È arrivato il LiDAR automobilistico

La recente introduzione da parte di Daimler di un'opzione di livello 3 (L3, guida automatizzata in determinate condizioni con il guidatore umano pronto a subentrare una volta convocato) nel modello di lusso della Classe S è una svolta significativa per la rivoluzione dell'autonomia. Diverse altre case automobilistiche hanno annunciato l'imminente disponibilità di questa funzione, tra cui Honda e BMW. L'imaging 3D con LiDAR (Light Detection and Ranging) è una tecnologia di rilevamento chiave che lo rende possibile. Un recente articolo (che copre LiDAR al Consumer Electronics Show di gennaio 2022 a Las Vegas) ha esaminato la domanda "LiDAR è arrivato?" Quattro mesi dopo, la risposta è SI.

L'obiettivo principale degli investimenti di circa 5 miliardi di dollari (negli ultimi 8 anni) nelle società LiDAR private era la piena autonomia (livello 4 o 5 in cui non sono necessari conducenti umani) per il trasporto di merci, il trasporto su camion e la logistica. Realizzare la capacità L4/L5 si è rivelato più impegnativo di quanto originariamente previsto a causa di considerazioni tecniche, di sicurezza, normative e di costo. In molti casi, anche i casi aziendali per monetizzare questa capacità si sono rivelati poco chiari. Per le aziende LiDAR, questa è una ricerca difficile visti gli orizzonti temporali più lunghi e il fatto che i principali attori L4 stanno sviluppando i loro LiDAR interni (Waymo, Aurora, Argo).

I mercati target per la piena autonomia sono le imprese, con volumi di veicoli sostanzialmente inferiori (< 5 milioni/anno contro i ~100 milioni di auto vendute/anno ai consumatori). Gli OEM automobilistici non erano attrezzati per competere nel mercato della piena autonomia e hanno visto l'opportunità di aggiungere funzionalità di autonomia limitata alle loro auto e vendere la proposta di comfort, tempo libero e sicurezza a una base di clienti più ampia. Ciò ha spinto molte aziende LiDAR ad affrontare l'autonomia L2 e L3. Annunci recenti includono società come Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) e Innovusion (Nio). Si sono consolidate anche le partnership con i fornitori automobilistici di livello 1 (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

La portata e la densità di punti (punti/secondo o PPS) sono parametri di prestazione critici che regolano la capacità di percezione fornita da LiDAR. Questi includono il rilevamento e la classificazione della segnaletica orizzontale, delle infrastrutture del traffico, del manto stradale, dei pedoni, dei veicoli e dei detriti stradali a una distanza adeguata per consentire manovre di autonomia sicure e confortevoli. Sebbene le prestazioni siano fondamentali, il perno delle auto di consumo ha spinto le aziende LiDAR a concentrarsi anche su caratteristiche più "banali" come prezzo, dimensioni, consumo energetico, integrazione/stile del veicolo, scalabilità della produzione e certificazione di sicurezza. La recente conferenza Autosens a Detroit lo ha evidenziato ed è un buon indicatore dell'arrivo di LiDAR per il mercato automobilistico. Hanno partecipato sette società LiDAR: Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo e Xenomatix.

Money, Money, Money

Una sessione del panel presso Autosens ha discusso la soglia del prezzo (o del dolore) che rende LiDAR conveniente per i veicoli di consumo. Non sono stati menzionati numeri specifici (per ovvi motivi). Come riferimento, le telecamere e i radar per autoveicoli hanno un prezzo compreso tra $ 10-20 e $ 50-100 rispettivamente, e il sogno è che LiDAR raggiunga prezzi simili. Questo è irragionevole nel prossimo futuro per un paio di ragioni. In primo luogo, telecamere e radar hanno sperimentato diversi decenni di maturità e ridimensionamento per le auto di consumo per ADAS (sistemi di assistenza alla guida automobilistica). In secondo luogo, si basano principalmente su tecnologie CMOS e silicio che sfruttano la scala dell'elettronica di consumo e industriale. LiDAR è meno maturo e si basa su una complessa tecnologia dei semiconduttori ottici (in particolare i laser). La catena di approvvigionamento in quest'area semplicemente non è posizionata oggi per supportare tali prezzi.

