I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) sono un grande motore per la crescita e l'innovazione nel sensore mercato. Si prevede che il mercato dei sensori per i veicoli ADAS raggiungerà i 22.4 miliardi di dollari nel 2025, guidato dai radar, secondo Sviluppo Yole (Yole). Nel 2025, le entrate dei radar dovrebbero raggiungere $ 9.1 miliardi e, nonostante sia un mercato relativamente piccolo oggi, le entrate LiDAR dovrebbero crescere fino a $ 1.7 miliardi. Sebbene LiDAR in ADAS rappresentasse solo l'1.5% del mercato LiDAR automobilistico e industriale nel 2020, si prevede che la quota ADAS raggiungerà il 41% nel 2026, secondo Yole.
In generale, il radar funziona trasmettendo un segnale che rimbalza su un oggetto per determinarne la presenza e la portata. Inviando un segnale a una frequenza specifica, il sistema analizza poi la frequenza di ritorno. Per ADAS, la differenza tra i due, incluso il possibile effetto Doppler, determina la posizione, la distanza e la velocità degli ostacoli.
Il radar è anche in grado di scansionare l'ambiente circostante. Pertanto, è diventato un sensore fondamentale per applicazioni come la prevenzione delle collisioni perché funziona al buio e in condizioni meteorologiche avverse ed è relativamente poco costoso.
Allo stesso modo, LiDAR è un rilevamento la tecnologia il cui compito principale è rilevare oggetti e mappare le loro distanze. Ciò si ottiene illuminando un bersaglio con un impulso ottico (la cui ampiezza varia da pochi nanosecondi a diversi microsecondi) e misurando le caratteristiche del segnale di ritorno riflesso.
I fattori chiave per estrarre informazioni utili dai segnali luminosi restituiti sono la potenza dell'impulso, il tempo di andata e ritorno, lo sfasamento e l'ampiezza dell'impulso. Sebbene siano disponibili diversi tipi di sistemi LiDAR, possono essere raggruppati in due categorie rispetto al tipo di guida del raggio: LiDAR meccanici e ottici.
Un LiDAR meccanico si basa su ottiche di alta qualità e un gruppo rotante per creare un ampio campo visivo (FoV), fino a 360°. Il rapporto segnale-rumore associato è abbastanza eccellente rispetto al FoV, ma la soluzione è ingombrante e pesante. I LiDAR a stato solido, d'altra parte, non presentano parti meccaniche rotanti, fornendo un alto grado di affidabilità. Anche se il loro FoV è ridotto, c'è un modo per superare questa limitazione.
Gli analisti di Yole prevedono che il mercato ADAS raggiungerà più di 60 miliardi di dollari nel 2026, con un tasso di crescita annuo composto del 6.5% dal 2020 al 2026, come parte del settore della connettività automobilistica, dell'autonomia, della condivisione/abbonamento e dell'elettrificazione (CASE) che è prevede di raggiungere i 318 miliardi di dollari entro il 2035.
Un fattore chiave per questa crescita è l'innovazione continua e l'integrazione di nuove funzionalità. Ad esempio, Yole ha affermato che da quando il LiDAR 80D in tempo reale di Velodyne è stato introdotto nel 3, sono state fondate più di 2005 società LiDAR e molte di esse si basano su nuove tecnologie.
Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Yole)
Vero radar a stato solido
Una di queste innovazioni è una tecnologia LiDAR a stato solido di XenomatiX, progettato per ADAS e guida autonoma. Questa nuova soluzione adotta un approccio fondamentalmente diverso rispetto ai LiDAR ottici convenzionali, che utilizzano misurazioni sequenziali per inviare la luce laser in una direzione, eseguire una misurazione e quindi passare alla posizione successiva. Misurano e acquisiscono passo dopo passo lo scenario circostante.
