Módulo LiDAR avanzado de Maxim permite conducción autónoma en autopista 15 km/h más rápida

La llegada de la conducción autónoma ha expandido decisivamente la presencia de sensores de detección y rango por imagen láser (LiDAR) en la plataforma electrónica automotriz. El LiDAR funciona según el principio del radar pero usa pulsos de luz emitidos por un diodo láser infrarrojo.

El nuevo comparador de alta velocidad MAX40026 y los amplificadores de transimpedancia de alto ancho de banda MAX40660/MAX40661 de Maxim Integrated permiten una conducción autónoma 15 km/h más rápida a velocidad de autopista al duplicar el ancho de banda y añadir 32 canales (para un total de 128 en lugar de 96) en un módulo LiDAR del mismo tamaño.

¿Qué es LiDAR?

Maurizio Gavardoni de Maxim demuestra la placa de evaluación para un sistema receptor LiDAR de cuatro canales.
Incluye fotodiodos ópticos de First Sensor y los nuevos TIA y comparador de alta velocidad de Maxim. (Imagen: Maxim Integrated)

Junto con inteligencia artificial, cámaras y radar, los sensores son indispensables para la conducción asistida y autónoma. Porque pueden proporcionar mediciones precisas de objetos y detectar obstáculos en la carretera —ramas caídas, otros coches o incluso un niño que se lanza al tráfico— los sensores LiDAR han ayudado a avanzar la adopción de sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y son críticos para el desarrollo de vehículos autónomos (AV). La percepción del entorno por un AV debe ser extremadamente precisa, por eso los robocars experimentales están llenos de sensores. El uso de un sistema de iluminación láser permite operar coches autónomos en condiciones de baja o nula visibilidad e incluso en ausencia de marcas viales.

"Los sensores LiDAR juegan un papel creciente en la fusión de sensores del vehículo por su capacidad de proporcionar medición precisa de distancia de objetos", dijo Maurizio Gavardoni, miembro principal del personal técnico en Maxim Integrated. "Un sensor LiDAR típico envía pulsos de luz que, reflejados por objetos y detectados adecuadamente por fotodiodos, permiten mapear el entorno circundante."

Los sistemas LiDAR se basan en tiempo de vuelo (ToF), que mide eventos de temporización precisos (Figura 1). Los últimos avances han visto varios sistemas LiDAR multihaz, que generan una imagen 3D precisa del entorno alrededor del vehículo. Esta información se usa para elegir las maniobras de conducción más apropiadas.

Figura 1: Diagrama funcional de tiempo de vuelo (Imagen: Maxim Integrated)

La Figura 2 muestra la disposición básica de un sensor LiDAR. Hay dos tipos básicos de sistemas LiDAR: micropulso y alta energía. Los sistemas de micropulso se desarrollaron gracias al aumento de potencia de cómputo y avances en tecnología láser. Estos nuevos sistemas usan potencia muy baja, del orden de 1 W, y son completamente seguros para la mayoría de aplicaciones. El LiDAR de alta energía, por otro lado, es común en sistemas de monitorización atmosférica, donde los sensores detectan parámetros atmosféricos como altura, estratificación y densidad de nubes.

Figura 2: Disposición general de un sensor LiDAR con las principales partes electrónicas mostradas (Imagen: Maxim Integrated)

"Los sistemas de conducción autónoma automotriz están evolucionando de 35 mph a 65 mph y más allá, pero sistemas autónomos más rápidos son esenciales", dijo Gavardoni. "Los retos para cumplir estas demandas [se traducen en] mediciones de distancia de alta precisión de objetos, [requiriendo] más precisión, más canales para caber en plataformas con espacio limitado, [y cumplimiento con] estrictos requisitos de seguridad."

Hardware LiDAR

En un proyecto LiDAR, el amplificador de transimpedancia es la parte más crítica del layout electrónico. Bajo ruido, alta ganancia, bajo retardo de grupo y rápida recuperación de sobrecarga hacen que los nuevos TIA de Maxim sean ideales para aplicaciones de medición de distancia.

Los circuitos TIA se usan a menudo en aplicaciones que comparten la necesidad de circuitos para buffer y escalar la salida de soluciones electro‑ópticas para lograr alta velocidad y rango dinámico alto. TIA es un convertidor corriente‑a‑voltaje, casi exclusivamente implementado con uno o más amplificadores operacionales (Figura 3).

Figura 3: Disposición general de un TIA con fotodiodo de polarización inversa (Imagen: Wikipedia)

Fototransistores y fotodiodos están estrechamente relacionados y convierten luz láser incidente en corriente eléctrica. Para lograr máximo rendimiento de estos dispositivos, los diseñadores deben prestar atención especial a circuitos de interfaz, longitudes de onda y alineación óptico‑mecánica. Los amplificadores de transimpedancia MAX40660/MAX40661 permiten sistemas de conducción autónoma mucho más rápidos usando alta resolución. Los TIA reducen el consumo de corriente en más de 80 % en modo de bajo consumo. Los TIA de Maxim soportan 128 canales con ancho de banda de 490 MHz en el caso del MAX40660 y densidad de ruido de 2,1 pA/√Hz para proporcionar mayor precisión de medición (Figura 4).

Figura 4: Diagrama de bloques MAX40660 (Imagen: Maxim Integrated)

El MAX40026, por su parte, es un comparador de alta velocidad de alimentación única para aplicaciones de medición de distancia ToF. Su baja dispersión de retardo de propagación de 10 picosegundos contribuye a la detección precisa de objetos fijos y en movimiento. "Menor retardo de dispersión y más canales por sistema permiten medición de temporización más precisa, mejorando así la resolución del sistema y permitiendo mayor velocidad de conducción", dijo Gavardoni.

El MAX40026 tiene un rango de modo común de entrada de 1,5 V a VDD + 0,1 V, compatible con los swings de salida de varios TIA de alta velocidad ampliamente usados. La etapa de salida de señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS) minimiza la disipación de potencia e interfase directamente con muchos FPGAs y CPUs (Figura 5).

Figura 5: Diagrama funcional MAX40026 (Imagen: Maxim Integrated)

El tamaño de las nuevas soluciones se reduce aún más, permitiendo insertar muchos más canales en plataformas de vehículo con espacio limitado. Estos circuitos integrados cumplen los requisitos de seguridad más estrictos de la industria automotriz, con calificación AEC‑Q100, rendimiento mejorado de descarga electrostática (ESD) y análisis de efectos y modos de fallo (FMEDA), para soportar certificación ISO 26262 a nivel de sistema.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EE Times Europe.