Everything You Need to Know About Lidar in Automotive

From its use in metrology and topography, lidar technology has come a long way to quickly become one of the key technologies in autonomous vehicle (AV) advancements.

Từ việc sử dụng trong đo lường và địa hình, công nghệ lidar đã đi một chặng đường dài để nhanh chóng trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong tiến bộ xe tự hành (AV).

As automakers progress with real-world testing, it's clear that next-generation sensors offer intriguing features but differ from the silver bullet many thought they'd be at first. Without driver/human inputs, AVs require sensors and computers to work together to read the road and surrounding environment.

Khi các nhà sản xuất ô tô tiến hành thử nghiệm trong thế giới thực, rõ ràng các cảm biến thế hệ tiếp theo cung cấp các tính năng hấp dẫn nhưng khác với viên đạn bạc mà nhiều người nghĩ lúc đầu. Không có đầu vào của người lái / con người, AV yêu cầu cảm biến và máy tính hoạt động cùng nhau để đọc đường và môi trường xung quanh.

Most advanced driver aids in the world today use a combination of radar (microwave) and sonar (sound) to warn about unseen threats and help stop a vehicle before a collision occurs. Lidar can perform similar functions, developing an image of the environment around it while still representing the best option for AVs to see the light

Hầu hết các thiết bị hỗ trợ lái xe tiên tiến trên thế giới hiện nay sử dụng kết hợp radar (lò vi sóng) và sonar (âm thanh) để cảnh báo về các mối đe dọa vô hình và giúp dừng xe trước khi va chạm xảy ra. Lidar có thể thực hiện các chức năng tương tự, phát triển hình ảnh của môi trường xung quanh nó trong khi vẫn đại diện cho lựa chọn tốt nhất để AV nhìn thấy ánh sáng

Lidar Technology in AutomotiveCông nghệ Lidar trong ô tô

The automotive industry is undergoing an existential transformation with autonomous driving (AV) and advanced driver assistance systems (ADAS). To achieve a fully autonomous driving experience, sensor fusion is positioning itself as the key enabler in the automotive industry. While sensor fusion focuses on software algorithms combining the data collected from cameras, radar, and lidar to obtain meaningful decision-making information, data quality is paramount. It’s true that there is still a long way to go in mimicking the human senses and brain for level 5 driving automation, but sensor fusion is a further step in that direction.

Ngành công nghiệp ô tô đang trải qua một sự chuyển đổi hiện hữu với lái xe tự động (AV) và hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS). Để đạt được trải nghiệm lái xe hoàn toàn tự động, phản ứng tổng hợp cảm biến đang định vị mình là yếu tố hỗ trợ chính trong ngành công nghiệp ô tô. Trong khi hợp nhất cảm biến tập trung vào các thuật toán phần mềm kết hợp dữ liệu được thu thập từ máy ảnh, radar và lidar để có được thông tin ra quyết định có ý nghĩa, chất lượng dữ liệu là tối quan trọng. Đúng là vẫn còn một chặng đường dài để bắt chước các giác quan và bộ não của con người để tự động hóa lái xe cấp độ 5, nhưng phản ứng tổng hợp cảm biến là một bước tiến xa hơn theo hướng đó.

Cameras and automotive radar have been the pillars for up to level 2 driving automation. Level 3 and higher require additional sensors and redundancy. For example, car manufacturers use radar in various systems – blind-spot monitoring systems to detect vehicles before lane change, automatic emergency braking systems to stop a vehicle before it touches an obstacle, and adaptive cruise control to maintain a consistent distance between two cars. Automotive lidar brings up high resolution and accuracy, low light effectiveness, and 3D mapping to the other two sensors. Lidar tracks obstacles and vehicles to maintain safe distances; it helps identify road signs, traffic signals, and road markings for real-time hazard analysis, ensuring autonomous vehicles’ effective operation. However, automotive lidar is yet to go mainstream due to its cost.

Camera và radar ô tô đã là trụ cột cho tự động hóa lái xe lên đến cấp độ 2. Cấp độ 3 trở lên yêu cầu thêm cảm biến và dự phòng. Ví dụ, các nhà sản xuất ô tô sử dụng radar trong các hệ thống khác nhau - hệ thống giám sát điểm mù để phát hiện xe trước khi chuyển làn, hệ thống phanh khẩn cấp tự động để dừng xe trước khi xe chạm vào chướng ngại vật và kiểm soát hành trình thích ứng để duy trì khoảng cách nhất quán giữa hai xe. Lidar ô tô mang lại độ phân giải và độ chính xác cao, hiệu quả ánh sáng yếu và ánh xạ 3D cho hai cảm biến còn lại. Lidar theo dõi chướng ngại vật và phương tiện để duy trì khoảng cách an toàn; Nó giúp xác định biển báo đường bộ, tín hiệu giao thông và vạch kẻ đường để phân tích mối nguy hiểm theo thời gian thực, đảm bảo xe tự hành hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, lidar ô tô vẫn chưa trở thành xu hướng chủ đạo do chi phí của nó.

