LiDAR permettant une conduite véritablement autonome

La technologie LiDAR est devenue l'un des outils fondamentaux dans le domaine de la conduite autonome ces dernières années. En tant que capteur qui mesure la distance et génère des cartes 3D haute précision en émettant des faisceaux laser et en recevant des signaux réfléchis, le LiDAR offre des capacités de perception environnementale inégalées. Cet article présentera le développement des applications LiDAR dans la conduite autonome et les solutions connexes lancées par onsemi.

Comparé aux caméras traditionnelles et au radar, le LiDAR peut capturer avec précision les détails de l'environnement environnant dans diverses conditions d'éclairage et météorologiques. Cette caractéristique en fait un élément clé pour atteindre une véritable fonctionnalité de conduite autonome. En mesurant précisément les distances et en identifiant les objets, le LiDAR améliore non seulement les capacités de navigation et d'évitement d'obstacles du véhicule, mais il accroît également la sécurité et la fiabilité globales de la conduite.

La trajectoire de développement du LiDAR dans les applications de conduite autonome a évolué d'une exploration initiale à une adoption généralisée. Initialement, les systèmes LiDAR étaient principalement utilisés pour la recherche scientifique et les applications militaires, telles que la cartographie du terrain et la détection de cibles. Au fur et à mesure de l'évolution de la technologie, le LiDAR a été progressivement introduit dans le domaine de la conduite autonome. Au début, le LiDAR était principalement utilisé pour la validation de concepts et les tests dans des environnements expérimentaux.

Les systèmes LiDAR de première génération consistaient principalement en un équipement coûteux et encombrant, généralement installé sur le toit des véhicules. Ces systèmes couvraient un champ de vision de 360 degrés grâce à des miroirs rotatifs ou des lasers rotatifs, générant des données de nuage de points des environs du véhicule. Cependant, ces premiers systèmes LiDAR étaient difficiles à commercialiser à grande échelle en raison de leurs coûts élevés, de leur grande taille et de leur consommation d'énergie élevée.

Avec les avancées technologiques, le coût des capteurs LiDAR a progressivement diminué, leur taille est devenue plus petite et leurs performances se sont continuellement améliorées. L'émergence du LiDAR à semi-conducteurs a été une étape importante. Cette technologie a réduit l'utilisation de composants mécaniques, abaissant la complexité et les coûts du système tout en augmentant la fiabilité et la durabilité. De nouvelles technologies telles que le LiDAR à systèmes microélectromécaniques (MEMS) et le LiDAR à réseau optique à commande de phase (OPA) ont également commencé à apparaître, favorisant davantage l'application du LiDAR dans la conduite autonome.

À mesure que la technologie a mûri, les grands constructeurs automobiles et entreprises technologiques ont commencé des efforts de tests routiers et de validation à grande échelle. Des entreprises comme Waymo, Uber, Tesla et d'autres ont investi massivement dans le test de la performance et de la fiabilité des systèmes LiDAR dans des conditions routières réelles. Ces tests ont non seulement validé les capacités de détection du LiDAR dans des environnements de trafic complexes, mais ont également favorisé l'avancement et l'optimisation des algorithmes de conduite autonome.

Ces dernières années, la technologie LiDAR s'est progressivement orientée vers une application commerciale, avec un nombre croissant de véhicules autonomes et de systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) commençant à incorporer des capteurs LiDAR. Les principaux fabricants de LiDAR tels que Velodyne, Luminar, Innoviz et d'autres ont lancé plusieurs produits LiDAR adaptés aux véhicules de production de masse. Ces produits jouent un rôle crucial dans l'amélioration de la sécurité, l'amélioration des capacités de perception environnementale des véhicules et la réalisation de la conduite hautement automatisée.

À mesure que la technologie LiDAR continue de progresser et que les coûts diminuent encore, on s'attend à ce que le LiDAR joue un rôle de plus en plus important dans les véhicules autonomes. Les futurs systèmes LiDAR seront plus compacts, rentables et performants, travaillant en conjonction avec d'autres capteurs (tels que les caméras et les radars) pour atteindre une perception environnementale plus complète et fiable. Cela ouvrira la voie à la réalisation de la conduite entièrement autonome, entraînant des changements profonds dans l'industrie automobile.