L'intera scena può essere rilevata in "un lampo" senza i vincoli di portata più corta o alta potenza, con portate oltre i 200 metri e normale consumo energetico. A differenza della scansione dei LiDAR, le nuvole di punti ad alta risoluzione non necessitano di post-trattamento per la correzione spazio-temporale, consentendo un frame rate molto più elevato e fornendo una correzione migliore.
Di conseguenza, il LiDAR di XenomatiX non deve muoversi molto velocemente, come fanno i sistemi ottici convenzionali "punta e misura". Poiché la scena viene misurata inviando tutti i raggi contemporaneamente senza eseguire alcuna scansione, il sistema ha più tempo per elaborare la griglia ad alta risoluzione dei punti di misurazione.
Oggi molti sistemi LiDAR sono meccanici, sebbene vi sia una grande tendenza verso le tecnologie a stato solido. Usano teste rotanti, risultando in soluzioni ingombranti, pesanti e costose. Per superare queste limitazioni, sono state adottate tecnologie come gli specchi oscillanti per ridurre le dimensioni della soluzione. Tuttavia, rimane ancora un dispositivo in qualche modo meccanico.
XenomatiX, fondata nel 2013 e con sede a Lovanio, in Belgio, ha introdotto il termine "vero" per identificare i sistemi LiDAR a stato solido costruiti utilizzando un Semiconduttorebasata su sorgente laser e rivelatore e senza scansione o parti in movimento. L'approccio dell'azienda è una soluzione per la scansione durante il movimento, poiché rimuove il tempo di ritardo causato dai sensori di scansione mentre si muovono attraverso il loro modello di scansione.
Questo concetto è particolarmente adatto per le applicazioni automobilistiche, poiché elimina la necessità di compensare il movimento: tutti i raggi vengono inviati esattamente nello stesso momento, acquisendo tutti i punti contemporaneamente tramite un otturatore globale.
Il design del LiDAR allo stato solido XenoLidar-X è efficace in tutti gli scenari in cui l'illuminazione e le condizioni meteorologiche possono variare notevolmente. La soluzione a stato solido XenomatiX di nuova generazione dispone di 15,000 raggi laser, proiettati simultaneamente, che migliorano la risoluzione fino a un livello di 0.15° in orizzontale e in verticale, in linea con i requisiti di mercato più esigenti di oggi.
XenoLidar-X LiDAR di XenomatiX (Fonte: XenomatiX)
Nei suoi LiDAR a stato solido, XenomatiX utilizza laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL), che sono sorgenti laser a potenza estremamente bassa che offrono una durata e una durata molto buone, molto meglio dei laser a diodi tradizionali.
Le soluzioni dell'azienda sono note come LiDAR 6D, il che significa che forniscono due tipi di output con una sovrapposizione perfetta. La prima è una nuvola di punti, una geometria 3D che include tutti i punti laser rilevati. Il secondo è un'immagine visiva della telecamera 2D. Può essere visto come un LiDAR con una fotocamera intrinsecamente incorporata o una fotocamera con prestazioni LiDAR e nessun errore di parallasse. La disponibilità di dati ridondanti consente la fusione dei sensori, fornendo informazioni complementari a supporto delle applicazioni di sicurezza. La sesta dimensione è la riflettività degli oggetti, basata sulla quantità di luce laser restituita.
Il rilevatore CMOS appositamente progettato, che può funzionare in modalità 2D o 3D, utilizza algoritmi AI proprietari per elaborare l'immagine visiva o la nuvola di punti.
XenomatiX lo chiama AI quadridimensionale, il che significa che esegue il riconoscimento di schemi in uno spazio 4D, dove le coordinate x, yez sono combinate con l'intensità del raggio laser riflesso. Il sensore è progettato per funzionare anche come rilevatore in modalità 2D quando il laser è spento. Se il laser è acceso, il sistema può utilizzare gli stessi pixel per eseguire misurazioni 3D e generare la nuvola di punti 3D.
