LiDAR ermöglicht echtes autonomes Fahren

LiDAR-Technologie ist in den letzten Jahren zu einem der Kerninstrumente im Bereich des autonomen Fahrens geworden. Als Sensor, der Entfernungen misst und hochpräzise 3D-Karten durch das Aussenden von Laserstrahlen und den Empfang reflektierter Signale erstellt, bietet LiDAR unvergleichliche Fähigkeiten zur Umwelterfassung. Dieser Artikel wird die Entwicklung der LiDAR-Anwendungen im autonomen Fahren und die von onsemi eingeführten Lösungen vorstellen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kameras und Radar kann LiDAR Details der Umgebung unter verschiedenen Licht- und Wetterbedingungen präzise erfassen. Diese Eigenschaft macht es zu einem Schlüsselelement bei der Erreichung echter autonomen Fahrfunktionen. Durch die genaue Messung von Entfernungen und die Identifikation von Objekten verbessert LiDAR nicht nur die Navigations- und Hindernisvermeidungskapazitäten des Fahrzeugs, sondern erhöht auch die allgemeine Fahrsicherheit und Zuverlässigkeit.

Die Entwicklung des LiDAR in autonomen Fahranwendungen hat sich von der frühen Erkundung bis zur weit verbreiteten Einführung entwickelt. Anfangs wurden LiDAR-Systeme hauptsächlich für wissenschaftliche Forschung und militärische Zwecke, wie z.B. Geländekartierung und Zielerkennung, genutzt. Mit dem Fortschritt der Technologie wurde LiDAR schrittweise in das Feld des autonomen Fahrens eingeführt. Zunächst wurde LiDAR hauptsächlich zur Konzeptvalidierung und zum Testen in experimentellen Umgebungen verwendet.

Die LiDAR-Systeme der ersten Generation bestanden hauptsächlich aus teuren und sperrigen Geräten, die typischerweise auf dem Dach von Fahrzeugen montiert wurden. Diese Systeme deckten ein 360-Grad-Sichtfeld durch rotierende Spiegel oder rotierende Laser ab und erzeugten Punktwolkendaten der Umgebung des Fahrzeugs. Diese frühen LiDAR-Systeme waren jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten, ihrer großen Größe und ihres hohen Energieverbrauchs schwer großtechnisch zu kommerzialisieren.

Mit dem technologischen Fortschritt sind die Kosten für LiDAR-Sensoren allmählich gesunken, ihre Größe wurde kleiner und ihre Leistung hat sich kontinuierlich verbessert. Das Aufkommen von Solid-State-LiDAR war ein bedeutender Meilenstein. Diese Technologie reduzierte die Verwendung von mechanischen Komponenten, verringerte die Systemkomplexität und -kosten und erhöhte gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit. Neue Technologien wie Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) LiDAR und Optisches Phased Array (OPA) LiDAR sind ebenfalls aufgetaucht und fördern weiter die Anwendung von LiDAR im autonomen Fahren.

Als die Technologie ausgereift war, begannen große Automobilhersteller und Technologieunternehmen mit umfassenden Straßentests und Validierungsmaßnahmen. Unternehmen wie Waymo, Uber, Tesla und andere investierten stark in die Erprobung der Leistung und Zuverlässigkeit von LiDAR-Systemen unter realen Straßenbedingungen. Diese Tests validierten nicht nur die Sensorkapazitäten von LiDAR in komplexen Verkehrsumgebungen, sondern förderten auch die Weiterentwicklung und Optimierung autonomer Fahralgorithmen.

In den letzten Jahren hat sich die LiDAR-Technologie allmählich in Richtung kommerzielle Anwendung entwickelt, wobei eine zunehmende Anzahl von autonomen Fahrzeugen und fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) beginnen, LiDAR-Sensoren zu integrieren. Führende LiDAR-Hersteller wie Velodyne, Luminar, Innoviz und andere haben mehrere LiDAR-Produkte auf den Markt gebracht, die für Serienfahrzeuge geeignet sind. Diese Produkte spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der Sicherheit, der Verbesserung der Umweltwahrnehmungsfähigkeiten von Fahrzeugen und der Erreichung hochautomatisierten Fahrens.

Da sich die LiDAR-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und die Kosten weiter sinken, wird erwartet, dass LiDAR eine zunehmend wichtige Rolle in autonomen Fahrzeugen spielt. Zukünftige LiDAR-Systeme werden kompakter, kostengünstiger und leistungsfähiger sein, indem sie in Verbindung mit anderen Sensoren (wie Kameras und Radar) arbeiten, um eine umfassendere und zuverlässigere Umgebungswahrnehmung zu erreichen. Dies wird den Weg zur Realisierung des vollautonomen Fahrens ebnen und tiefgreifende Veränderungen in der Automobilindustrie bewirken.

