LiDAR Automotif Telah Tiba

Daimler memperkenalkan pilihan Tahap 3 baru-baru ini (L3, pemanduan automatik dalam keadaan tertentu dengan pemandu manusia bersedia untuk mengambil alih sebaik sahaja dipanggil) dalam model mewah S-Class merupakan satu kejayaan penting untuk revolusi autonomi. Beberapa syarikat automotif lain telah mengumumkan ketersediaan segera ciri ini termasuk Honda dan BMW. Pengimejan 3D dengan LiDAR (Light Detection and Ranging) ialah teknologi penderiaan utama yang membolehkan perkara ini berlaku. Artikel terbaru (meliputi LiDAR pada Pameran Elektronik Pengguna Januari 2022 di Las Vegas) meneliti soalan itu “Sudahkah LiDAR Tiba?” Empat bulan kemudian, jawapannya YA.

Tumpuan utama untuk pelaburan ~$5B (sejak 8 tahun yang lalu) dalam syarikat LiDAR swasta adalah autonomi penuh (Tahap 4 atau 5 di mana tiada pemandu manusia diperlukan) untuk ride-hailing, trak dan logistik. Menyedari keupayaan L4/L5 telah terbukti lebih mencabar daripada yang dibayangkan pada asalnya kerana pertimbangan teknikal, keselamatan, kawal selia dan kos. Dalam kebanyakan kes, kes perniagaan untuk mengewangkan keupayaan ini juga terbukti tidak jelas. Bagi syarikat LiDAR, ini adalah usaha yang sukar memandangkan ufuk masa yang lebih lama dan fakta bahawa pemain L4 utama sedang membangunkan LiDAR dalaman mereka (Waymo, Aurora, Argo).

Sasaran pasaran untuk autonomi penuh ialah perniagaan, dengan volum kenderaan yang jauh lebih rendah (< 5J/tahun berbanding ~100 juta kereta yang dijual/tahun kepada pengguna). OEM automotif tidak lengkap untuk bersaing dalam pasaran autonomi penuh dan melihat peluang untuk menambah ciri autonomi terhad pada kereta mereka dan menjual cadangan keselesaan, masa lapang dan keselamatan kepada pangkalan pelanggan yang lebih besar. Ini telah menggerakkan banyak syarikat LiDAR untuk menangani autonomi L2 dan L3. Pengumuman terbaru termasuk syarikat seperti Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) dan Innovusion (Nio). Perkongsian dengan pembekal Automotif Tahap 1 juga telah menjadi jelas (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

Julat dan ketumpatan titik (titik/saat atau PPS) ialah parameter prestasi kritikal yang mengawal keupayaan persepsi yang disediakan oleh LiDAR. Ini termasuk pengesanan dan pengelasan tanda lorong, infrastruktur lalu lintas, permukaan jalan, pejalan kaki, kenderaan dan serpihan jalan pada julat yang mencukupi untuk membolehkan pergerakan autonomi yang selamat dan selesa. Walaupun prestasi adalah kritikal, pangsi kepada kereta pengguna telah mendorong syarikat LiDAR untuk memfokuskan juga pada ciri-ciri yang lebih "biasa" seperti harga, saiz, penggunaan kuasa, penyepaduan/penggayaan kenderaan, skalabiliti pembuatan dan pensijilan keselamatan. Persidangan Autosens baru-baru ini di Detroit menyerlahkan perkara ini dan merupakan petunjuk yang baik bahawa LiDAR untuk pasaran automotif akhirnya tiba. Sebanyak tujuh syarikat LiDAR mengambil bahagian – Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo dan Xenomatix.

Wang, Wang, Wang

Sesi panel di Autosens membincangkan ambang harga (atau kesakitan) yang menjadikan LiDAR mampu milik untuk kenderaan pengguna. Tiada nombor khusus disebut (atas sebab yang jelas). Sebagai rujukan, kamera dan radar automotif berharga dalam lingkungan $10-20 dan $50-100 masing-masing, dan impiannya ialah LiDAR akan mencapai titik harga yang sama. Ini adalah tidak munasabah pada masa hadapan yang boleh dijangka atas beberapa sebab. Pertama, kamera dan radar telah mengalami beberapa dekad kematangan dan penskalaan untuk kereta pengguna untuk ADAS (Automotive Driver Assistance Systems). Kedua, mereka bergantung terutamanya pada teknologi silikon dan CMOS yang memanfaatkan skala elektronik pengguna dan industri. LiDAR kurang matang dan bergantung pada teknologi semikonduktor optik yang kompleks (terutamanya laser). Rantaian bekalan di kawasan ini sememangnya tidak diletakkan pada kedudukan hari ini untuk menyokong harga sedemikian.

