Le LiDAR à semi-conducteurs offre une solution de détection automobile plus simple

XenomatiX basé à Louvain fournit ce qu'il appelle « le vrai solide- capteurs LiDAR d'état » basés sur un concept de lasers multifaisceaux et une technologie à semi-conducteurs sans risque et évolutive.

Les applications automobiles difficiles, telles que l'ADAS et la conduite autonome, nécessitent des solutions avancées pour la détection de distance et d'objets. Parmi ceux-ci, un rôle important est joué par le système LiDAR (light detection and range). Également connu sous le nom de temps de vol (ToF), scanner laser ou radar laser, le LiDAR est une technologie de détection dont la tâche principale est de détecter des objets et de cartographier leurs distances. Ceci est réalisé en éclairant une cible avec une impulsion optique (dont la largeur varie de quelques nanosecondes à plusieurs microsecondes) et en mesurant les caractéristiques du signal de retour réfléchi. Les facteurs clés pour extraire des informations utiles à partir des signaux lumineux renvoyés sont la puissance d'impulsion, le temps d'aller-retour, le déphasage et la largeur d'impulsion. Même si plusieurs types différents de systèmes LiDAR sont disponibles, ils peuvent être regroupés en deux catégories par rapport au type d'orientation du faisceau :les LiDAR mécaniques et optiques. Un LiDAR mécanique s'appuie sur une optique de haute qualité et un ensemble rotatif pour créer un large champ de vision (FOV), jusqu'à 360°. Le rapport signal sur bruit (SNR) associé est assez excellent sur le FOV, mais la solution est volumineuse et lourde. Les LiDAR à semi-conducteurs, au contraire, ne comportent aucune pièce mécanique en rotation, offrant un haut degré de fiabilité. Même si leur FOV est réduit, il existe un moyen de surmonter cette limitation.

Cet article présentera une nouvelle technologie LiDAR développée par XenomatiX appelée true-state pour ADAS, la conduite autonome et d'autres applications routières. Il convient de noter qu'en plus des applications automobiles, la technologie LiDAR peut être exploitée pour la cartographie aérienne et géographique 3D, les systèmes de sécurité dans les usines, les munitions intelligentes et l'analyse des gaz.

Approche XenomatiX

Aujourd'hui, la plupart des systèmes LiDAR sont mécaniques. Ils utilisent des têtes de filage résultant en une solution volumineuse, lourde et coûteuse. Pour surmonter ces limitations, des technologies telles que les miroirs oscillants ont été adoptées pour réduire la taille de la solution. Cependant, cela reste encore un appareil quelque peu mécanique. Depuis le début, la philosophie de XenomatiX est que, dans les applications automobiles, la seule pièce mobile est le véhicule.

Lors d'un entretien avec EE Times Europe , Filip Geuens, PDG de XenomatiX, a déclaré :« L'automobile a des exigences complètement différentes, c'est une question de coût, de taille et de fiabilité. La technologie LiDAR doit être choisie en fonction de ces trois facteurs clés. C'est pourquoi nous avons pensé que les diodes laser provisoires et les pièces mécaniques mobiles ne sont pas la voie à suivre. »

La société, fondée en 2013 et basée à Louvain, en Belgique, a introduit le terme « vrai » pour identifier les systèmes LiDAR à semi-conducteurs qui sont construits à l'aide d'une source laser et d'un détecteur à semi-conducteurs et sans balayage ni pièces mobiles. Cette nouvelle solution adopte une approche fondamentalement différente par rapport aux LiDAR optiques conventionnels, qui utilisent des mesures séquentielles pour envoyer la lumière laser dans une direction, prendre une mesure, puis passer à la position suivante. Ils mesurent et acquièrent le scénario environnant étape par étape.

« Étant donné que le mécanisme de balayage est le point faible d'un système LiDAR, l'approche de XenomatiX a consisté à éliminer le mécanisme de balayage en introduisant la capacité multifaisceaux, qui envoie des milliers de faisceaux laser en même temps. » dit Geuens. « C'est la véritable innovation dont nous sommes fiers. »

L'ensemble de la scène peut être détecté en « un seul flash » sans les contraintes d'une portée plus courte ou élevée, avec des portées supérieures à 200 mètres et une consommation électrique normale. De plus, contrairement aux LiDAR à balayage, les nuages ​​de points haute résolution ne nécessitent aucun post-traitement pour la correction de l'espace-temps, ce qui permet une fréquence d'images beaucoup plus élevée et une meilleure correction.

En conséquence, le LiDAR de XenomatiX n'a ​​pas à se déplacer très rapidement, comme les systèmes optiques conventionnels « pointer et mesurer ». Étant donné que toute la scène est mesurée en envoyant tous les faisceaux en même temps sans effectuer de balayage, le système a plus de temps pour traiter la grille haute résolution des points de mesure.

"Nous n'avons pas besoin du laser le plus rapide, car nous avons un LiDAR qui fonctionne en mode obturateur global, ce qui signifie qu'il regarde toute la scène en un seul coup, dans une seule image", a déclaré Geuens. "Cela implique quelques avantages intéressants :notre système n'est pas affecté par le flou de mouvement, et nous n'avons pas besoin d'un pilote laser extrêmement puissant capable d'envoyer des impulsions nanosecondes."

