LiDAR habilitando la verdadera conducción autónoma

La tecnología LiDAR se ha convertido en una de las herramientas centrales en el campo de la conducción autónoma en los últimos años. Como un sensor que mide distancia y genera mapas 3D de alta precisión al emitir haces de láser y recibir señales reflejadas, LiDAR ofrece capacidades de percepción ambiental sin igual. Este artículo presentará el desarrollo de aplicaciones LiDAR en la conducción autónoma y las soluciones relacionadas lanzadas por onsemi.

En comparación con las cámaras tradicionales y el radar, LiDAR puede capturar detalles del entorno circundante con precisión bajo diversas condiciones de iluminación y clima. Esta característica lo convierte en un elemento clave para lograr una funcionalidad de conducción autónoma verdadera. Al medir distancias e identificar objetos con precisión, LiDAR no solo mejora las capacidades de navegación y evasión de obstáculos del vehículo, sino que también mejora la seguridad y confiabilidad general de la conducción.

La trayectoria de desarrollo de LiDAR en aplicaciones de conducción autónoma ha evolucionado desde la exploración inicial hasta la adopción generalizada. Inicialmente, los sistemas LiDAR se utilizaban principalmente para la investigación científica y propósitos militares, como el mapeo de terrenos y la detección de objetivos. A medida que la tecnología avanzó, LiDAR fue introduciéndose gradualmente en el campo de la conducción autónoma. Al principio, LiDAR se utilizaba principalmente para la validación de conceptos y pruebas en entornos experimentales.

Los sistemas LiDAR de primera generación consistían principalmente en equipos costosos y voluminosos, típicamente montados en el techo de los vehículos. Estos sistemas cubrían un campo de visión de 360 grados mediante espejos rotatorios o láseres giratorios, generando datos de nube de puntos del entorno del vehículo. Sin embargo, estos primeros sistemas LiDAR eran difíciles de comercializar a gran escala debido a sus altos costos, gran tamaño y alto consumo de energía.

Con los avances tecnológicos, el costo de los sensores LiDAR ha disminuido gradualmente, su tamaño se ha reducido y su rendimiento ha mejorado continuamente. La aparición del LiDAR en estado sólido fue un hito significativo. Esta tecnología redujo el uso de componentes mecánicos, disminuyendo la complejidad del sistema y los costos, al mismo tiempo que incrementaba la fiabilidad y durabilidad. Nuevas tecnologías como LiDAR de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) y LiDAR de Matriz de Fases Ópticas (OPA) también han comenzado a aparecer, promoviendo aún más la aplicación de LiDAR en la conducción autónoma.

A medida que la tecnología maduró, los principales fabricantes de automóviles y empresas tecnológicas comenzaron esfuerzos de prueba y validación a gran escala en carretera. Empresas como Waymo, Uber, Tesla y otras invirtieron mucho en probar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas LiDAR bajo condiciones reales de carretera. Estas pruebas no solo validaron las capacidades de detección de LiDAR en entornos de tráfico complejos, sino que también promovieron el avance y la optimización de los algoritmos de conducción autónoma.

En los últimos años, la tecnología LiDAR se ha ido moviendo gradualmente hacia aplicaciones comerciales, con un número creciente de vehículos autónomos y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) comenzando a incorporar sensores LiDAR. Fabricantes líderes de LiDAR como Velodyne, Luminar, Innoviz y otros han lanzado múltiples productos LiDAR adecuados para vehículos de producción en masa. Estos productos desempeñan un papel crucial en la mejora de la seguridad, mejorando las capacidades de percepción ambiental del vehículo y logrando una conducción altamente automatizada.

A medida que la tecnología LiDAR continúa avanzando y los costos disminuyen aún más, se espera que el LiDAR desempeñe un papel cada vez más importante en los vehículos autónomos. Los futuros sistemas LiDAR serán más compactos, rentables y de alto rendimiento, trabajando junto con otros sensores (como cámaras y radares) para lograr una percepción ambiental más completa y confiable. Esto allanará el camino para la realización de la conducción totalmente autónoma, impulsando cambios profundos en la industria automotriz.