Satu cara untuk merasionalkan harga ambang yang boleh diterima untuk LiDAR ialah mengaitkannya dengan harga pilihan L3. Untuk Mercedes S-Class, ini ialah ~$5000. Memandangkan LiDAR membolehkan kefungsian ini, adalah munasabah untuk mengandaikan bahawa LiDAR boleh menetapkan titik harga $500 (atau 10% daripada harga pilihan L3). Apabila kereta harga pertengahan mula menawarkan pilihan ini, harga L3 perlu dikurangkan (~$3000), dengan harga LiDAR berkurangan kepada ~$300. Penerimaan pelanggan secara meluas hanya mungkin berlaku jika Domain Reka Bentuk Operasi (ODD) berkembang (dari segi kelajuan, lokasi, cuaca, dll.) dan tiada insiden keselamatan yang ketara berlaku semasa evolusi ini.

Perkara saiz

. “Style Studio is King” tema telah ditekankan berulang kali di Autosens, dengan nasihat bahawa penyepaduan penderia mesti berlaku tanpa menjejaskan penggayaan keseluruhan dan daya tarikan emosi kereta pengguna. Saiz dan penggunaan kuasa mengawal tempat dan cara penderia disepadukan. Kebanyakan kuasa yang digunakan dalam penderia (terutamanya LiDAR) ditukar kepada haba. Meminimumkan ini adalah berfaedah dari segi kecekapan, pengurusan haba dan perspektif pengurangan saiz.

Penderia radar berkisar antara 100-500 cm³ dalam volum dan menggunakan kuasa 5-15W (bergantung pada prestasi). Kamera jauh lebih kecil dan cekap kuasa (biasanya dalam julat 25 – 200 cm³ dan penggunaan kuasa ~3W). Hartanah adalah berharga dalam kereta, dan apabila fungsi L2 dan L3 berkembang, LiDAR perlu bersaing dengan penderia konvensional ini untuk ruang, kuasa, sumber pengiraan dan pengurusan terma.

Jadual 1 membandingkan saiz dan penggunaan kuasa reka bentuk LiDAR merentas julat dan parameter prestasi PPS (mata/saat):

Fizik pengendalian, pendekatan pengimbasan dan panjang gelombang adalah faktor kritikal yang memacu saiz dan penggunaan kuasa. Kesimpulan utama daripada Jadual 1 adalah seperti berikut:

1. ④ ialah pendekatan yang paling tidak padat. Operasi 1550 nm ToF (Time-of-Flight) memerlukan laser gentian kuasa puncak tinggi, yang tidak padat seperti laser diod semikonduktor. Pengimbasan 2D dan apertur hantar/terima berasingan juga cenderung menjadikan LiDAR lebih besar.
2. ① nampaknya merupakan pendekatan yang paling padat. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) membenarkan penggunaan kuasa yang lebih rendah, koheren, laser diod boleh tala. Pengimbasan berlaku dalam satu dimensi (arah mendatar), manakala pengimbasan menegak dicapai dengan laser boleh tala dan optik seperti prisma (tiada bahagian bergerak). Ia juga menggunakan seni bina mono-statik (menghantar/menerima berlaku melalui satu apertur).
3. Berbanding dengan 905 nm (②), 1550 nm LiDAR (① dan ④) menggunakan kuasa yang lebih tinggi tetapi juga memberikan prestasi julat yang lebih tinggi. Penggunaan kuasa yang lebih tinggi adalah disebabkan oleh pelbagai faktor. Pertama, laser dibenarkan untuk dipacu pada kuasa optik yang lebih tinggi (ambang keselamatan mata untuk 1550 nm adalah lebih tinggi daripada 905 nm). Kedua, laser 1550 nm kurang cekap dan menggunakan lebih banyak kuasa elektrik. Akhirnya, disebabkan sensitiviti suhu yang lebih tinggi, laser 1550 nm perlu disejukkan atau suhu distabilkan. Ini menggunakan kuasa dan saiz.
4. Peningkatan generasi dalam julat LiDAR dan prestasi PPS (Innoviz dan Valeo dalam ②) meningkatkan penggunaan kuasa. Ini boleh difahami kerana prestasi yang lebih tinggi memerlukan lebih banyak kuasa laser, kitaran tugas dan kekerapan spatial. Kuasa pengkomputeran pemprosesan isyarat juga meningkat. Skala saiz secara berkadar dengan peningkatan penggunaan kuasa.
5. Berbanding dengan prestasi sederhana yang diberikan oleh Flash LiDAR (③), ia mahal dari segi saiz dan penggunaan kuasa. Jika menghapuskan bahagian yang bergerak ialah pertimbangan utama (pertimbangan kebolehpercayaan atau penyepaduan), seni bina yang menggunakan pengimbasan elektronik adalah lebih menarik (③) kerana ia memberikan prestasi yang lebih tinggi dengan ketara pada saiz yang setara dan penggunaan kuasa yang lebih rendah secara mendadak. Kompromi adalah bahawa operasi pengatup global tidak mungkin, membawa kepada kesan kabur dalam awan titik.
6. Perkongsian reka bentuk bersama antara pengeluar LiDAR dan syarikat Tahap 1 (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) bermanfaat dari segi pengurangan saiz.

