Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) son un gran impulsor del crecimiento y la innovación en el sensor mercado. Se espera que el mercado de sensores para vehículos ADAS alcance los $ 22.4 mil millones en 2025, liderado por radares, según Desarrollo de Yole (Yole). En 2025, se espera que los ingresos por radar alcancen los $ 9.1 mil millones y, a pesar de ser un mercado relativamente pequeño en la actualidad, se pronostica que los ingresos de LiDAR crecerán a $ 1.7 mil millones. Aunque LiDAR en ADAS representó solo el 1.5% del mercado de LiDAR automotriz e industrial en 2020, se espera que la participación de ADAS alcance el 41% en 2026, según Yole.
En general, el radar funciona transmitiendo una señal que rebota en un objeto para determinar su presencia y alcance. Al enviar una señal a una frecuencia específica, el sistema analiza la frecuencia de retorno. Para ADAS, la diferencia entre los dos, incluido el posible efecto Doppler, determina la posición, la distancia y la velocidad de los obstáculos.
El radar también puede escanear el entorno circundante. Por lo tanto, se ha convertido en un sensor crítico para aplicaciones como la prevención de colisiones porque funciona en la oscuridad y en condiciones climáticas adversas y es relativamente económico.
De manera similar, LiDAR es un sensor la tecnología cuya tarea principal es detectar objetos y mapear sus distancias. Esto se logra iluminando un objetivo con un pulso óptico (cuya anchura oscila entre unos pocos nanosegundos y varios microsegundos) y midiendo las características de la señal de retorno reflejada.
Los factores clave para extraer información útil de las señales luminosas devueltas son la potencia del pulso, el tiempo de ida y vuelta, el desplazamiento de fase y el ancho del pulso. Aunque se encuentran disponibles varios tipos diferentes de sistemas LiDAR, se pueden agrupar en dos categorías con respecto al tipo de dirección del haz: LiDAR mecánicos y ópticos.
Un LiDAR mecánico se basa en ópticas de alta calidad y un conjunto giratorio para crear un amplio campo de visión (FoV), hasta 360 °. La relación señal-ruido asociada es bastante excelente en el campo de visión, pero la solución es voluminosa y pesada. Los LiDAR de estado sólido, por otro lado, no tienen partes mecánicas giratorias, lo que proporciona un alto grado de confiabilidad. Aunque su campo de visión se reduce, hay una manera de superar esta limitación.
Los analistas de Yole esperan que el mercado ADAS alcance más de $ 60 mil millones en 2026, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 6.5% de 2020 a 2026, como parte de la industria de conectividad automotriz, autónoma, uso compartido / suscripción y electrificación (CASE) que es se prevé que alcance los 318 millones de dólares en 2035.
Un factor clave para este crecimiento es la innovación continua y la integración de nuevas funciones. Como ejemplo, Yole dijo que se han establecido más de 80 compañías LiDAR desde que se introdujo el LiDAR 3D en tiempo real de Velodyne en 2005, y muchas de ellas se basan en nuevas tecnologías.
Haga clic para una imagen más grande. (Fuente: Yole)
Verdadero radar de estado sólido
Una de esas innovaciones es una tecnología LiDAR de estado sólido de xenomatix, diseñado para ADAS y conducción autónoma. Esta nueva solución adopta un enfoque fundamentalmente diferente con respecto a los LiDAR ópticos convencionales, que utilizan mediciones secuenciales para enviar luz láser en una dirección, tomar una medición y luego pasar a la siguiente posición. Miden y adquieren el escenario circundante paso a paso.
La escena completa se puede detectar en "un flash" sin las limitaciones de un rango más corto o de alta potencia, con rangos de más de 200 metros y consumo de energía normal. A diferencia de los LiDAR de escaneo, las nubes de puntos de alta resolución no necesitan tratamiento posterior para la corrección espacio-temporal, lo que permite una velocidad de fotogramas mucho más alta y proporciona una mejor corrección.
Como resultado, el LiDAR de XenomatiX no tiene que moverse muy rápido, como lo hacen los sistemas ópticos convencionales de “apuntar y medir”. Debido a que la escena se mide enviando todos los rayos al mismo tiempo sin realizar ningún escaneo, el sistema tiene más tiempo para procesar la cuadrícula de puntos de medición de alta resolución.
Hoy en día, muchos sistemas LiDAR son mecánicos, aunque existe una gran tendencia hacia las tecnologías de estado sólido. Usan cabezales giratorios, lo que resulta en soluciones voluminosas, pesadas y costosas. Para superar estas limitaciones, se han adoptado tecnologías como los espejos oscilantes para reducir el tamaño de la solución. Sin embargo, sigue siendo un dispositivo algo mecánico.
XenomatiX, fundada en 2013 y con sede en Lovaina, Bélgica, introdujo el término "verdadero" para identificar los sistemas LiDAR de estado sólido que se construyen utilizando un Semiconductores-fuente láser y detector y sin escaneo ni partes móviles. El enfoque de la compañía es una solución para escanear en movimiento, ya que elimina el tiempo de retraso causado por los sensores de escaneo a medida que se mueven a través de su patrón de escaneo.
Este concepto es muy adecuado para aplicaciones automotrices, ya que elimina la necesidad de compensar el movimiento: todos los rayos se envían exactamente al mismo tiempo, adquiriendo todos los puntos al mismo tiempo a través de un obturador global.