Recognizing the demand in the LiDAR application market, hat onsemi eine Partnerschaft mit dem führenden Automobil-LiDAR-Hersteller Innoviz geschlossen, um InnovizOne zu lancieren, das erste kommerzielle LiDAR-Produkt von Innoviz, das auf den Automobilmarkt abzielt. InnovizOne ist ein Produkt, das die LiDAR-Erfassungstechnologie nutzt und mit anderen Sensormodalitäten wie Kameras und Radars kombiniert werden kann, um echtes freihändiges und augenfreies autonomes Fahren in Personenkraftwagen zu ermöglichen.

InnovizOne integriert das ArrayRDM-0112 von onsemi, ein 12-Kanal-Silizium-Photomultiplier (SiPM) Array, um zurückkehrende Laserpulse zu erkennen und Entfernungen zur umliegenden Umgebung zu messen, was einen bedeutenden Fortschritt in der Branche darstellt. SiPM-Technologie, die auf hochvolumigen CMOS-Silizium-Fertigungsprozessen basiert, hat klare Vorteile gegenüber den teureren Detektoren, die in 1550 nm kurzwelligen Infrarot-LiDARs verwendet werden. SiPMs nutzen einen sehr hohen Verstärkungsfaktor, um einzelne Photonen zu erkennen, was sie den niedrigempfindlichen Lawinen-Photodioden-Detektoren überlegen macht, die die Reichweitenmessung von LiDAR einschränken.

Innoviz konzentriert sich hauptsächlich darauf, leistungsstarke LiDARs zu den niedrigstmöglichen Kosten bereitzustellen, um eine breitere Akzeptanz bei Automobil-OEMs zu ermöglichen. Dies wird durch die Verwendung ihrer 905 nm-basierten nahinfraroten direkten Time-of-Flight (dToF) LiDAR-Architektur erreicht.

Im Jahr 2018 wählten BMW und Magna gemeinsam InnovizOne als LiDAR-Technologieanbieter für ihre zukünftigen Personenfahrzeugplattformen. Nach mehreren Jahren der Entwicklung ging InnovizOne 2023 in die Massenproduktion. BMW rüstete seine Flaggschiff-Modelle der 7er-Reihe (wie den i7) mit LiDAR aus, um den BMW Personal Pilot zu ermöglichen, der echtes Level-3- "eyes-off"-autonomes Fahren bietet, welches im Frühjahr 2024 in Deutschland eingeführt wurde. Innoviz kündigte kürzlich an, dass BMW InnovizOne auch auf seine verbreiteten 5er-Modelle auf dem chinesischen Markt erweitern wird. Diese spannende Entwicklung zeigt, dass LiDAR nicht nur für hochwertige Luxusfahrzeuge, sondern auch für gängige Modelle geeignet wird und sichere Sensoren für autonomes Fahren auf dem Massenmarkt bereitstellt.

Der InnovizOne ist eine Solid-State-LiDAR-Sensorlösung, die speziell für Automobilhersteller und Unternehmen entwickelt wurde, die an Robotertaxis, Shuttles und Lieferdiensten beteiligt sind und eine skalierbare Produktion und einen zuverlässigen Betrieb in Anwendungen für autonomes Fahren anstreben. Dieser automotive-grade Sensor ist so konzipiert, dass er robust, kostengünstig, zuverlässig, energiesparend, leicht und leistungsstark ist und die Sicherheit von Passagieren und Fußgängern gewährleistet, wenn er nahtlos in autonome Fahrzeuge der Level 3-5 integriert wird.

InnovizOne kann sich an Sonnenlicht und Wetterbedingungen anpassen und liefert reichhaltige 3D-Punktwolken in Entfernungen von bis zu 250 Metern. In Kombination mit Innoviz's Erkennungssoftware erreicht der Sensor eine hervorragende Objekterkennung, -klassifikation und -verfolgung mit unübertroffener Winkelauflösung.

Der InnovizOne integriert nahtlos mit Wahrnehmungssoftware, die entworfen und entwickelt wurde, um den höchsten Standards der Automobilindustrie zu entsprechen. Der InnovizOne hat die notwendigen Zertifizierungen und Genehmigungen erhalten, einschließlich der ISO 9001:2015 Zertifizierung und der frühzeitigen Implementierung von ISO 26262 (funktionale Sicherheit) in seinen Komponenten (ASIC, Detektoren und MEMS) sowie in den LiDAR Hardware- und Softwaresystemen. Innoviz hat Hersteller in seiner gesamten Lieferkette ausgewählt, um die IATF 16949 Anforderungen zu erfüllen, und folgt den ASPICE-Standards für die Softwareentwicklung.

InnovizOne unterstützt eine Winkelauflösung von 0.1°x0.1° (HxV), mit einer vorab konfigurierten Bildrate von 10 oder 15 FPS und einem Erfassungsbereich von 1m bis 250m. Es bietet ein maximales Sichtfeld (FoV) von 115°x25° (HxV) und misst 45x111,4x97,9 mm (HxBxT), und entspricht dem ISO 26262 ASIL B(D) Standard.