LiDAR semakin matang dari segi penyepaduan, saiz dan penggunaan kuasa. Berbanding radar, ia masih ~2-3X lebih besar dari segi saiz dan penggunaan kuasa. Kamera pengimejan adalah lebih padat dan cekap kuasa (saiz lebih rendah daripada 10X lebih rendah, kuasa 5X).

Adakah LiDAR akan mencapai pariti dengan penderia lain ini dari semasa ke semasa? 1550 nm FMCW LiDAR (①) menawarkan potensi terbaik untuk pariti saiz dengan radar setelah dilaksanakan dalam platform fotonik silikon dengan pengimbasan optik skala cip dalam dua dimensi (kawasan penyelidikan aktif hari ini, tetapi belum boleh dilaksanakan secara praktikal). Penggunaan kuasa tidak mungkin berkurangan kerana penambahbaikan bahan utama perlu berlaku dalam teknologi laser asas (pelaburan yang besar dalam tempoh tiga dekad yang lalu telah berlaku di kawasan ini untuk menyokong komunikasi gentian optik, dan penambahbaikan dramatik tidak mungkin). Sebahagian besar penggunaan kuasa adalah disebabkan oleh laser, dan lebih daripada 70% daripada ini ditukar kepada haba, yang perlu diuruskan. Ini seterusnya menetapkan had yang lebih rendah pada saiz.

Pembuatan: 1-1000 adalah mudah, 1000,000 adalah sukar (jika anda ingin membuat $)

Memastikan bahawa penderia opto-mekanikal yang kompleks seperti LiDAR boleh berskala dengan anggun daripada prototaip kepada pengeluaran volum tinggi memerlukan rantaian bekalan dan kebolehkilangan dipertimbangkan pada peringkat awal reka bentuk. Perkongsian antara syarikat LiDAR dan pembekal Tahap 1 (yang telah menguasai proses dan sains penskalaan dengan cekap kepada pengeluaran volum) adalah tidak ternilai dalam hal ini.

Valeo mereka bentuk dan mengeluarkan LiDAR (siri SCALA). Di Autosens, mereka membentangkan pertimbangan yang memberi kesan kepada proses reka bentuk - pilihan teknologi, pembekal, kesederhanaan proses, kos, kebolehpercayaan dan kebolehskalaan. Masa kitaran dan tahap sekerap dianalisis dan disahkan dengan teliti. Falsafah Valeo adalah untuk memperkenalkan reka bentuk "sesuai untuk fungsi" yang memenuhi keperluan pelanggan automotif semasa (mungkin pada mulanya tidak memimpin pesaing dalam prestasi tetapi boleh dipercayai dan mudah untuk digunakan oleh pelanggan), melancarkannya ke dalam pengeluaran volum dan menggunakan penskalaan dan kos rendah pengalaman sebagai asas untuk peningkatan prestasi untuk reka bentuk masa hadapan. Lebih 170,000 LiDAR gred automotif telah dihasilkan setakat ini (merentas siri SCALA 1 dan 2, SCALA 2 kini direka dalam kelas Mercedes S yang dibincangkan sebelum ini). SCALA 3 memanfaatkan pengalaman ini dengan prestasi yang jauh lebih tinggi dan dijangka dilancarkan pada tahun 2023. Pendekatan Valeo (yang tipikal untuk Tahap 1 dan syarikat pembuatan volum tinggi yang lain) berbeza daripada kebanyakan syarikat LiDAR yang dibiayai usaha niaga yang cenderung memberi tumpuan pada awalnya untuk memaksimumkan prestasi dan menganggap bahawa penskalaan dan keperluan kos akan ditangani sebaik sahaja volum meningkat. Ini adalah cadangan yang sukar.