Reconnaissant la demande sur le marché des applications LiDAR, onsemi s'est associé au principal fabricant de LiDAR automobile Innoviz pour lancer InnovizOne, le premier produit LiDAR commercial d'Innoviz destiné au marché automobile. InnovizOne est un produit qui utilise la technologie de détection LiDAR et peut être combiné avec d'autres modalités de capteurs telles que des caméras et des radars pour permettre une conduite autonome véritablement mains libres et yeux fermés dans les voitures particulières.

InnovizOne intègre l'ArrayRDM-0112 de onsemi, une matrice de photomultiplicateurs en silicium (SiPM) à 12 canaux, pour détecter les impulsions laser de retour et mesurer les distances avec l'environnement environnant, marquant une avancée significative dans l'industrie. La technologie SiPM, issue des processus de fonderie de silicium CMOS à grand volume, présente des avantages évidents par rapport aux détecteurs plus coûteux utilisés dans le LiDAR infrarouge à ondes courtes de 1550 nm. Les SiPM utilisent un très haut gain pour détecter les photons uniques, ce qui les rend supérieurs aux détecteurs à photodiode à avalanche à faible sensibilité qui limitent la mesure de la portée du LiDAR.

Innoviz se concentre principalement sur la fourniture de LiDAR haute performance au coût le plus bas possible, permettant une adoption plus large par les fabricants d'équipement d'origine automobile. Cela est rendu possible grâce à leur utilisation d'une architecture LiDAR temps de vol direct (dToF) basée sur le proche infrarouge à 905 nm.

En 2018, BMW et Magna ont conjointement choisi InnovizOne comme fournisseur de technologie LiDAR pour leurs futures plateformes de véhicules particuliers. Après plusieurs années de développement, InnovizOne est entré en production de masse en 2023. BMW a équipé ses véhicules phares de la Série 7 (comme l'i7) avec LiDAR pour activer le BMW Personal Pilot, offrant une véritable conduite autonome de niveau 3 "eyes-off", lancée en Allemagne au printemps 2024. Innoviz a récemment annoncé que BMW étendra également InnovizOne à ses véhicules grand public de la Série 5 sur le marché chinois. Ce développement passionnant signifie que LiDAR devient adapté non seulement aux véhicules de luxe haut de gamme, mais aussi aux modèles grand public, fournissant des capteurs de conduite autonome sûrs au marché de masse.

Le InnovizOne est une solution de capteur LiDAR à semi-conducteurs conçue spécifiquement pour les fabricants automobiles et les entreprises impliquées dans les taxis robotisés, les navettes et les services de livraison, visant une production évolutive et un fonctionnement fiable dans les applications de conduite autonome. Ce capteur de qualité automobile est conçu pour être robuste, abordable, fiable, à faible consommation d'énergie, léger et performant, garantissant la sécurité des passagers et des piétons lorsqu'il est intégré de manière transparente dans les véhicules autonomes de niveau 3 à 5.

InnovizOne peut s'adapter aux conditions de soleil et de météo, fournissant des nuages de points 3D riches à des distances allant jusqu'à 250 mètres. Lorsqu'il est combiné avec le logiciel de perception de Innoviz, le capteur atteint une détection, classification et suivi des objets supérieurs avec une résolution angulaire inégalée.

Le InnovizOne s'intègre parfaitement avec le logiciel de perception, conçu et développé pour répondre aux normes les plus élevées de l'industrie automobile. InnovizOne a obtenu les certifications et les approbations nécessaires, y compris la certification ISO 9001:2015 et la mise en œuvre précoce de l'ISO 26262 (sécurité fonctionnelle) dans ses composants (ASIC, détecteurs et MEMS), ainsi que dans les systèmes matériels et logiciels du LiDAR. Innoviz a sélectionné des fabricants tout au long de sa chaîne d'approvisionnement pour répondre aux exigences de l'IATF 16949 et respecte les normes ASPICE pour le développement logiciel.

InnovizOne prend en charge une résolution angulaire de 0,1°x0,1° (HxV), avec une fréquence d'images préconfigurée de 10 ou 15 FPS, et une portée de détection de 1m à 250m. Il offre un champ de vision (FoV) maximum de 115°x25° (HxV) et mesure 45x111,4x97,9 mm (HxLxP), conforme à la norme ISO 26262 ASIL B(D).

