűr SMD-tokozásban nagy kvantumhatásfokot, és ezáltal nagy érzékenységet és alacsony zajszintet garantálnak. A 8, 12 vagy 16 nagy érzékenységű Si-APD-t tartalmazó, védőburkolattal ellátott LCC44-es tokozásban lévő SAH1Lxx tömbsorozatot ugyanezen tulajdonságok jellemzik. További jellemzői közé tartozik az alacsony hőmérsékleti együttható és mindössze 40 µm-es az elemek közötti hézag. Egy 12 APD-t tartalmazó tömb is kapható 14 tűs DIL-tokban. A szabványos tömbökön kívül egyedi tömbök is kaphatók az APD-k meghatározott számával és méretével.

Szilárdtest LiDAR – mechanikus alkatrészek helyett félvezetők

A szilárdtest LiDAR-érzékelők kisebb méretű, robusztusabb alternatívát jelentenek, és a mechanikus alkatrészek helyett félvezetőkre támaszkodnak a fénysugár irányításában. Kétféle változat létezik: a MEMS-alapú tükrökkel és az OPA-kkal (optikai fázisvezérelt tömbökkel) felszereltek.
A MEMS-alapú tükrökkel ellátott LiDAR-ok mikrotükrökből álló mátrixot tartalmaznak, ahol minden egyes tükör élhossza mindössze néhány mikrométer. Másodpercenként több ezer alkalommal váltanak előre-hátra két pozíció között, elektrosztatikus mezők által mozgatva. Az ilyen típusú LiDAR-okat olyan alkalmazásokban használják, mint a vonalkód-leolvasós pénztárgépek vagy a DLP-projektorok (digitális fényfeldolgozás) – tehát bevált, tesztelt technológiáról van szó, viszonylag alacsony gyártási költséggel.

4. ábra Szilárdtest LiDAR MEMS tükörrel

Az autóipari alkalmazásokban azonban az érzékelőknek sokkal szigorúbb követelményeknek kell megfelelniük. Például a POS-pénztári rendszerekhez vagy a projektorokhoz képest szélesebb látómezőt igényelnek. A több mint 100 Hz-es letapogatási frekvenciával a jelenlegi megoldások 40°-os betekintési szöget kínálnak; a szélesebb szögű MEMS-rendszerek jelenleg fejlesztés alatt állnak.
Az optikai fázisvezérelt tömbökkel felszerelt LiDAR-oknál az egyes lézerdiódák által kibocsátott fény fázisát modulátorral módosítják, hogy egy impulzus nagyobb területet fedjen le. A technológia jelenleg még kutatási szakaszban van. Ennek egy változata egy mindössze néhány négyzetmilliméteres szilícium-áramkört használ a forgó emitter- és detektoregység helyettesítésére. A nagyobb teljesítmény és a széles látómező elérése érdekében olyan hullámhosszúságú sugárzás tesztelése folyik, amely a jelenleg hagyományosan használt 905 nm-es hullámhossznál messzebbre nyúlik az infravörös tartományban. Az 1550 nm-es hullámhossz például nem káros a szemre, de a hó vagy az eső károsan befolyásolhatja azt. Itt más érzékelőkre is szükség van.

5. ábra Az autonóm vezetés érzékelőrendszere

A technológia segítségével
a tudományos fantasztikum valósággá válik

Még néhány évre vagyunk attól, hogy az autonóm vezetés a sci-fi filmek szerint valósuljon meg, de minden egyes segédrendszer – legyen az adaptív sebességtartó automatika (ACC – Adaptive Cruise Control), vészfékasszisztens (EBA – Emergency Brake Assist) vagy sávelhagyásra figyelmeztető rendszer (LDW – Lane Departure Warning) – egy-egy lépés a cél elérése felé. Sok ilyen rendszer esetében a LiDAR elengedhetetlen alkotóelem, amelyet feltétlenül kombinálni kell más technológiákkal, például ultrahangos érzékelőkkel, kamerákkal és radarmegoldásokkal – mivel minden technológiának megvannak az erősségei és a gyengeségei.

Szerző: Alain Bruno Kamwa – a Rutronik Opto termékértékesítési vezetője

Rutronik Magyarország Kft.
1117 Budapest
Alíz utca 1.
Tel: +36 1 231 3349
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.