Un modo per razionalizzare un prezzo soglia accettabile per LiDAR è metterlo in relazione con il prezzo dell'opzione L3. Per la Mercedes Classe S, questo è ~ $ 5000. Dato che LiDAR rende possibile questa funzionalità, è ragionevole presumere che LiDAR possa ottenere un prezzo di $ 500 (o il 10% del prezzo dell'opzione L3). Poiché le auto di fascia media iniziano a offrire questa opzione, il prezzo L3 dovrà ridursi (~ $ 3000), con il prezzo LiDAR che scende a ~ $ 300. È probabile che si verifichi un'ampia accettazione da parte dei clienti solo se l'Operational Design Domain (ODD) si espande (in termini di velocità, posizione, condizioni meteorologiche, ecc.) e non si verificano incidenti di sicurezza significativi durante questa evoluzione.

Size Matters

I “Lo studio di stile è il re” Il tema è stato sottolineato ripetutamente ad Autosens, con il consiglio che l'integrazione dei sensori deve avvenire senza compromettere lo stile generale e l'appeal emotivo delle auto di consumo. Le dimensioni e il consumo energetico determinano dove e come sono integrati i sensori. La maggior parte della potenza consumata nei sensori (soprattutto LiDAR) viene convertita in calore. Ridurre al minimo ciò è vantaggioso dal punto di vista dell'efficienza, della gestione termica e della riduzione delle dimensioni.

I sensori radar vanno da 100-500 cm³ di volume e consumano 5-15 W di potenza (a seconda delle prestazioni). Le fotocamere sono significativamente più piccole ed efficienti dal punto di vista energetico (in genere nella gamma di 25 – 200 cm³ e ~3 W di consumo energetico). Gli immobili sono preziosi in un'auto e, man mano che le funzionalità L2 e L3 si evolvono, i LiDAR devono competere con questi sensori convenzionali per spazio, potenza, risorse di calcolo e gestione termica.

La tabella 1 confronta le dimensioni e il consumo energetico dei progetti LiDAR in tutta la gamma e i parametri di prestazione PPS (punti/secondo):

La fisica operativa, l'approccio di scansione e la lunghezza d'onda sono fattori critici che determinano le dimensioni e il consumo energetico. Le principali conclusioni della tabella 1 sono le seguenti:

1. ④ è l'approccio meno compatto. Il funzionamento a 1550 nm ToF (Time-of-Flight) richiede laser a fibra ad alta potenza di picco, che non sono compatti come i laser a diodi a semiconduttore. Anche la scansione 2D e le aperture di trasmissione/ricezione separate tendono a rendere il LiDAR più ingombrante.
2. ① sembra essere l'approccio più compatto. FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) consente l'uso di laser a diodi sintonizzabili, coerenti e di bassa potenza. La scansione avviene in una dimensione (direzione orizzontale), mentre la scansione verticale viene eseguita con laser sintonizzabili e ottiche prismatiche (senza parti mobili). Utilizza anche un'architettura monostatica (trasmissione/ricezione avviene attraverso un'apertura).
3. Rispetto ai 905 nm (②), i LiDAR a 1550 nm (① e ④) consumano una potenza maggiore ma offrono anche prestazioni di portata più elevata. Il maggiore consumo di energia è dovuto a molteplici fattori. In primo luogo, i laser possono essere pilotati a una potenza ottica maggiore (le soglie di sicurezza per gli occhi per 1550 nm sono molto più elevate rispetto a 905 nm). In secondo luogo, i laser a 1550 nm sono meno efficienti e consumano più energia elettrica. Infine, a causa della maggiore sensibilità alla temperatura, i laser a 1550 nm devono essere raffreddati o stabilizzati in temperatura. Questo consuma potenza e dimensioni.
4. I miglioramenti generazionali nella gamma LiDAR e le prestazioni PPS (Innoviz e Valeo in ②) aumentano il consumo energetico. Ciò è comprensibile poiché prestazioni più elevate richiedono più potenza laser, ciclo di lavoro e frequenza spaziale. Anche la potenza di calcolo dell'elaborazione del segnale aumenta. Le dimensioni scalano proporzionalmente con un maggiore consumo di energia.
5. Rispetto alle prestazioni modeste offerte da Flash LiDAR (③), è costoso in termini di dimensioni e consumo energetico. Se l'eliminazione delle parti mobili è una considerazione chiave (considerazioni di affidabilità o integrazione), le architetture che utilizzano la scansione elettronica sono molto più interessanti (③) poiché offrono prestazioni significativamente più elevate a dimensioni equivalenti e un consumo energetico notevolmente inferiore. Il compromesso è che il funzionamento dell'otturatore globale non è possibile, causando effetti di sfocatura nella nuvola di punti.
6. Le partnership di co-design tra i produttori di LiDAR e le società di livello 1 (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) sono vantaggiose in termini di riduzione delle dimensioni.

