Module LiDAR avancé de Maxim : conduite autonome autoroutière 15 km/h plus rapide

L'avènement de la conduite autonome a décisivement étendu la présence des capteurs de détection et télémétrie par laser (LiDAR) dans la plateforme électronique automobile. Le LiDAR fonctionne selon le principe radar mais utilise des impulsions lumineuses émises par une diode laser infrarouge.

Le nouveau comparateur haute vitesse MAX40026 et les amplificateurs de transimpédance (TIA) large bande MAX40660/MAX40661 de Maxim Integrated permettent une conduite autonome 15 km/h plus rapide à vitesse autoroutière en doublant la bande passante et en ajoutant 32 canaux (pour un total de 128 au lieu de 96) dans un module LiDAR de même taille.

Qu'est‑ce que le LiDAR ?

Maurizio Gavardoni de Maxim démontre la carte d'évaluation pour un système de réception LiDAR à quatre canaux.
Il inclut des photodiodes optiques de First Sensor et les TIA et comparateur haute vitesse nouvellement lancés de Maxim. (Image : Maxim Integrated)

Aux côtés de l'intelligence artificielle, caméras et radar, les capteurs sont indispensables à la conduite assistée et autonome. Parce qu'ils fournissent des mesures précises d'objets et détectent les obstacles sur la route — branches d'arbres tombées, autres voitures, ou même un enfant traversant — les capteurs LiDAR ont fait progresser l'adoption des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et sont critiques pour le développement des véhicules autonomes (VA). La perception de l'environnement par un VA doit être extrêmement précise, c'est pourquoi les robocars expérimentaux regorgent de capteurs. L'utilisation d'un système d'éclairage laser permet aux voitures autonomes d'opérer en conditions de faible ou nulle visibilité et même en l'absence de marquages routiers.

« Les capteurs LiDAR jouent un rôle croissant dans la fusion des capteurs véhicule pour leur capacité à fournir des mesures de distance précises d'objets », a déclaré Maurizio Gavardoni, membre principal du staff technique chez Maxim Integrated. « Un capteur LiDAR typique envoie des impulsions lumineuses qui, réfléchies par les objets et détectées adéquatement par des photodiodes, permettent de cartographier l'environnement environnant. »

Les systèmes LiDAR reposent sur le temps de vol (ToF), qui mesure des événements de temporisation précis (Figure 1). Les derniers développements ont vu plusieurs systèmes LiDAR multifaiseaux, qui génèrent une image 3D précise de l'environnement autour du véhicule. Cette information est utilisée pour choisir les manœuvres de conduite les plus appropriées.

Figure 1 : Diagramme fonctionnel temps-de-vol (Image : Maxim Integrated)

La Figure 2 montre la disposition de base d'un capteur LiDAR. Il existe deux types de base de systèmes LiDAR : LiDAR micropulse et haute énergie. Les systèmes micropulse ont été développés grâce à la puissance de calcul croissante et aux avancées en technologie laser. Ces nouveaux systèmes utilisent une puissance très faible, de l'ordre de 1 W, et sont entièrement sûrs pour la plupart des applications. Le LiDAR haute énergie, en revanche, est courant dans les systèmes de surveillance atmosphérique, où les capteurs détectent des paramètres atmosphériques comme la hauteur, la stratification et la densité des nuages.

Figure 2 : Disposition générale d'un capteur LiDAR avec les principaux composants électroniques (Image : Maxim Integrated)

« Les systèmes de conduite automobile évoluent de 35 mph à 65 mph et au‑delà, mais des systèmes autonomes plus rapides sont essentiels », a déclaré Gavardoni. « Les défis pour répondre à ces demandes [se traduisent] en mesures de distance de haute précision d'objets, [requérant] plus de précision, plus de canaux pour s'adapter à des plateformes à espace contraint, [et conformité aux] exigences de sécurité strictes. »

Matériel LiDAR

Dans un projet LiDAR, l'amplificateur de transimpédance est la partie la plus critique de la disposition électronique. Faible bruit, gain élevé, faible délai de groupe, et récupération rapide de surcharge font des nouveaux TIA Maxim l'idéal pour les applications de mesure de distance.

Les circuits TIA sont souvent utilisés dans des applications partageant le besoin de circuits pour buffer et mettre à l'échelle la sortie de solutions électro‑optiques afin d'atteindre haute vitesse et grande dynamique. Le TIA est un convertisseur courant‑tension, presque exclusivement implémenté avec un ou plusieurs amplificateurs opérationnels (Figure 3).

Figure 3 : Disposition générale d'un TIA avec photodiode à polarisation inverse (Image : Wikipedia)

Phototransistors et photodiodes sont étroitement liés et convertissent la lumière laser incidente en courant électrique. Pour atteindre la performance maximale de ces dispositifs, les concepteurs doivent prêter une attention particulière aux circuits d'interface, longueurs d'onde, et alignement optico‑mécanique. Les amplificateurs de transimpédance MAX40660/MAX40661 permettent des systèmes de conduite autonome bien plus rapides utilisant la haute résolution. Les TIA réduisent la consommation de courant de plus de 80 % en mode basse puissance. Les TIA de Maxim supportent 128 canaux avec une bande passante de 490 MHz pour le MAX40660 et une densité de bruit de 2,1 pA/√Hz pour une plus grande précision de mesure (Figure 4).

Figure 4 : Diagramme de blocs MAX40660 (Image : Maxim Integrated)

Le MAX40026, quant à lui, est un comparateur haute vitesse à alimentation unique pour applications de mesure de distance ToF. Sa faible dispersion de délai de propagation de 10 picosecondes contribue à la détection précise d'objets fixes et mobiles. « Un délai de dispersion plus bas et plus de canaux par système permettent une mesure de temporisation plus précise, améliorant ainsi la résolution du système et permettant une vitesse de conduite plus élevée », a déclaré Gavardoni.

Le MAX40026 a une plage de mode commun d'entrée de 1,5 V à VDD + 0,1 V, compatible avec les variations de sortie de plusieurs TIA haute vitesse largement utilisés. L'étage de sortie en signalisation différentielle à basse tension (LVDS) minimise la dissipation de puissance et s'interface directement avec de nombreux FPGA et CPU (Figure 5).

Figure 5 : Diagramme fonctionnel MAX40026 (Image : Maxim Integrated)

La taille des nouvelles solutions est encore réduite, permettant d'insérer bien plus de canaux dans des plateformes véhicules à espace limité. Ces circuits intégrés répondent aux exigences de sécurité les plus strictes de l'industrie automobile, avec qualification AEC‑Q100, performance de décharge électrostatique (ESD) améliorée, et analyse des effets et modes de défaillance (FMEDA), pour supporter la certification ISO 26262 au niveau système.

>> Cet article a été publié à l'origine sur notre site sœur, EE Times Europe.