Zrozumienie roli sterowników, przełączników i diod laserowych w osiąganiu efektywnych parametrów działania technologii LiDAR

Systemy wykrywania i pomiaru odległości (LiDAR) stały się preferowaną metodą umożliwiającą samochodom, pojazdom kierowanym automatycznie (AGV), a nawet robotom odkurzającym „widzenie” otoczenia. Drony i samoloty na latające na wyższych wysokościach również wykorzystują technologię LiDAR do nawigacji i mapowania terenu na większych odległościach.

Chociaż technologia LiDAR została dobrze przebadana, projektanci muszą zachować szczególną ostrożność przy doborze kluczowych komponentów, takich jak sterownik bramek, tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek i dioda laserowa, niezbędnych do wytworzenia impulsów optycznych.

Niniejszy artykuł zawiera omówienie podstaw technologii LiDAR. Przedstawiono w nim też przykłady krytycznych komponentów elektrooptycznych i to, w jaki sposób współpracują, aby wygenerować niezbędne impulsy.

Jak działa technologia LiDAR

Technologia LiDAR działa poprzez wysyłanie ciągłego strumienia krótkich impulsów optycznych średniej mocy, a następnie przechwytywanie ich odbić. Mierzy ona czas przelotu (ToF) w celu utworzenia chmury punktów otoczenia, która przedstawia perspektywę trójwymiarową (3D) (ilustracja 1). Wiele systemów wykorzystuje w matrycy wiele diod laserowych dla większego pokrycia obszaru.

Ilustracja 1: technologia LiDAR działa na zasadzie tworzenia chmury punktów, która stanowi wizualizację 3D otoczenia. (Źródło ilustracji: Blickfeld GmbH)

Działanie systemu LiDAR zależy od zastosowania. System używany w wolno poruszających się robotach odkurzających o ograniczonym obszarze działania lub pojazdach kierowanych automatycznie (AGV) ma znacznie mniejszy zasięg i wymagania dotyczące rozdzielczości kątowej niż system stosowany w samochodzie, który musi radzić sobie z większymi prędkościami i reagować na ruch pojazdów, rowerzystów lub pieszych. Jako najlepsze docelowe parametry działania w zastosowaniach motoryzacyjnych często podaje się efektywny zasięg od 100m do 200m i rozdzielczość kątową 0,1°.

W celu uzyskania precyzyjnej chmury punktów dwuosiowy galwanometr elektromechaniczny skanuje błyski lasera w obszarze wizji. Ze względu na to, że system LiDAR mierzy czas przelotu (ToF) dla każdego wyemitowanego impulsu i powiązanego z nim odbicia, może stworzyć obraz 3D z perspektywą głębi, której pojazdy potrzebują do dokładnej nawigacji w otoczeniu.

Ścieżka elektrooptyczna podstawą technologii LiDAR

Kompletny system LiDAR, taki jak ten stosowany w pojazdach kierowanych automatycznie (AGV), wymaga zróżnicowanego zestawu połączonych ze sobą bloków optycznych, analogowych, procesorowych i mechanicznych. Podstawą systemu jest ścieżka elektrooptyczna, która składa się z laserowego źródła optycznego i umieszczonego obok odbiornika optycznego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: elektrooptyczna ścieżka sygnałowa i powiązane z nią komponenty stanowią serce systemu LiDAR (po prawej stronie, środkowy rząd). (Źródło ilustracji: ROHM)

Ścieżka sygnałowa źródła, które wytwarza strumień impulsów optycznych, jest kontrolowana przez dedykowany mikrokontroler (MCU), który określa żądaną częstotliwość i szerokość powtarzania impulsów optycznych. Ścieżka źródłowa składa się z trzech kluczowych elementów funkcjonalnych:

• Sterownik bramek dostarcza szybkie impulsy z krótkimi czasami narastania i opadania, umożliwiające włączanie i wyłączanie przełącznika bramkowego.
• Tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek włącza się i wyłącza w sposób wyraźny, aby sterować przepływem prądu przez diodę laserową.
• Dioda laserowa generuje niezależne, nienakładające się impulsy optyczne o wymaganej długości fali.

Dobór i integracja tych komponentów wymaga zrozumienia zagadnień elektrycznych, a także właściwości optycznych, takich jak pole widzenia, moc diody laserowej i czułość kątowa długości fali oraz optyczny stosunek sygnału do szumu (SNR). Zaawansowane algorytmy oprogramowania pozwalają przezwyciężyć niektóre ograniczenia ścieżek sygnału elektrooptycznego i wyzwania związane z wykrywanym otoczeniem. Jednak rozważnym podejściem inżynieryjnym jest wybranie komponentów zoptymalizowanych pod kątem technologii LiDAR, zamiast zakładać, że algorytmy te mogą zrekompensować wady.

