Módulo LiDAR suporta aumento de velocidade em rodovias

O advento da direção autônoma expandiu decisivamente a presença de sensores de detecção e alcance de imagens a laser (LiDAR) na plataforma eletrônica automotiva. O LiDAR funciona de acordo com o princípio do radar, mas usa pulsos de luz emitidos por um diodo laser infravermelho.

O novo comparador de alta velocidade MAX40026 da Maxim Integrated e amplificadores de transimpedância de alta largura de banda (TIAs) MAX40660 / MAX40661 permitem uma direção autônoma 15 km / h mais rápida em velocidade de rodovia dobrando a largura de banda e adicionando 32 canais (para um total de 128 em vez de 96) em um módulo LiDAR do mesmo tamanho.

O que é LIDAR?

Maurizio Gavardoni da Maxim demonstra a placa de avaliação para um sistema de recepção LiDAR de quatro canais.
Inclui fotodiodos ópticos do Primeiro Sensor e o recém-lançado TIA e comparador de alta velocidade da Maxim. (Imagem:Maxim Integrated)

Junto com a inteligência artificial, câmeras e radar, os sensores são indispensáveis ​​para uma direção assistida e autônoma. Porque eles podem fornecer medições precisas de objetos e detectar obstáculos na estrada - galhos de árvores caídos, outros carros ou até mesmo uma criança que se lança para o trânsito - os sensores LiDAR ajudaram a avançar na adoção de sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e são crítico para o desenvolvimento de veículos autônomos (AV). A percepção de um AV do ambiente circundante deve ser extremamente precisa, e é por isso que robôs experimentais estão cheios de sensores. O uso de um sistema de iluminação a laser permite que os carros autônomos sejam operados em condições de baixa ou nenhuma visibilidade e mesmo na ausência de marcações na estrada.

“Os sensores LiDAR estão desempenhando um papel cada vez mais importante na fusão de sensores veiculares por sua capacidade de fornecer medições de distâncias precisas de objetos”, disse Maurizio Gavardoni, membro principal da equipe técnica da Maxim Integrated. “Um sensor LiDAR típico envia pulsos de luz que, refletidos por objetos e detectados adequadamente por fotodiodos, permitem mapear o ambiente circundante.”

Os sistemas LiDAR são baseados no tempo de vôo (ToF), que mede eventos de tempo precisos (Figura 1). Os últimos desenvolvimentos viram vários sistemas LiDAR multifeixe, que geram uma imagem 3D precisa do ambiente ao redor do veículo. Esta informação é usada para escolher as manobras de direção mais adequadas.

Figura 1:Diagrama funcional de tempo de voo (Imagem:Maxim Integrated)

A Figura 2 mostra o layout básico de um sensor LiDAR. Existem dois tipos básicos de sistemas LiDAR:LiDAR micropulse e de alta energia. Os sistemas Micropulse foram desenvolvidos como resultado do poder de computação cada vez maior disponível e dos avanços na tecnologia de laser. Esses novos sistemas usam uma potência muito baixa, da ordem de 1 W, e são totalmente seguros para a maioria das aplicações. O LiDAR de alta energia, por outro lado, é comum em sistemas de monitoramento atmosférico, onde os sensores são usados ​​para detectar parâmetros atmosféricos como altura, estratificação e densidade de nuvem.

Figura 2:Layout geral de um sensor LiDAR com as principais peças eletrônicas mostradas (Imagem:Maxim Integrado)

“Os sistemas automotivos de direção autônoma estão evoluindo de 35 mph para 65 mph e além, mas sistemas autônomos mais rápidos são essenciais”, disse Gavardoni. “Os desafios para atender a essas demandas [se traduzem] em medições de distância de objetos de alta precisão, [exigindo] mais precisão, mais canais para caber em plataformas com espaço limitado [e conformidade com] requisitos de segurança rigorosos.”

Hardware LiDAR

Em um projeto LiDAR, o amplificador de transimpedância é a parte mais crítica de um layout eletrônico. Baixo ruído, alto ganho, baixo atraso de grupo e recuperação rápida de sobrecarga tornam os novos Maxim TIAs ideais para aplicações de medição de distância.

Os circuitos TIA são freqüentemente usados ​​em aplicações que compartilham a necessidade de circuitos para buffer e escalar a saída de soluções eletro-ópticas para atingir alta velocidade e alta faixa dinâmica. TIA é um conversor de corrente para voltagem, quase exclusivamente implementado com um ou mais amplificadores operacionais (Figura 3).

Figura 3:Layout geral de um TIA com fotodiodo de polarização reversa (Imagem:Wikipedia)

Os fototransistores e fotodiodos estão intimamente relacionados e convertem a luz laser incidente em corrente elétrica. Para obter o máximo desempenho desses dispositivos, os projetistas devem prestar atenção especial aos circuitos de interface, comprimentos de onda e alinhamento óptico-mecânico. Os amplificadores de transimpedância MAX40660 / MAX40661 permitem sistemas autônomos muito mais rápidos usando alta resolução. Os TIAs reduzem o consumo de corrente em mais de 80% no modo de baixa energia. Os TIAs da Maxim suportam 128 canais com uma largura de banda de 490 MHz no caso do MAX40660 e densidade de ruído de 2,1-pA / √Hz para fornecer maior precisão de medição (Figura 4).

Figura 4:Diagrama de blocos do MAX40660 (Imagem:Maxim Integrated)

O MAX40026, por sua vez, é um comparador de alta velocidade de fonte única para aplicações de medição de distância TOF. Sua baixa dispersão de retardo de propagação de 10 picossegundos contribui para a detecção precisa de objetos fixos e móveis. “Menor atraso de dispersão e mais canais por sistema permitem uma medição de tempo mais precisa, melhorando assim a resolução do sistema e permitindo maior velocidade de direção”, disse Gavardoni.

O MAX40026 tem uma faixa de modo comum de entrada de 1,5 V a VDD + 0,1 V, compatível com as oscilações de saída de vários TIAs de alta velocidade amplamente usados. O estágio de saída de sinalização diferencial de baixa tensão (LVDS) minimiza a dissipação de energia e faz interface diretamente com muitos FPGAs e CPUs (Figura 5).

Figura 5:Diagrama funcional MAX40026 (Imagem:Maxim Integrated)

O tamanho das novas soluções é ainda mais reduzido, permitindo que muitos mais canais sejam inseridos em plataformas de veículos com espaço limitado. Esses circuitos integrados atendem aos mais rigorosos requisitos de segurança da indústria automotiva, com qualificação AEC-Q100, desempenho aprimorado de descarga eletrostática (ESD) e efeitos e análise de diagnóstico (FMEDA), a fim de apoiar a certificação ISO 26262 no nível do sistema.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times Europe.