Reconociendo la demanda en el mercado de aplicaciones LiDAR, onsemi se ha asociado con el fabricante líder de LiDAR automotriz Innoviz para lanzar InnovizOne, el primer producto comercial de LiDAR de Innoviz dirigido al mercado automotriz. InnovizOne es un producto que utiliza tecnología de sensor LiDAR y puede combinarse con otras modalidades de sensores, como cámaras y radares, para permitir una conducción autónoma verdaderamente manos libres y sin necesidad de atención visual en automóviles de pasajeros.

InnovizOne incorpora el ArrayRDM-0112 de onsemi, una matriz de fotomultiplicadores de silicio (SiPM) de 12 canales, para detectar pulsos láser de retorno y medir distancias al entorno circundante, marcando un avance significativo en la industria. La tecnología SiPM, basada en procesos de fundición de silicio CMOS de alto volumen, tiene claras ventajas sobre los detectores de mayor costo utilizados en el LiDAR de infrarrojo de onda corta a 1550 nm. Los SiPM utilizan una ganancia muy alta para detectar fotones individuales, lo que los hace superiores a los detectores de fotodiodo de avalancha de baja sensibilidad que limitan la medición de alcance de LiDAR.

Innoviz se centra principalmente en proporcionar LiDAR de alto rendimiento al costo más bajo posible, permitiendo una adopción más amplia por parte de los OEM automotrices. Esto se logra mediante el uso de su arquitectura LiDAR de tiempo de vuelo directo (dToF) basada en 905 nm cercano al infrarrojo.

En 2018, BMW y Magna seleccionaron conjuntamente InnovizOne como el proveedor de tecnología LiDAR para sus plataformas de vehículos de pasajeros futuros. Después de varios años de desarrollo, InnovizOne entró en producción en masa en 2023. BMW equipó sus vehículos insignia de la Serie 7 (como el i7) con LiDAR para habilitar BMW Personal Pilot, ofreciendo conducción autónoma de verdadero Nivel 3 "sin necesidad de mirar", que se lanzó en Alemania en la primavera de 2024. Innoviz anunció recientemente que BMW también extenderá InnovizOne a sus vehículos de la Serie 5 en el mercado chino. Este emocionante desarrollo significa que LiDAR se está haciendo adecuado no solo para vehículos de lujo de gama alta, sino también para modelos de gama media, proporcionando sensores de conducción autónoma segura al mercado masivo.

El InnovizOne es una solución de sensor LiDAR de estado sólido diseñada específicamente para fabricantes de automóviles y empresas involucradas en taxis robots, lanzaderas y servicios de entrega, con el objetivo de una producción escalable y operación confiable en aplicaciones de conducción autónoma. Este sensor de grado automotriz está diseñado para ser resistente, asequible, confiable, de bajo consumo, ligero y de alto rendimiento, garantizando la seguridad de pasajeros y peatones cuando se integra sin problemas en vehículos autónomos de Nivel 3-5.

InnovizOne puede adaptarse a la luz solar y a las condiciones meteorológicas, proporcionando nubes de puntos 3D detalladas a distancias de hasta 250 metros. Cuando se combina con el software de percepción de Innoviz, el sensor logra una detección, clasificación y seguimiento de objetos superior con una resolución angular inigualable.

El InnovizOne se integra perfectamente con el software de percepción, diseñado y desarrollado para cumplir con los más altos estándares de la industria automotriz. InnovizOne ha logrado las certificaciones y aprobaciones necesarias, incluyendo la certificación ISO 9001:2015 y la implementación temprana de ISO 26262 (seguridad funcional) en sus componentes (ASIC, detectores y MEMS), así como en los sistemas de hardware y software LiDAR. Innoviz ha seleccionado fabricantes a lo largo de su cadena de suministro para cumplir con los requisitos IATF 16949 y sigue los estándares ASPICE para el desarrollo de software.

InnovizOne admite una resolución angular de 0.1°x0.1° (HxV), con una velocidad de cuadro preconfigurada de 10 o 15 FPS, y un rango de detección de 1m a 250m. Ofrece un campo de visión (FoV) máximo de 115°x25° (HxV) y mide 45x111.4x97.9 mm (HxWxD), cumpliendo con el estándar ISO 26262 ASIL B(D).