LiDAR sta maturando in termini di integrazione, dimensioni e consumo energetico. Rispetto al radar, è ancora ~2-3 volte più grande in termini di dimensioni e consumo energetico. Le fotocamere per immagini sono ancora più compatte ed efficienti dal punto di vista energetico (dimensioni inferiori a 10 volte inferiori, 5 volte di potenza).

LiDAR raggiungerà mai la parità con questi altri sensori nel tempo? 1550 nm FMCW LiDAR (①) offre il miglior potenziale per la parità dimensionale con il radar una volta implementato in una piattaforma fotonica al silicio con scansione ottica a scala di chip in due dimensioni (un'area di ricerca attiva oggi, ma non ancora praticamente fattibile). È improbabile che il consumo di energia si riduca poiché nella tecnologia laser fondamentale dovrebbero verificarsi importanti miglioramenti dei materiali (negli ultimi tre decenni sono stati effettuati investimenti significativi in ​​quest'area per supportare la comunicazione in fibra ottica e sono improbabili miglioramenti notevoli). La maggior parte del consumo di energia è dovuto al laser e oltre il 70% di questo viene convertito in calore, che deve essere gestito. Questo a sua volta imposta un limite inferiore alla dimensione.

Produzione: 1-1000 è facile, 1000,000 è difficile (se vuoi guadagnare $)

Garantire che un sensore opto-meccanico complesso come LiDAR possa scalare con grazia dai prototipi alla produzione ad alto volume richiede che la catena di approvvigionamento e la producibilità siano prese in considerazione nelle prime fasi della progettazione. Le partnership tra le società LiDAR e i fornitori di livello 1 (che hanno imparato i processi e la scienza per scalare in modo efficiente nella produzione in serie) sono inestimabili a questo proposito.

Valeo progetta e produce il suo LiDAR (serie SCALA). Ad Autosens hanno presentato considerazioni che influiscono sul processo di progettazione: scelte tecnologiche, fornitori, semplicità di processo, costi, affidabilità e scalabilità. I tempi di ciclo ei livelli di scarto sono rigorosamente analizzati e verificati. La filosofia di Valeo è stata quella di introdurre design "adatti alla funzione" che soddisfano le attuali esigenze dei clienti automobilistici (potrebbero inizialmente non guidare i concorrenti in termini di prestazioni ma sono affidabili e facili da implementare per i clienti), lanciarli nella produzione in serie e utilizzare il ridimensionamento e il basso costo esperienza come base per gli aggiornamenti delle prestazioni per i progetti futuri. Finora sono stati prodotti oltre 170,000 LiDAR di livello automobilistico (in tutte le serie SCALA 1 e 2, SCALA 2 è attualmente progettato nella classe Mercedes S discussa in precedenza). SCALA 3 sfrutta questa esperienza con prestazioni significativamente più elevate e dovrebbe essere lanciato nel 2023. L'approccio di Valeo (tipico per Tier 1 e altre aziende manifatturiere ad alto volume) è diverso da molte società LiDAR finanziate da venture capital che tendono a concentrarsi inizialmente sulla massimizzazione prestazioni e presupporre che i requisiti di scalabilità e di costo verranno risolti una volta che i volumi aumenteranno. Questa è una proposta difficile.

