LiDAR خودرو وارد شد

معرفی اخیر دایملر از گزینه سطح 3 (L3، رانندگی خودکار در شرایط خاص با راننده انسانی آماده برای تحویل گرفتن پس از احضار) در مدل لوکس کلاس S یک پیشرفت مهم برای انقلاب خودمختاری است. چندین شرکت خودروسازی دیگر از در دسترس بودن قریب الوقوع این ویژگی از جمله هوندا و بی ام و خبر داده اند. تصویربرداری سه بعدی با LiDAR (تشخیص نور و محدوده) یک فناوری سنجش کلیدی است که این امکان را فراهم می کند. یک مقاله اخیر (پوشش LiDAR در نمایشگاه لوازم الکترونیکی مصرفی ژانویه 2022 در لاس وگاس) این سوال را بررسی کرد. "آیا LiDAR رسیده است؟" چهار ماه بعد، پاسخ بله است.

تمرکز اصلی برای سرمایه‌گذاری 5 میلیارد دلاری (طی 8 سال گذشته) در شرکت‌های خصوصی LiDAR، استقلال کامل (سطح 4 یا 5 که در آن نیازی به رانندگان انسانی نیست) برای سواری، حمل و نقل و تدارکات بود. ثابت شده است که تحقق قابلیت L4/L5 به دلیل ملاحظات فنی، ایمنی، نظارتی و هزینه، چالش برانگیزتر از آنچه در ابتدا تصور می شد است. در بسیاری از موارد، موارد تجاری برای کسب درآمد از این قابلیت نیز مشخص نیست. برای شرکت‌های LiDAR، با توجه به افق‌های زمانی طولانی‌تر و این واقعیت که بازیکنان اصلی L4 در حال توسعه LiDAR‌های داخلی خود هستند (Waymo، Aurora، Argo)، این یک تلاش دشوار است.

بازارهای هدف برای استقلال کامل، مشاغل با حجم قابل توجهی کمتر خودرو هستند (< 5 میلیون در سال در مقابل 100 میلیون خودرو فروخته شده در سال به مصرف کنندگان). OEM های خودرو برای رقابت در بازار خودمختاری کامل مجهز نبودند و این فرصت را برای افزودن ویژگی های خودمختاری محدود به خودروهای خود و فروش پیشنهاد راحتی، وقت آزاد و ایمنی به مشتریان بزرگتر دیدند. این امر بسیاری از شرکت‌های LiDAR را به سمت خودگردانی L2 و L3 سوق داده است. اعلامیه های اخیر شامل شرکت هایی مانند Valeo (Mercedes)، Innoviz (BMW)، Luminar (Volvo)، Cepton (General Motors)، Ibeo (Great Wall Motors) و Innovusion (Nio) است. مشارکت با تامین کنندگان ردیف 1 خودرو نیز متبلور شده است (Aeye-Continental، Baraja-Veoneer، Cepton-Koito، Innoviz-Magna).

محدوده و چگالی نقطه (نقاط/ثانیه یا PPS) پارامترهای عملکردی حیاتی هستند که بر قابلیت ادراک ارائه شده توسط LiDAR حاکم هستند. اینها شامل تشخیص و طبقه‌بندی خط‌ها، زیرساخت‌های ترافیکی، سطح جاده، عابران پیاده، وسایل نقلیه و زباله‌های جاده‌ای در برد کافی برای ایجاد مانورهای خودمختاری ایمن و راحت است. در حالی که عملکرد بسیار مهم است، چرخش به خودروهای مصرفی، شرکت‌های LiDAR را بر آن داشته تا بر روی ویژگی‌های "دنیوی" مانند قیمت، اندازه، مصرف انرژی، یکپارچه‌سازی/طراحی خودرو، مقیاس‌پذیری تولید و گواهی ایمنی تمرکز کنند. کنفرانس اخیر Autosens در دیترویت این موضوع را برجسته کرد و نشانگر خوبی است که بالاخره LiDAR برای بازار خودرو وارد شده است. در مجموع هفت شرکت LiDAR شرکت کردند - Aeye، Baraja، Cepton، Insight، Seagate، Valeo و Xenomatix.