Seagate Technology ialah pengeluar besar pemacu cakera keras (HDD), menghasilkan lebih daripada 100 juta unit setahun. Di Autosens, mereka mempersembahkan dan mempamerkan LiDAR mereka, sistem 1550 nm yang mampu menghasilkan foveasi dinamik, medan pandangan 120°, julat 250 m dan penggunaan kuasa 25W. Syarikat itu mempelopori HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) untuk meningkatkan kapasiti penyimpanan HDD. Diod laser yang dipasang pada kepala rakaman digunakan untuk memanaskan bit tunggal secara tempatan untuk membalikkan kekutuban magnet dan membantu dalam proses penulisan. Optik, mekanik ketepatan, elektronik berkelajuan tinggi dan pengimbasan adalah platform reka bentuk utama. Barisan pengilangan HDD menggunakan kedudukan tepat (sub-mikron) dan ikatan bahagian optik, mekanikal dan elektronik, serta ujian sebaris dan akhir daya pemprosesan tinggi. Strategi Seagate adalah untuk memanfaatkan paten, blok teknologi yang berkaitan dan infrastruktur pembuatan produk HDD mereka untuk LiDAR automotif. Usaha ini telah dijalankan sejak 2-3 tahun yang lalu, dan pada ketika ini, spesifikasi dan rancangan terperinci tidak didedahkan kepada umum. Seagate mungkin tidak seperti peserta lain setakat ini dalam ekosistem LiDAR yang sesak. Mereka bermula dengan barisan pengeluaran volum tinggi, kos rendah sedia ada dan memasukkan reka bentuk produk dengan kerumitan yang serupa ke dalamnya. Mereka boleh mengganggu pasaran LiDAR pada masa hadapan.

Trioptics (sebuah bahagian Jenoptik) membentangkan beberapa cabaran peralatan pembuatan untuk membina LiDAR dalam jumlah yang tinggi untuk pasaran automotif. Penjajaran ketepatan dan pengikatan komponen optik, mekanikal dan elektronik adalah kunci untuk pembuatan LiDAR daya pemprosesan tinggi, begitu juga dengan keupayaan untuk menentukur dan menguji sub-pemasangan dan produk akhir pada masa kitaran yang sangat rendah. Kuncinya adalah untuk memastikan setiap sub-komponen direka bentuk dan diperoleh dengan tahap ketepatan dan fiducial yang mencukupi supaya automasi robotik dapat berfungsi dengan berkesan. Trioptics sedang membina peralatan yang tersedia secara komersial untuk pengeluaran LiDAR dan cadangan mereka adalah serupa dengan penskalaan sistem komunikasi berasaskan gentian optik dua dekad yang lalu. Ia melahirkan industri peralatan khusus yang khusus untuk pembuatan komponen opto-elektronik, termasuk burn-in/ujian, penjajaran/pelekatan gentian, ikatan mati/wayar, pengedap hermetik dan sistem ujian kebolehpercayaan.

Piawaian dan Pensijilan Keselamatan

NVIDIA membentangkan pendekatannya untuk menangani dua piawaian utama untuk pensijilan keselamatan penderia: Piawaian Keselamatan Fungsian ISO 26262 dan piawaian ISO 21448 yang baru muncul yang memperkatakan Keselamatan Fungsi Bermaksud (SOTIF). Yang terakhir ini membincangkan bagaimana ciri kenderaan particlar berprestasi berbanding ODD yang dijanjikan. Untuk penderia baharu seperti LiDAR, menterjemah ini kepada pengesanan dan pengelasan objek (contohnya kenderaan, pejalan kaki, halangan dan infrastruktur trafik) dalam keadaan pencahayaan dan cuaca buruk adalah kritikal. Pembekal LiDAR semakin menumpukan pada standard baharu ini, walaupun tidak jelas sama ada ini adalah sesuatu yang akan dilaksanakan oleh OEM atau Tahap 1 (kerana ia mungkin bergantung pada gabungan dan susunan perisian peringkat lebih tinggi).

LiDAR Automotif sudah pasti tiba. Walaupun pasaran autonomi L4 masih jauh, tahap autonomi terhad (L2 dan L3) yang memerlukan LiDAR menawarkan peluang yang lebih lumayan dan jangka pendek. Peluang reka bentuk adalah terhad dan bersaing untuk ini adalah kejam. Memenangi ini memerlukan penyampaian keseimbangan prestasi, kos, kebolehpercayaan dan kemudahan penyepaduan yang betul.