L'approche adoptée par XenomatiX est une solution pour la numérisation en mouvement, car elle supprime le temps de latence causé par les capteurs de numérisation lorsqu'ils se déplacent dans leur modèle de numérisation. En effet, ce concept est bien adapté aux applications automobiles, car il élimine le besoin de compenser le mouvement :tous les faisceaux sont émis exactement en même temps, acquérant tous les points en même temps via un obturateur. La figure 1 montre le XenoLidar-X, une solution autonome sans pièces mobiles qui peut être utilisée à la fois pour la conduite autonome et les applications industrielles. Cette conception s'avère efficace dans tous les scénarios où l'éclairage et les conditions météorologiques peuvent varier considérablement. Il s'agit de la solution XenomatiX à semi-conducteurs de nouvelle génération, dotée de 15 000 faisceaux laser que nous projetons simultanément. Cela améliore la résolution à un niveau de 0,15° horizontalement et verticalement, conformément aux exigences actuelles du marché les plus exigeantes.

Figure 1 :XenoLidar-X (à semi-conducteurs)

Dans ses LiDAR à semi-conducteurs, XenomatiX utilise des VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale), qui sont des sources laser notoirement de faible puissance qui offrent une très bonne durabilité et une durée de vie bien meilleure que les lasers à diode traditionnels.

"Comme nous avons plus de temps pour mesurer, nous pouvons toujours mettre suffisamment d'énergie dans les faisceaux laser pour effectuer également des mesures à longue portée", a déclaré Geuens.

Les LiDAR XenomatiX sont connus sous le nom de LiDAR 6D, ce qui signifie qu'ils fournissent deux types de sorties avec une superposition parfaite. Le premier est un nuage de points, une géométrie 3D qui comprend tous les spots laser détectés. La seconde est une image de caméra 2D visuelle. Il peut être considéré comme un LiDAR avec une caméra intégrée de manière inhérente, ou une caméra avec des performances LiDAR et aucune erreur de parallaxe. La disponibilité de données redondantes permet la fusion de capteurs, fournissant des informations complémentaires qui soutiennent fortement les applications de sécurité. Le 6 ^ème dimension est la réflectivité des objets, basée sur la quantité de lumière laser renvoyée.

« Notre détecteur est un type spécial de CMOS, c'est un pixel que nous avons conçu nous-mêmes. C'est comme une caméra CMOS capable de fonctionner en mode tridimensionnel, donnant les coordonnées de chaque point détecté », a déclaré Geuens. « Il peut également fonctionner en mode bidimensionnel, fournissant une image visuelle. L'image visuelle et le nuage de points sont envoyés à un calculateur central, où ils sont traités pour la détection d'espace libre ou d'objets à l'aide d'algorithmes d'IA propriétaires. »

XenomatiX l'appelle IA à quatre dimensions, ce qui signifie qu'il effectue une reconnaissance de formes dans un espace à quatre dimensions, où les coordonnées x, y, z sont combinées avec l'intensité du faisceau laser réfléchi. Le capteur a été conçu pour fonctionner également comme un détecteur en mode 2D lorsque le laser est éteint. Si le laser est allumé, le système peut utiliser les mêmes pixels pour effectuer des mesures 3D et générer le nuage de points tridimensionnel. Les LiDAR à semi-conducteurs offrent également une excellente fiabilité, qui est un facteur clé dans les applications automobiles. Le Mean Time Between Failure (MTBF) est en effet très bon du fait de l'absence de pièces mobiles, de l'utilisation des VCSEL (qui sont des lasers à longue durée de vie), et de la maturité de la technologie CMOS.

Comme mentionné précédemment, un avantage offert par les LiDAR qui ont des pièces mobiles est le large champ de vision, qui peut être étendu pour couvrir jusqu'à 360 degrés. Les têtes tournantes permettent de regarder dans toutes les directions. Les LiDAR XenomatiX peuvent toujours atteindre un large champ de vision en combinant plusieurs modules pour obtenir une couverture plus élevée. Plusieurs unités LiDAR peuvent être placées dans les coins du véhicule afin de ne pas avoir de zones aveugles.

Avec une conception flexible et modulaire, XenomatiX peut offrir un capteur petit, léger et évolutif pour une intégration facile. La société entretient des partenariats permanents avec des fournisseurs automobiles de niveau I, comme AGC, Marelli, Kautex et d'autres, pour développer une solution LiDAR complète, personnalisable, modulaire et flexible. Ces partenariats favoriseront l'intégration des LiDAR dans le pare-brise, la lunette arrière, la calandre, les phares, les feux arrière et le pare-chocs du véhicule.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EE Fois Europe.

---

Contenus associés :

• Comprendre le choix de la longueur d'onde dans les systèmes LiDAR
• Les experts ADAS réfléchissent à l'intégration de capteurs dans les futurs véhicules
• Quels sont les moteurs du changement dans les systèmes électroniques automobiles
• La technologie du temps de vol promet une précision accrue
• Villes intelligentes :le cas du lidar dans les systèmes de transport intelligents

Pour plus d'informations sur Embedded, abonnez-vous à la newsletter hebdomadaire d'Embedded.