El diseño del LiDAR de estado sólido verdadero XenoLidar-X es efectivo en todos los escenarios en los que la iluminación y las condiciones climáticas pueden variar en gran medida. La solución de estado sólido de próxima generación XenomatiX cuenta con 15,000 rayos láser, que se proyectan simultáneamente, lo que mejora la resolución a un nivel de 0.15 ° horizontal y vertical, en línea con los requisitos del mercado más exigente de la actualidad.
XenomatiX's XenoLidar-X LiDAR (Fuente: XenomatiX)
En sus LiDAR de estado sólido, XenomatiX utiliza láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), que son fuentes láser de muy baja potencia que brindan muy buena durabilidad y vida útil, mucho mejor que los láseres de diodo tradicionales.
Las soluciones de la empresa se conocen como 6D LiDAR, lo que significa que proporcionan dos tipos de salidas con superposición perfecta. La primera es una nube de puntos, una geometría 3D que incluye todos los puntos láser detectados. El segundo es una imagen de cámara 2D visual. Puede verse como un LiDAR con una cámara incorporada de forma inherente, o una cámara con rendimiento LiDAR y sin error de paralaje. La disponibilidad de datos redundantes permite la fusión de sensores, proporcionando información complementaria que respalda las aplicaciones de seguridad. La sexta dimensión es la reflectividad de los objetos, basada en la cantidad de luz láser devuelta.
El detector CMOS especialmente diseñado, que puede funcionar en modos 2D o 3D, utiliza algoritmos de IA patentados para procesar la imagen visual o la nube de puntos.
XenomatiX lo llama IA de cuatro dimensiones, lo que significa que realiza el reconocimiento de patrones en un espacio 4D, donde las coordenadas x, y, z se combinan con la intensidad del rayo láser reflejado. El sensor está diseñado para funcionar también como detector en modo 2D cuando el láser está apagado. Si el láser está encendido, el sistema puede usar los mismos píxeles para realizar mediciones 3D y generar la nube de puntos 3D.
Los LiDAR de estado sólido también brindan una excelente confiabilidad, que es un factor clave en las aplicaciones automotrices. El tiempo medio entre fallos es, de hecho, muy bueno debido a la ausencia de partes móviles, el uso de VCSEL (que son láseres con una larga vida útil) y la madurez de la tecnología CMOS.
Además de las aplicaciones automotrices, la tecnología LiDAR se puede utilizar para mapeo aéreo y geográfico 3D, sistemas de seguridad en fábricas, municiones inteligentes y análisis de gases.
Chip de radar de imágenes 4D
La mejora de los "ojos" de ADAS se extiende más allá de LiDAR para incluir nuevos sensores que son capaces de manejar escenarios de conducción complejos, o lo que se llama Nivel 4, o alta automatización.
Entre los desarrolladores se encuentra Imágenes de Vayyar, un especialista en sensores israelí. La plataforma XRR de la compañía para ADAS es un solo chip de radar de imágenes 4D con un alcance de hasta 300 metros. El chip de radar también proporciona un campo de visión de 180˚, que funciona sin la necesidad de un procesador externo.
La función 4D se refiere a la capacidad del chip para medir la distancia y la velocidad relativa junto con el azimut de los objetos y su altura en relación con el nivel de la carretera.
Una matriz MIMO de 48 antenas es compatible con la nueva plataforma, que también está calificada con AEC-Q100 y cumple con ASIL-B. Se dice que el RFIC elimina la necesidad de dispositivos externos como sensores LiDAR, lo que reduce los costos de cableado, el consumo de energía y los esfuerzos de integración.
El chip XRR de rango múltiple opera en las bandas de radar de 76 a 81 GHz y puede diferenciar entre obstáculos estáticos como divisores, bordillos y vehículos estacionados junto con vehículos en movimiento y otros peligros.
En entornos de baja velocidad, como aparcamientos, el chip escanea los alrededores en busca de peatones y obstáculos mediante la detección de imágenes de radar de corto y ultracorto alcance. En rangos más largos, el chip de radar habilita aplicaciones ADAS como control de crucero adaptativo, detección de punto ciego, advertencia de colisión, alertas de tráfico cruzado y frenado de emergencia autónomo.
Tablero con chip XRR de Vayyar (Fuente: Vayyar Imaging)
El radar de imágenes 4D proporciona casi 500 canales virtuales (a diferencia de un canal en el radar tradicional). A diferencia de las cámaras y los LiDAR, el radar de imágenes 4D funciona en todas las condiciones, incluida la niebla, la lluvia intensa y de noche. Su rango más largo cumple con los requisitos para niveles más altos de automatización de vehículos. El radar también captura los cambios Doppler, que detectan si un objeto se mueve hacia el vehículo o se aleja.
Además, a diferencia de las cámaras y los LiDAR, el radar de imágenes 4D utiliza la ecolocalización y el principio de medición del tiempo de vuelo para escanear su entorno. Junto con el alcance de 300 metros, el radar también funciona bien en tormentas de nieve, cuando la obtención de imágenes es muy difícil.
El sensor 4D utiliza variables de tiempo para analizar entornos 3D para la elevación. Esto puede ayudar a detectar e identificar objetos estacionarios a lo largo de la calzada.
Ser capaz de escanear el entorno de la carretera alrededor del vehículo con mayor precisión y definición permitiría que la electrónica a bordo interprete mayores cantidades de datos, requiriendo mayores velocidades de procesamiento para la aplicación ADAS. El resultado, dijo Vayyar, es una mayor confiabilidad.
El radar en chip de la compañía también incorpora un DSP y MCU internos para el procesamiento de señales en tiempo real sin la necesidad de una CPU externa.