پول، پول، پول

یک جلسه پانل در Autosens در مورد آستانه قیمت (یا درد) بحث کرد که LiDAR را برای وسایل نقلیه مصرفی مقرون به صرفه می کند. هیچ عدد خاصی ذکر نشده است (به دلایل واضح). به عنوان مرجع، قیمت دوربین‌های خودرو و رادار به ترتیب در محدوده 10-20 دلار و 50-100 دلار است و رویا این است که LiDAR به امتیازهای قیمتی مشابهی دست یابد. این امر در آینده قابل پیش بینی به چند دلیل غیر منطقی است. اول، دوربین‌ها و رادارها چندین دهه بلوغ و مقیاس‌پذیری را برای خودروهای مصرفی برای ADAS (سیستم‌های کمک راننده خودرو) تجربه کرده‌اند. دوم، آنها عمدتاً بر فناوری‌های سیلیکون و CMOS تکیه می‌کنند که از مقیاس لوازم الکترونیکی مصرفی و صنعتی استفاده می‌کنند. LiDAR کمتر بالغ است و بر فناوری پیچیده نیمه هادی نوری (مخصوصاً لیزرها) متکی است. زنجیره تامین در این زمینه امروزه به سادگی برای حمایت از چنین قیمت گذاری قرار ندارد.

یکی از راه های منطقی کردن قیمت آستانه قابل قبول برای LiDAR، مرتبط کردن آن با قیمت گزینه L3 است. برای مرسدس کلاس S، این 5000 دلار است. با توجه به اینکه LiDAR این قابلیت را امکان پذیر می کند، منطقی است که فرض کنیم LiDAR می تواند 500 دلار (یا 10٪ از قیمت گزینه L3) قیمت داشته باشد. از آنجایی که خودروهای با قیمت متوسط ​​شروع به ارائه این گزینه می کنند، قیمت L3 باید کاهش یابد (3000 دلار) و قیمت LiDAR به 300 دلار کاهش یابد. پذیرش گسترده مشتری تنها در صورتی اتفاق می افتد که دامنه طراحی عملیاتی (ODD) گسترش یابد (از نظر سرعت، مکان، آب و هوا و غیره) و هیچ حادثه ایمنی قابل توجهی در طول این تکامل رخ ندهد.

مسائل مربوط به اندازه

La «استودیوی سبک پادشاه است» موضوع مکررا در Autosens مورد تاکید قرار گرفت، با این توصیه که یکپارچه سازی سنسور باید بدون به خطر انداختن استایل کلی و جذابیت احساسی خودروهای مصرفی اتفاق بیفتد. اندازه و مصرف انرژی تعیین می کند که حسگرها کجا و چگونه یکپارچه شوند. بیشتر انرژی مصرف شده در حسگرها (به ویژه LiDAR) به گرما تبدیل می شود. به حداقل رساندن این امر از دیدگاه بهره وری، مدیریت حرارتی و کاهش اندازه سودمند است.

حسگرهای رادار از 100 تا 500 سانتی‌متر مربع حجم دارند و 5 تا 15 وات توان مصرف می‌کنند (بسته به عملکرد). دوربین ها به طور قابل توجهی کوچکتر و کم مصرف هستند (معمولاً در محدوده 25 تا 200 سانتی متر مربع و مصرف برق ~ 3 وات). املاک و مستغلات در یک خودرو گرانبها هستند و با تکامل عملکردهای L2 و L3، LiDARها باید با این حسگرهای معمولی برای فضا، نیرو، منابع محاسباتی و مدیریت حرارتی رقابت کنند.

