Módulo LiDAR Avançado da Maxim Permite Direção Autônoma em Estrada 15 km/h Mais Rápida

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

O novo comparador de alta velocidade MAX40026 e os amplificadores transimpedância de alta largura de banda MAX40660/MAX40661 da Maxim Integrated permitem direção autônoma 15 km/h mais rápida em velocidade de estrada, dobrando a largura de banda e adicionando 32 canais (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 receptor LiDAR de quatro canais.
Inclui fotodiodos ópticos da First Sensor e os novos TIA e comparador de alta velocidade da Maxim. (Imagem: Maxim Integrated)

Junto com inteligência artificial, câmeras e radar, sensores são indispensáveis para direção assistida e autônoma. Como podem fornecer medições precisas de objetos e detectar obstáculos na estrada — galhos caídos, outros carros ou até uma criança que corre para o tráfego — sensores LiDAR ajudaram a avançar a adoção de sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e são críticos para desenvolvimento de veículos autônomos (AV). A percepção do ambiente circundante por um AV deve ser extremamente precisa, por isso robocars experimentais estão cheios de sensores. O uso de um sistema de iluminação a laser permite que carros autônomos operem em condições de baixa ou nenhuma visibilidade e até na ausência de marcações viárias.

"Sensores LiDAR desempenham papel crescente na fusão de sensores veiculares por sua capacidade de fornecer medição precisa de distância 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."

Sistemas LiDAR baseiam-se em tempo de voo (ToF), que mede eventos de temporização precisos (Figura 1). Os desenvolvimentos mais recentes viram vários sistemas LiDAR multi-feixe, que geram uma imagem 3D precisa do ambiente ao redor do veículo. Essa informação é usada para escolher as manobras de direção mais apropriadas.

Figura 1: Diagrama funcional de time-of-flight (Imagem: Maxim Integrated)

A Figura 2 mostra o layout básico de um sensor LiDAR. Existem dois tipos básicos de sistemas LiDAR: micropulso e alta energia. Sistemas de micropulso foram desenvolvidos como resultado do poder computacional cada vez maior e avanços em tecnologia laser. Esses novos sistemas usam potência muito baixa, na ordem de 1 W, e são inteiramente seguros para a maioria das aplicações. LiDAR de alta energia, por outro lado, é comum em sistemas de monitoramento atmosférico, onde sensores detectam parâmetros atmosféricos como altura, estratificação e densidade de nuvens.

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

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

Hardware LiDAR

Em um projeto LiDAR, o amplificador 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 TIAs da Maxim ideais para aplicações de medição de distância.

Circuitos TIA são frequentemente 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 corrente-tensão, 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)

Fototransistores e fotodiodos são intimamente relacionados e convertem luz laser incidente em corrente elétrica. Para atingir desempenho máximo desses dispositivos, projetistas devem prestar atenção especial a circuitos de interface, comprimentos de onda e alinhamento óptico-mecânico. Os amplificadores transimpedância MAX40660/MAX40661 permitem sistemas de direção autônoma muito mais rápidos usando alta resolução. Os TIAs reduzem consumo de corrente em mais de 80% em modo de baixo consumo. Os TIAs da Maxim suportam 128 canais com 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 alimentação única para aplicações de medição de distância ToF. Seu baixo atraso de propagação de 10 picossegundos contribui para detecção precisa de objetos fixos e móveis. "Menor dispersão de atraso e mais canais por sistema permitem medição de tempo mais precisa, aumentando a resolução do sistema e permitindo maior velocidade de direção", disse Gavardoni.

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

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

O tamanho das novas soluções é ainda mais reduzido, permitindo inserir muitos mais canais em plataformas veiculares com espaço limitado. Esses circuitos integrados atendem aos requisitos de segurança mais rigorosos da indústria automotiva, com qualificação AEC-Q100, desempenho aprimorado de descarga eletrostática (ESD) e análise de efeitos e modos de falha (FMEDA), para suportar certificação ISO 26262 no nível do sistema.

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