Das InnovizOne verfügt über ein vorkonfiguriertes Interessenbereich (Region of Interest, ROI) im Zentrum des Sichtfelds des LiDAR, wo die Laserenergie konzentriert wird, um die Erkennungsreichweite zu erweitern. Das ROI misst 20°x8° (HxV), ohne die Bandbreite, Auflösung oder Bildfrequenz der Datenschnittstelle zu beeinträchtigen. InnovizOne kann mehrere Reflektionen pro Pixel zurückgeben und mehrere Punkte in der 3D-Umgebung aufzeichnen und speichern—dies ist entscheidend, wenn Laserimpulse Regentropfen, Schneeflocken oder mehrere Objekte entlang des Weges treffen.

Dank seiner kontinuierlichen Pixel-Funktion hat das LiDAR-Scanmuster von InnovizOne keine Lücken, was entscheidend für den Aufbau eines sicheren Wahrnehmungssystems für autonome Fahrzeuge ist. Ohne diese Funktion könnte das System kleine Objekte auf der Straßenoberfläche, die mit Kollisionen oder Menschen in den Lücken innerhalb der 3D-Punktwolken-Daten zusammenhängen, übersehen, was potenziell katastrophale Folgen haben könnte.

InnovizOne bietet ein gleichmäßig verteiltes vertikales FoV und hält eine konstante Auflösung über das gesamte vertikale Feld aufrecht. Diese Fähigkeit ermöglicht es dem System, mehr Daten zu erfassen im Vergleich zu Sensoren, die sich nur auf das Zentrum (Horizont) konzentrieren und an den Rändern Daten verlieren. Das vertikale Feld von InnovizOne verfügt auch über eine Schwenkfunktion, die Montagetoleranzen und unterschiedliche Fahrbedingungen wie Fahrzeugbeladung unterstützt. Es kann verschiedene Umgebungslichtbedingungen bewältigen, wie direkte Sonneneinstrahlung, blendende Lichter von entgegenkommenden Fahrzeugen und widrige Wetterbedingungen wie Regen, und gewährleistet, dass es sich an alle Umgebungslichtquellen anpasst. InnovizOne ist anwendbar in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich Privatfahrzeugen, Robotertaxis, Shuttles, Lieferdiensten, Lkw-Transport, Logistik, Gehweglieferung, Industriedrohnen und schweren Maschinen.

onsemi hat den ArrayRDM-0112A20-QFN vorgestellt, einen Silizium-Photomultiplier (SiPM), der speziell für automobile NIR-verstärkte LiDAR-Anwendungen entwickelt wurde. Der SiPM ist ein hochempfindlicher Sensor mit Verstärkung, der in der Lage ist, Licht von sichtbaren bis zu nahinfraroten Wellenlängen zu detektieren. Der ArrayRDM-0112A20-QFN ist ein monolithisches 1 × 12 SiPM-Pixel-Array, das auf dem marktführenden RDM-Prozess basiert, der speziell entwickelt wurde, um eine hohe Photonendetektionseffizienz (PDE) bei 905/940 nm NIR-Wellenlängen zu erreichen, die häufig in LiDAR- und 3D-Direktflugzeit- (dToF) Reichweitenanwendungen verwendet werden.

Das ArrayRDM-0112A20-QFN-Array ist in einem robusten QFN-Gehäuse untergebracht und bietet Zugang zu 12 einzelnen Pixeln. Um den Anforderungen von Automobil-LiDAR-Anwendungen gerecht zu werden, entspricht dieses Produkt den AEC-Q102-Standards. Das ArrayRDM-0112A20-QFN zeichnet sich durch hohen Verstärkungsfaktor und Detektionseffizienz aus und erfüllt die Automobilstandards. Es verwendet ein 1 × 12-Pixel-Array-Format mit einer PDE von 16 % bei 905 nm, arbeitet bei einer Vorspannung von 30 V und einer Pixelgröße von nur 0,47 mm x 1,12 mm, untergebracht in einem QFN-Gehäuse (10 mm x 5,2 mm).

Um die Produktentwicklung zu beschleunigen, hat onsemi zudem ein Evaluierungsboard (ArrayRDM-0112A20-GEVB) für dieses Produkt entwickelt. Das ArrayRDM-0112A20-QFN kann in 3D-Entfernungsmessung und -Erfassung, Automotive-LiDAR, industriellem LiDAR, Verbraucher-3D-Bildgebung und Robotik angewendet werden, wobei typische Endprodukte LiDAR-Scanningsysteme sind.

Die Entwicklung von LiDAR im Bereich des autonomen Fahrens verdeutlicht den wechselseitigen Antrieb von technologischen Fortschritten und Marktnachfrage. Von anfänglich teurem experimentellen Equipment bis hin zu den heute in Serie produzierten Anwendungen durchbricht LiDAR ständig technische Engpässe und bietet robuste Unterstützung für die Verwirklichung des echten autonomen Fahrens. onsemi hat die SiPM-Technologie eingeführt, die für automotive NIR (Nah-Infrarot) verbesserte LiDAR-Anwendungen geeignet ist. Diese Technologie kann die Anwendungskosten der autonomen Fahrtechnologie senken, die LiDAR-Leistung verbessern und die Integration mit anderen Fahrzeugsystemen optimieren. Daher ist sie eine ideale Wahl für die Entwicklung autonomer Fahranwendungen.