جدول 1 اندازه و توان مصرفی طرح‌های LiDAR را در محدوده و پارامترهای عملکرد PPS (نقاط/ثانیه) مقایسه می‌کند:

فیزیک عملیاتی، رویکرد اسکن و طول موج عوامل مهمی هستند که اندازه و مصرف انرژی را افزایش می دهند. نتایج اصلی جدول 1 به شرح زیر است:

1. ④ کمترین رویکرد فشرده است. عملیات 1550 نانومتری ToF (زمان پرواز) نیاز به لیزرهای فیبر با توان بالا دارد که به اندازه لیزرهای دیود نیمه هادی فشرده نیستند. اسکن دوبعدی و دیافراگم‌های جداگانه ارسال/دریافت نیز لیدار را حجیم‌تر می‌کند.
2. ① به نظر می رسد فشرده ترین رویکرد باشد. FMCW (موج پیوسته مدوله شده فرکانس) امکان استفاده از لیزرهای دیودی با توان کمتر، منسجم و قابل تنظیم را فراهم می کند. اسکن در یک بعد (جهت افقی) انجام می شود، در حالی که اسکن عمودی با لیزرهای قابل تنظیم و اپتیک های منشور مانند (بدون قطعات متحرک) انجام می شود. همچنین از یک معماری تک استاتیک استفاده می کند (انتقال/دریافت از طریق یک دیافراگم انجام می شود).
3. در مقایسه با 905 نانومتر (②)، LiDARهای 1550 نانومتری (① و ④) توان بیشتری مصرف می‌کنند اما عملکرد برد بالاتری نیز ارائه می‌دهند. مصرف انرژی بیشتر به دلیل عوامل متعددی است. اولاً، لیزرها مجاز به استفاده از توان نوری بالاتر هستند (آستانه های ایمنی چشم برای 1550 نانومتر بسیار بالاتر از 905 نانومتر است). دوم اینکه لیزرهای 1550 نانومتری کارایی کمتری دارند و توان الکتریکی بیشتری مصرف می کنند. در نهایت، به دلیل حساسیت دمایی بالاتر، لیزرهای 1550 نانومتری نیاز به خنک شدن یا تثبیت دما دارند. این قدرت و اندازه را مصرف می کند.
4. بهبودهای نسلی در محدوده LiDAR و عملکرد PPS (Innoviz و Valeo در ②) مصرف برق را افزایش می دهد. این قابل درک است زیرا عملکرد بالاتر به توان لیزر، چرخه کاری و فرکانس فضایی بیشتری نیاز دارد. قدرت محاسباتی پردازش سیگنال نیز افزایش می یابد. مقیاس های اندازه متناسب با افزایش مصرف برق.
5. نسبت به عملکرد متوسطی که Flash LiDAR (③) ارائه می دهد، از نظر اندازه و مصرف انرژی گران است. اگر حذف قطعات متحرک یک ملاحظات کلیدی باشد (قابلیت اطمینان یا ملاحظات یکپارچگی)، معماری‌هایی که از اسکن الکترونیکی استفاده می‌کنند بسیار جذاب‌تر هستند (③) زیرا عملکرد قابل‌توجهی بالاتری در اندازه معادل و مصرف انرژی به‌طور چشمگیری کمتری ارائه می‌دهند. مصالحه این است که عملکرد شاتر سراسری ممکن نیست، که منجر به تار شدن اثرات در ابر نقطه می شود.
6. مشارکت در طراحی مشترک بین تولید کنندگان LiDAR و شرکت های Tier 1 (Baraja-Veoneer، Continental-Aeye) از نظر کاهش اندازه سودمند است.

LiDAR از نظر یکپارچگی، اندازه و مصرف انرژی در حال بلوغ است. نسبت به رادار، هنوز هم از نظر اندازه و مصرف انرژی 2-3 برابر بزرگتر است. دوربین های تصویربرداری حتی فشرده تر و کم مصرف تر هستند (اندازه کمتر از 10 برابر، قدرت 5 برابر).