L'InnovizOne comprend une Région d'Intérêt (ROI) préconfigurée au centre du champ de vision du LiDAR, où l'énergie laser est concentrée pour étendre la portée de détection. Le ROI mesure 20°x8° (HxV), sans affecter la bande passante de l'interface de données, la résolution, ou le taux de rafraîchissement. InnovizOne peut renvoyer plusieurs réflexions par pixel, enregistrant et stockant plusieurs points dans l'environnement 3D — essentiel lorsque les impulsions laser touchent des gouttes de pluie, des flocons de neige, ou plusieurs objets sur le chemin.

Grâce à sa fonction de pixels continus, le schéma de balayage LiDAR d'InnovizOne ne présente aucune lacune, ce qui est crucial pour construire un système de perception de véhicule autonome sûr. Sans cela, le système pourrait manquer de petits objets sur la surface de la route liés à des collisions ou des humains situés dans des interstices au sein des données de nuage de points 3D, ce qui pourrait entraîner des conséquences catastrophiques.

InnovizOne offre un champ de vision vertical uniformément réparti, maintenant une résolution constante sur l'ensemble du champ vertical. Cette capacité permet au système de capturer plus de données par rapport aux capteurs qui se concentrent uniquement sur le centre (horizon) et perdent des données vers les bords. Le champ vertical d'InnovizOne dispose également d'une fonction de panoramique pour supporter les tolérances de montage et différentes conditions de conduite telles que le chargement du véhicule. Il peut gérer diverses conditions d'éclairage environnementales, comme la lumière directe du soleil, les lumières éblouissantes des véhicules venant en sens inverse, et des conditions météorologiques défavorables comme la pluie, assurant une adaptation à toutes les sources de lumière ambiante. InnovizOne est applicable dans un large éventail de domaines, y compris les véhicules grand public, les taxis robots, les navettes, les services de livraison, le transport routier de marchandises, la logistique, la livraison sur trottoir, les drones industriels et les machines lourdes.

onsemi a introduit l'ArrayRDM-0112A20-QFN, un photomultiplicateur en silicium (SiPM) spécialement conçu pour les applications LiDAR dans le domaine automobile avec amélioration NIR. Le SiPM est un capteur sensible à un photon unique avec un gain élevé, capable de détecter la lumière des longueurs d'onde visibles à proches infrarouges. L'ArrayRDM-0112A20-QFN est un réseau monolithique de pixels SiPM 1 × 12 basé sur le processus RDM de pointe sur le marché, spécifiquement développé pour atteindre une efficacité de détection des photons (PDE) élevée à des longueurs d'onde NIR de 905/940 nm, couramment utilisées dans les applications LiDAR et de télémétrie directe par temps de vol (dToF) 3D.

Le réseau ArrayRDM-0112A20-QFN est proposé dans un boîtier QFN robuste, offrant l'accès à 12 pixels individuels. Pour répondre aux exigences des applications LiDAR automobiles, ce produit sera conforme aux normes AEC-Q102. L'ArrayRDM-0112A20-QFN offre un gain élevé et une efficacité de détection, respectant les normes automobiles. Il utilise un format de réseau 1 × 12 pixels avec une PDE de 16 % à 905 nm, fonctionne à une tension de polarisation de 30 V, et une taille de pixel de seulement 0,47 mm x 1,12 mm, logé dans un boîtier QFN (10 mm x 5,2 mm).

Pour accélérer le développement de produits, onsemi a également développé une carte d'évaluation (ArrayRDM-0112A20-GEVB) pour ce produit. L'ArrayRDM-0112A20-QFN peut être appliqué dans la détection et la télémétrie 3D, le LiDAR automobile, le LiDAR industriel, l'imagerie 3D grand public et la robotique, les produits finaux typiques étant des systèmes LiDAR à balayage.

Le développement du LiDAR dans la conduite autonome illustre la synergie entre les avancées technologiques et les demandes du marché. Passant de l'équipement expérimental coûteux des débuts aux applications produites en série d'aujourd'hui, le LiDAR ne cesse de surmonter des obstacles techniques, offrant un soutien solide pour réaliser la véritable conduite autonome. onsemi a introduit la technologie SiPM adaptée aux applications LiDAR améliorées NIR (proche infrarouge) pour l'automobile. Cette technologie peut réduire les coûts d'application de la technologie de conduite autonome, améliorer les performances du LiDAR et renforcer l'intégration avec d'autres systèmes de véhicules. Ainsi, c'est un choix idéal pour développer des applications de conduite autonome.