Spojrzenie na reprezentatywne komponenty dla każdej z tych funkcji ilustruje, w jaki sposób urządzenia zoptymalizowane pod kątem technologii LiDAR radzą sobie z wieloma wyzwaniami:

Sterownik bramek

Urządzenie BD2311NVX-LBE2 firmy ROHM Semiconductor (ilustracja 3) to jednokanałowy, ultraszybki sterownik bramek GaN, dobrze nadający się do zastosowań przemysłowych, takich jak pojazdy kierowane automatycznie (AGV). Zapewnia on niezbędną kombinację prądu sterującego i napięcia. Posiada 6-wtykową obudowę o wymiarach zaledwie 2,0mm × 2,0mm × 0,6mm i może dostarczać prąd wyjściowy o natężeniu do 5,4A przy zakresie napięć zasilania od 4,5V do 5,5V.

Ilustracja 3: jednokanałowy sterownik bramek BD2311NVX-LBE2 zapewnia niezbędną kombinację prądu sterującego i napięcia do precyzyjnego sterowania przełącznikiem bramek LiDAR. (Źródło ilustracji: ROHM)

Urządzenie BD2311NVX-LBE2 może sterować tranzystorami GaN o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) i innymi urządzeniami przełączającymi za pomocą wąskich impulsów wyjściowych, zapewniając w ten sposób duży zasięg i wysoką dokładność urządzeń LiDAR. Parametry związane z impulsem to m.in. minimalna szerokość impulsu wejściowego wynosząca 1,25ns, typowy czas narastania 0,65ns i typowy czas opadania 0,70ns, a wszystko to przy obciążeniu 220pF. Czasy opóźnienia włączania i wyłączania wynoszą odpowiednio 3,4ns i 3,0ns.

Tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek

Wyjście sterownika bramek łączy się z wejściem sterującym przełącznika sterującego prądem. Urządzenie to musi szybko przełączać się między stanami włączenia i wyłączenia zgodnie z poleceniami sterownika bramek i obsługiwać stosunkowo duże wartości prądu, zwykle od 50A do 100A.

Wymagany poziom parametrów działania jest osiągany dzięki pomocy urządzeń takich jak tranzystor mocy GaN ze wzbogaconym kanałem N EPC2252 firmy EPC z kwalifikacją motoryzacyjną (AEC-Q101). Charakteryzuje się wyjątkowo wysoką ruchliwością elektronów i niskim współczynnikiem temperaturowym, co zapewnia bardzo niską rezystancję w stanie włączenia (R_DS(ON)), podczas gdy boczna konstrukcja urządzenia i dioda z nośnikami większościowymi zapewniają wyjątkowo niski całkowity ładunek bramki (Q_G) i zerowy ładunek regeneracyjny dren-źródło (Q_RR). W rezultacie powstało urządzenie, które może poradzić sobie z zadaniami, w których korzystne są bardzo wysokie częstotliwości przełączania i krótki czas włączenia oraz w których dominują straty w stanie włączenia.

Charakteryzujące urządzenie EPC2252 napięcie dren-źródło (V_DS) wynoszące 80V, rezystancja w stanie włączenia R_DS(ON) wynosząca 11mΩ (maks.), oraz prąd ciągły drenu (I_D) wynoszący 8,2A opowiadają tylko część historii. Jest łatwe w użyciu, wymaga napięcia sterowania bramką w stanie włączenia wynoszącego zaledwie 5V i 0V w stanie wyłączenia oraz nie wymaga napięcia ujemnego. Upraszcza to zarówno kwestie związane ze sterownikiem, jak i szyną zasilającą.

Ze względu na konstrukcję i układ struktury przełącznik bramkowy może obsługiwać prąd I_D 75A (T_PULSE = 10µs) i jest umieszczony w pasywowanej strukturze o wymiarach 1,5mm × 1,5mm z dziewięcioma kulkami lutowniczymi (ilustracja 4). Redukcja zjawisk pasożytniczych między obudową i strukturą, w tym pojemność wejściowa (C_ISS) 440pF (typ.), pozwala na obsługę szybkich impulsów i szybkich przejść.

Ilustracja 4: tranzystor mocy GaN EPC2252 zapewnia przełączanie prądu wymagane przez wysokoprądowe diody laserowe w obudowie o wymiarach 1,5 × 1,5mm. (Źródło ilustracji: EPC)

Dioda laserowa

Jest to ostatni komponent w ścieżce optycznej, który działa jako przetwornik elektrooptyczny. W przeciwieństwie do kamer, które są urządzeniami pasywnymi, diody laserowe są źródłami aktywnymi i emitują promieniowanie optyczne, które w pewnych warunkach jest uznawane za szkodliwe dla oczu. Maksymalna dopuszczalna intensywność jest określona przez normy, takie jak norma EN 60825-1:2014 „Bezpieczeństwo produktów laserowych”.