آیا LiDAR در طول زمان با این سنسورهای دیگر برابری خواهد کرد؟ 1550 نانومتر FMCW LiDAR (①) بهترین پتانسیل را برای برابری اندازه با رادار ارائه می دهد که زمانی در یک پلت فرم فوتونیک سیلیکونی با اسکن نوری در مقیاس تراشه در دو بعدی اجرا شد (منظوره تحقیقات فعال امروزی، اما هنوز عملاً امکان پذیر نیست). مصرف برق احتمالاً کاهش نمی‌یابد زیرا پیشرفت‌های عمده مواد باید در فناوری اساسی لیزر اتفاق بیفتد (سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی در سه دهه گذشته در این زمینه برای پشتیبانی از ارتباطات فیبر نوری انجام شده است و بهبود چشمگیر بعید است). بخش عمده مصرف برق به دلیل لیزر است و بیش از 70 درصد آن به گرما تبدیل می شود که نیاز به مدیریت دارد. این به نوبه خود یک حد پایین برای اندازه تعیین می کند.

ساخت: 1-1000 آسان است، 1000,000 سخت است (اگر می خواهید دلار بسازید)

حصول اطمینان از اینکه یک حسگر اپتومکانیکی پیچیده مانند LiDAR می‌تواند از نمونه‌های اولیه تا تولید با حجم بالا مقیاس‌پذیر باشد، مستلزم آن است که زنجیره تامین و قابلیت ساخت در مراحل اولیه طراحی در نظر گرفته شود. مشارکت بین شرکت‌های LiDAR و تامین‌کنندگان ردیف 1 (که بر فرآیندها و علم مقیاس‌بندی کارآمد در تولید حجم تسلط دارند) در این زمینه بسیار ارزشمند است.

Valeo LiDAR (سری SCALA) خود را طراحی و تولید می کند. در Autosens، آنها ملاحظاتی را ارائه کردند که بر فرآیند طراحی تأثیر می گذارد - انتخاب های فناوری، تامین کنندگان، سادگی فرآیند، هزینه، قابلیت اطمینان و مقیاس پذیری. زمان چرخه و سطوح قراضه به شدت تجزیه و تحلیل و تأیید می شود. فلسفه Valeo معرفی طرح‌های «مناسب برای عملکرد» است که نیازهای فعلی مشتریان خودرو را برآورده می‌کند (ممکن است در ابتدا رقبا را در عملکرد رهبری نکنند، اما قابل اعتماد و آسان برای مشتریان هستند)، راه‌اندازی این طرح‌ها در حجم تولید و استفاده از مقیاس‌پذیری و کم‌هزینه تجربه به عنوان پایه ای برای ارتقای عملکرد برای طراحی های آینده. تا به امروز بیش از 170,000 لیدار کلاس خودرو تولید شده است (در سری SCALA 1 و 2، SCALA 2 در حال حاضر در کلاس S مرسدس بنز طراحی شده است که قبلاً بحث شد). SCALA 3 از این تجربه با عملکرد بسیار بالاتری بهره می برد و انتظار می رود در سال 2023 راه اندازی شود. رویکرد Valeo (که برای شرکت های Tier 1 و سایر شرکت های تولیدی با حجم بالا معمول است) با بسیاری از شرکت های LiDAR با سرمایه گذاری خطرپذیر که در ابتدا بر روی حداکثر کردن تمرکز می کنند متفاوت است. عملکرد و فرض کنید که مقیاس بندی و الزامات هزینه با افزایش حجم برطرف می شود. این یک پیشنهاد دشوار است.