Seagate Technology è un grande produttore di unità disco rigido (HDD), che produce oltre 100 milioni di unità all'anno. Ad Autosens, hanno presentato e dimostrato il loro LiDAR, un sistema a 1550 nm in grado di fornire foveazione dinamica, campo visivo di 120°, portata di 250 m e consumo energetico di 25 W. L'azienda ha aperto la strada ad HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) per aumentare la capacità di archiviazione dell'HDD. I diodi laser montati sulla testina di registrazione vengono utilizzati per riscaldare localmente singoli bit per invertire la polarità magnetica e assistere nel processo di scrittura. Ottica, meccanica di precisione, elettronica ad alta velocità e scansione sono piattaforme di progettazione chiave. Le linee di produzione di HDD utilizzano un posizionamento preciso (submicron) e l'incollaggio di parti ottiche, meccaniche ed elettroniche e test in linea e finali ad alta produttività. La strategia di Seagate è quella di sfruttare i brevetti, i blocchi tecnologici rilevanti e l'infrastruttura di produzione dei propri prodotti HDD per il LiDAR automobilistico. Lo sforzo è in corso negli ultimi 2-3 anni e, a questo punto, le specifiche e i piani dettagliati non sono pubblici. Seagate è probabilmente diverso da qualsiasi altro concorrente fino ad oggi nell'affollato ecosistema LiDAR. Stanno iniziando con una linea di produzione esistente ad alto volume ea basso costo e inserendo in essa progetti di prodotti di complessità simile. Potrebbero sconvolgere il mercato LiDAR in futuro.

Trioptics (una divisione di Jenoptik) ha presentato alcune delle sfide relative alle apparecchiature di produzione legate alla costruzione di volumi elevati di LiDAR per il mercato automobilistico. L'allineamento di precisione e l'incollaggio di componenti ottici, meccanici ed elettronici è fondamentale per la produzione LiDAR ad alto rendimento, così come la capacità di calibrare e testare sottoassiemi e prodotti finali con tempi ciclo molto bassi. La chiave è garantire che ogni sottocomponente sia progettato e acquistato con livelli di precisione e fiducial adeguati in modo che l'automazione robotica possa funzionare in modo efficace. Trioptics sta costruendo apparecchiature disponibili in commercio per la produzione LiDAR e la loro proposta è simile al ridimensionamento dei sistemi di comunicazione basati su fibra ottica due decenni fa. Ha dato vita a un'industria di apparecchiature specializzate dedicata alla produzione di componenti optoelettronici, inclusi burn-in/test, allineamento/attaccamento di fibre, die/wire bonding, tenuta ermetica e sistemi di test di affidabilità.

Norme di sicurezza e certificazione

NVIDIA ha presentato il suo approccio per affrontare due standard chiave per la certificazione di sicurezza dei sensori: lo standard di sicurezza funzionale ISO 26262 e lo standard emergente ISO 21448 che si occupa della sicurezza della funzione prevista (SOTIF). Quest'ultimo affronta il modo in cui una particolare caratteristica del veicolo si comporta rispetto all'ODD promesso. Per un nuovo sensore come LiDAR, tradurre questo in rilevamento e classificazione di oggetti (ad esempio un veicolo, un pedone, ostacoli e infrastrutture del traffico) in condizioni di illuminazione e meteorologiche avverse è fondamentale. I fornitori di LiDAR sono sempre più concentrati su questo nuovo standard, anche se non è chiaro se questo sia qualcosa che verrà intrapreso dall'OEM o dal Tier 1 (poiché potrebbe fare affidamento sulla fusione e su stack software di livello superiore).

Automotive LiDAR è sicuramente arrivato. Mentre il mercato dell'autonomia L4 è ancora lontano, i livelli di autonomia limitati (L2 e L3) che richiedono LiDAR offrono un'opportunità più redditizia ea breve termine. Le opportunità di progettazione sono limitate e competere per queste è brutale. Per vincerli sarà necessario fornire il giusto equilibrio tra prestazioni, costi, affidabilità e facilità di integrazione.