El InnovizOne cuenta con una Región de Interés (ROI) preconfigurada en el centro del campo de visión del LiDAR, donde la energía del láser se concentra para extender el rango de detección. El ROI mide 20°x8° (HxV), sin afectar el ancho de banda, la resolución o la tasa de cuadros de la interfaz de datos. InnovizOne puede devolver múltiples reflexiones por píxel, registrando y almacenando múltiples puntos en el entorno 3D, lo cual es crítico cuando los pulsos láser impactan gotas de lluvia, copos de nieve o múltiples objetos a lo largo del camino.

Debido a su característica de píxeles continuos, el patrón de escaneo LiDAR de InnovizOne no tiene huecos, lo cual es crucial para construir un sistema de percepción de vehículos autónomos seguro. Sin esto, el sistema podría pasar por alto pequeños objetos en la superficie de la carretera relacionados con colisiones o humanos ubicados en los huecos dentro de los datos de la nube de puntos 3D, lo que potencialmente podría conducir a consecuencias catastróficas.

InnovizOne proporciona un campo de visión vertical distribuido uniformemente, manteniendo una resolución constante en todo el campo vertical. Esta capacidad permite al sistema capturar más datos en comparación con los sensores que se centran solo en el centro (horizonte) y pierden datos hacia los bordes. El campo vertical de InnovizOne también tiene una función de paneo para soportar las tolerancias de montaje y diferentes condiciones de conducción, como la carga del vehículo. Puede manejar diversas condiciones de iluminación ambiental, como la luz solar directa, las luces deslumbrantes de los vehículos que se aproximan y condiciones climáticas adversas como la lluvia, asegurando que se adapte a todas las fuentes de luz ambiental. InnovizOne es aplicable en una amplia gama de campos, incluidos vehículos de consumo, taxis robot, lanzaderas, servicios de entrega, transporte de mercancías, logística, entregas en acera, drones industriales y maquinaria pesada.

onsemi ha introducido el ArrayRDM-0112A20-QFN, un fotomultiplicador de silicio (SiPM) diseñado específicamente para aplicaciones LiDAR NIR mejoradas para automóviles. El SiPM es un sensor de alta ganancia y sensibilidad a fotones individuales, capaz de detectar luz desde longitudes de onda visibles hasta casi infrarrojas. El ArrayRDM-0112A20-QFN es una matriz de píxeles SiPM monolítica de 1 × 12, basada en el proceso RDM líder en el mercado, desarrollada específicamente para lograr una alta eficiencia de detección de fotones (PDE) en longitudes de onda NIR de 905/940 nm, comúnmente utilizadas en aplicaciones LiDAR y de medición de tiempo de vuelo directo en 3D (dToF).

El array ArrayRDM-0112A20-QFN viene en un paquete QFN robusto, proporcionando acceso a 12 píxeles individuales. Para cumplir con los requisitos de las aplicaciones LiDAR automotrices, este producto cumplirá con los estándares AEC-Q102. El ArrayRDM-0112A20-QFN cuenta con una alta ganancia y eficiencia de detección, cumpliendo con los estándares automotrices. Utiliza un formato de matriz de 1 × 12 píxeles con un PDE del 16% a 905 nm, opera a un voltaje de polarización de 30 V y un tamaño de píxel de solo 0.47 mm x 1.12 mm, alojado en un paquete QFN (10 mm x 5.2 mm).

Para acelerar el desarrollo de productos, onsemi también ha desarrollado una placa de evaluación (ArrayRDM-0112A20-GEVB) para este producto. El ArrayRDM-0112A20-QFN se puede aplicar en detección y medición 3D, LiDAR automotriz, LiDAR industrial, imagen 3D de consumo y robótica, siendo los productos finales típicos los sistemas LiDAR de escaneo.

El desarrollo de LiDAR en la conducción autónoma muestra el impulso mutuo de los avances tecnológicos y las demandas del mercado. Desde los primeros equipos experimentales de alto costo hasta las aplicaciones producidas en masa de hoy en día, LiDAR está rompiendo continuamente los cuellos de botella técnicos, proporcionando un soporte sólido para lograr una verdadera conducción autónoma. onsemi ha introducido la tecnología SiPM adecuada para aplicaciones de LiDAR mejoradas con NIR (infrarrojo cercano) automotriz. Esta tecnología puede reducir los costos de aplicación de la tecnología de conducción autónoma, mejorar el rendimiento de LiDAR y mejorar la integración con otros sistemas del vehículo. Por lo tanto, es una opción ideal para desarrollar aplicaciones de conducción autónoma.