Seagate Technology یک تولید کننده بزرگ درایوهای دیسک سخت (HDD) است که بیش از 100 میلیون دستگاه در سال تولید می کند. در Autosens، آنها LiDAR خود را ارائه و به نمایش گذاشتند، یک سیستم 1550 نانومتری که قادر به حرکت پویا، میدان دید 120 درجه، برد 250 متر و مصرف برق 25 وات است. این شرکت پیشگام HAMR (ضبط مغناطیسی به کمک گرما) برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی HDD بود. دیودهای لیزری نصب شده روی سر ضبط برای گرم کردن موضعی تک بیت ها برای تغییر قطبیت مغناطیسی و کمک به فرآیند نوشتن استفاده می شود. اپتیک، مکانیک دقیق، الکترونیک پرسرعت و اسکن پلت فرم های کلیدی طراحی هستند. خطوط تولید HDD از موقعیت‌یابی دقیق (زیر میکرون) و اتصال قطعات نوری، مکانیکی و الکترونیکی و آزمایش‌های خطی و نهایی با توان بالا استفاده می‌کنند. استراتژی سیگیت این است که از پتنت ها، بلوک های فناوری مربوطه و زیرساخت های تولید محصولات HDD خود برای LiDAR خودرو استفاده کند. تلاش در 2-3 سال گذشته ادامه داشته است و در حال حاضر مشخصات دقیق و برنامه ریزی ها عمومی نشده است. سیگیت احتمالاً شبیه هیچ شرکت دیگری در اکوسیستم شلوغ LiDAR نیست. آنها با یک خط تولید با حجم بالا و کم هزینه شروع می کنند و طرح های محصولی با پیچیدگی مشابه را در آن قرار می دهند. آنها می توانند در آینده بازار LiDAR را مختل کنند.

Trioptics (بخشی از Jenoptik) برخی از چالش های تجهیزات تولیدی ساخت LiDAR را در حجم بالا برای بازار خودرو ارائه کرد. تراز و اتصال دقیق اجزای نوری، مکانیکی و الکترونیکی برای تولید LiDAR با توان عملیاتی بالا، و همچنین توانایی کالیبره کردن و تست مجموعه‌های فرعی و محصولات نهایی در زمان‌های چرخه بسیار کم، کلیدی است. نکته کلیدی این است که اطمینان حاصل شود که هر جزء فرعی با سطوح دقیق و اصولی کافی طراحی و خریداری شده است تا اتوماسیون رباتیک بتواند به طور موثر عمل کند. Trioptics در حال ساخت تجهیزات تجاری در دسترس برای تولید LiDAR است و پیشنهاد آنها شبیه به مقیاس بندی سیستم های ارتباطی مبتنی بر فیبر نوری در دو دهه پیش است. این یک صنعت تجهیزات تخصصی را ایجاد کرد که به تولید قطعات الکترونیکی نوری، از جمله سوختن/تست، تراز/اتصال فیبر، اتصال قالب/سیم، آب بندی هرمتیک و سیستم های تست قابلیت اطمینان اختصاص داشت.

استانداردهای ایمنی و گواهینامه

NVIDIA رویکرد خود را برای پرداختن به دو استاندارد کلیدی برای صدور گواهینامه ایمنی سنسورها ارائه کرد: استاندارد ایمنی عملکردی ISO 26262 و استاندارد نوظهور ISO 21448 که با ایمنی عملکرد مورد نظر (SOTIF) سروکار دارد. دومی به نحوه عملکرد یک ویژگی وسیله نقلیه خاص در ODD وعده داده شده می پردازد. برای حسگر جدیدی مانند LiDAR، تبدیل این موضوع به تشخیص و طبقه‌بندی اشیا (به عنوان مثال یک وسیله نقلیه، عابر پیاده، موانع و زیرساخت‌های ترافیکی) در شرایط نوری نامطلوب و آب و هوا بسیار مهم است. تامین کنندگان LiDAR به طور فزاینده ای بر روی این استاندارد جدید تمرکز می کنند، اگرچه مشخص نیست که آیا این چیزی است که توسط OEM یا Tier 1 انجام می شود (زیرا ممکن است به مجموعه نرم افزارهای فیوژن و سطح بالاتر متکی باشد).

LiDAR خودرو قطعا وارد شده است. در حالی که بازار خودمختاری L4 هنوز دور است، سطوح خودمختاری محدود (L2 و L3) که به LiDAR نیاز دارند، فرصتی سودآورتر و کوتاه مدت را ارائه می دهند. فرصت‌های طراحی محدود است و رقابت برای آنها بی‌رحمانه است. برنده شدن در این موارد مستلزم ارائه تعادل مناسب از عملکرد، هزینه، قابلیت اطمینان و سهولت یکپارچه سازی است.