I LiDAR allo stato solido forniscono anche un'eccellente affidabilità, che è un fattore chiave nelle applicazioni automobilistiche. Il tempo medio tra i guasti è, infatti, molto buono per l'assenza di parti in movimento, l'uso di VCSEL (che sono laser con una lunga durata) e la maturità della tecnologia CMOS.
Oltre alle applicazioni automobilistiche, la tecnologia LiDAR può essere utilizzata per la mappatura aerea e geografica 3D, i sistemi di sicurezza nelle fabbriche, le munizioni intelligenti e l'analisi dei gas.
Chip radar di imaging 4D
Migliorare gli "occhi" di ADAS si estende oltre LiDAR per includere nuovi sensori in grado di gestire scenari di guida complessi, o quello che viene chiamato Livello 4, o alta automazione.
Tra gli sviluppatori c'è Imaging Vayyar, uno specialista israeliano di sensori. La piattaforma XRR dell'azienda per ADAS è un singolo chip radar di imaging 4D con una portata fino a 300 metri. Il chip radar fornisce anche un FoV di 180˚, operando senza la necessità di un processore esterno.
La funzione 4D si riferisce alla capacità del chip di misurare la distanza e la velocità relativa insieme all'azimut degli oggetti e alla loro altezza rispetto al livello della strada.
Un array MIMO di 48 antenne supporta la nuova piattaforma, che è anche qualificata AEC-Q100 e conforme ASIL-B. Si dice che l'RFIC elimini la necessità di dispositivi esterni come i sensori LiDAR, riducendo i costi di cablaggio, il consumo energetico e gli sforzi di integrazione.
Il chip XRR multi-range opera nelle bande radar da 76 a 81 GHz e può distinguere tra ostacoli statici come divisori, marciapiedi e veicoli parcheggiati insieme a veicoli in movimento e altri pericoli.
In ambienti a bassa velocità come i parcheggi, il chip scansiona l'ambiente circostante alla ricerca di pedoni e ostacoli utilizzando il rilevamento di immagini radar a corto raggio e ultracorto. A distanze maggiori, il chip radar consente applicazioni ADAS come il cruise control adattivo, il rilevamento dei punti ciechi, l'avviso di collisione, gli avvisi sul traffico trasversale e la frenata di emergenza autonoma.
Scheda con chip XRR di Vayyar (Fonte: Vayyar Imaging)
Il radar di imaging 4D fornisce quasi 500 canali virtuali (rispetto a un canale nel radar tradizionale). A differenza delle fotocamere e dei LiDAR, il radar di imaging 4D funziona in tutte le condizioni, compresa la nebbia, la pioggia battente e di notte. La sua maggiore autonomia soddisfa i requisiti per livelli più elevati di automazione dei veicoli. Il radar cattura anche gli spostamenti Doppler, che rilevano se un oggetto si sta muovendo verso il veicolo o si allontana.
Inoltre, a differenza delle fotocamere e dei LiDAR, il radar di imaging 4D utilizza l'ecolocalizzazione e il principio della misurazione del tempo di volo per scansionare l'ambiente circostante. Oltre alla portata di 300 metri, il radar si comporta bene anche nelle tempeste di neve, quando l'imaging è molto difficile.
Il sensore 4D utilizza variabili temporali per analizzare gli ambienti 3D per l'elevazione. Questo può aiutare a rilevare e identificare oggetti fermi lungo la carreggiata.
Essere in grado di scansionare l'ambiente stradale intorno al veicolo con maggiore precisione e definizione consentirebbe all'elettronica di bordo di interpretare una maggiore quantità di dati, richiedendo velocità di elaborazione più elevate per l'applicazione ADAS. Il risultato, ha detto Vayyar, è una maggiore affidabilità.
Il radar-on-chip dell'azienda incorpora anche un DSP interno e un MCU per l'elaborazione del segnale in tempo reale senza la necessità di una CPU esterna.