Klasa bezpieczeństwa systemu LiDAR zależy od jego mocy, kąta rozbieżności, czasu trwania impulsu, kierunku ekspozycji i długości fali. Większość systemów wykorzystuje fale o długości 905nm lub 1550nm. I jedna, i druga oferują akceptowalną sprawność i kompatybilność długości fali między laserem a odpowiednią fotodiodą. Ogólnie rzecz biorąc, laser 1550nm może bezpiecznie emitować większą moc niż laser 905nm, zanim zostanie uznany za niebezpieczny. Jednak lasery 905nm są popularne, ponieważ są tańsze.

Chcąc pracować z falami o długości 905nm, można wykorzystać impulsową diodę laserową RLD90QZW3-00A firmy ROHM, która jest zoptymalizowana pod kątem zastosowań wykorzystujących technologię LiDAR. Obsługuje ona moc wyjściową 75W przy prądzie przewodzenia (I_F) 23A i zapewnia znakomite parametry działania w zakresie trzech parametrów: szerokości (rozbieżność) wiązki, szerokości długości fali wiązki oraz stabilności wiązki.

Rozbieżność wiązki definiuje rozchodzenie się wiązki w wyniku dyfrakcji. Dioda RLD90QZW3-00A ma typowe wartości 25° w płaszczyźnie prostopadłej (θ_⊥) i 12° w płaszczyźnie równoległej (θ_//) (ilustracja 5). Stabilność temperatury wyjściowej lasera wynosi 0,15nm/°C.

Ilustracja 5: impulsowa dioda laserowa RLD90QZW3-00A ma typowe wartości rozbieżności wiązki 25° w płaszczyźnie prostopadłej (po lewej) i 12° w płaszczyźnie równoległej (po prawej). (Źródło ilustracji: ROHM)

Kluczowe znaczenie dla lepszych parametrów działania systemu mają również wąska emitowana wiązka światła i stabilność długości fali wyjściowej tej diody laserowej, ponieważ pozwalają na zastosowanie optycznych filtrów pasmowych dla wąskich fal. Firma ROHM twierdzi, że omawiana dioda charakteryzuje się pasmem emisji 225μm, który jest o 22% węższy w porównaniu z pasmem dostępnych urządzeń konkurencyjnych, co pozwala uzyskać wyższą rozdzielczość i szerszy zakres wykrywania, wysoką ostrość wiązki, wąską emisyjność i wysoką gęstość optyczną.

Te dwa czynniki poprawiają optyczny stosunek sygnału do szumu (SNR), umożliwiając dokładne wykrywanie i ocenę obiektów znajdujących się w większej odległości. Porównawczy obraz chmury punktów pokazuje pozytywny wpływ tych precyzyjnych i stabilnych specyfikacji na rozdzielczość (ilustracja 6).

Ilustracja 6: stabilność i powtarzalność sygnału wyjściowego impulsowej diody laserowej RLD90QZW3-00A pozwala uzyskać lepszy stosunek sygnału do szumu (SNR) i rozdzielczość chmury punktów. (Źródło ilustracji: ROHM)

Podsumowanie

Technologia LiDAR jest szeroko stosowana do przechwytywania perspektywy 3D otoczenia i mapowania terenu. Podstawą systemu LiDAR są komponenty elektroniczne i elektrooptyczne, które łączą w sobie złożone możliwości potrzebne dla wydajnego systemu. Jeśli chodzi o funkcje źródła optycznego, aby zapewnić optymalne parametry działania, sterownik bramek, tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek oraz dioda laserowa muszą być kompatybilne pod względem napięcia, prądu, prędkości i stabilności.

Powiązane treści dotyczące technologii LiDAR

• Zapewnienie precyzji samochodowego czujnika odległości LiDAR dzięki odpowiedniemu wzmacniaczowi transimpedancyjnemu
• Zrozumienie działania technologii LiDAR udowadnia znaczenie starannego doboru wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) i komparatora
• Uproszczenie pomiarów odległości metodą pomiaru czasu przelotu
• Szybkie rozpoczęcie prac z ToF dzięki aplikacjom 3D ToF
• Krótki przewodnik po tranzystorach GaN FET na potrzeby technologii LiDAR w pojazdach autonomicznych
• Zintegrowane przetworniki czasowo-cyfrowe upraszczają projekty dalmierzowe oparte na pomiarze czasu przelotu