Lidar 101Lidar 101 ·

Lidar, short for "light detection and ranging", is a device that uses laser pulses for detection and ranging; it can operate at different wavelengths like 850nm, 905nm, 940nm, and 1550nm. The lidar sensor comprises a laser source acting as a transmitter, a photodetector acting as a receiver, and an assembly of lenses or optics to steer and collect the laser pulses. When the pulse touches an object, it bounces back to the lidar unit. The system then receives the pulse and calculates the distance with the object based on the time elapsed between the emission of the pulse and the reception of the return beam. As the beams return to the system, they begin forming a picture of the vehicle's surroundings and use computer algorithms to piece together shapes for cars, people, and other obstacles. Lidar's use of pulsed lasers allows it to map the 3D model of an environment quickly and more accurately than radar or sonar.

Lidar, viết tắt của "phát hiện ánh sáng và phạm vi", là một thiết bị sử dụng xung laser để phát hiện và định vị; Nó có thể hoạt động ở các bước sóng khác nhau như 850nm, 905nm, 940nm và 1550nm. Cảm biến lidar bao gồm một nguồn laser hoạt động như một máy phát, một bộ tách sóng quang hoạt động như một máy thu và một cụm thấu kính hoặc quang học để điều khiển và thu thập các xung laser. Khi xung chạm vào một vật thể, nó sẽ bật trở lại bộ phận lidar. Sau đó, hệ thống nhận xung và tính toán khoảng cách với vật thể dựa trên thời gian trôi qua giữa sự phát xạ của xung và sự tiếp nhận của chùm tia trở lại. Khi các chùm tia quay trở lại hệ thống, chúng bắt đầu hình thành một bức tranh về môi trường xung quanh xe và sử dụng các thuật toán máy tính để ghép các hình dạng lại với nhau cho ô tô, con người và các chướng ngại vật khác. Việc sử dụng laser xung của Lidar cho phép nó lập bản đồ mô hình 3D của môi trường một cách nhanh chóng và chính xác hơn radar hoặc sonar.

There are two types of lidar:Có hai loại lidar:

• Time of Flight (ToF) lidar: uses the time difference between transmitted and reflected laser pulse to calculate the target's distance, also called range.
• Time of Flight (ToF) lidar: sử dụng chênh lệch thời gian giữa xung laser truyền qua và phản xạ để tính khoảng cách của mục tiêu, còn được gọi là phạm vi.
• Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) lidar: uses frequency difference between transmitted and received modulated laser chirp to calculate distance and derive the target's velocity. FMCW lidar uses coherent detection that helps achieve improved range resolution and the ability to measure dim and bright targets simultaneously
• .Radar sóng liên tục điều biến tần số (FMCW): sử dụng chênh lệch tần số giữa tiếng kêu laser điều chế truyền và nhận để tính toán khoảng cách và lấy vận tốc của mục tiêu. FMCW lidar sử dụng tính năng phát hiện mạch lạc giúp đạt được độ phân giải phạm vi được cải thiện và khả năng đo các mục tiêu mờ và sáng đồng thời.

We can also categorize lidars based on detection or scanning technology.

Chúng tôi cũng có thể phân loại lidars dựa trên công nghệ phát hiện hoặc quét.

Lidar Test ChallengesThử thách kiểm tra Lidar

As with radar-based systems, lidar sensor makers must ensure their systems quickly and reliably detect objects, enabling advanced driver assistance systems (ADAS) to work correctly before being commercially deployed. To properly test sensors, designers must often depend upon large floor spaces and traditional target boards for range and reflectivity tests. The industry also faces challenges in reducing sensor costs and scaling to mass production.

Cũng như các hệ thống dựa trên radar, các nhà sản xuất cảm biến lidar phải đảm bảo hệ thống của họ phát hiện các đối tượng một cách nhanh chóng và đáng tin cậy, cho phép các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) hoạt động chính xác trước khi được triển khai thương mại. Để kiểm tra cảm biến đúng cách, các nhà thiết kế thường phải phụ thuộc vào không gian sàn lớn và bảng mục tiêu truyền thống để kiểm tra phạm vi và độ phản xạ. Ngành công nghiệp cũng phải đối mặt với những thách thức trong việc giảm chi phí cảm biến và mở rộng quy mô để sản xuất hàng loạt.

The main challenge for the mass adoption of lidar by automotive OEMs is bringing down the cost of lidar sensors and possibly making them comparable to radar. The price of lidar devices has decreased significantly in the last few years; however, there's a scope to make it more competitive. Many factors are driving the cost up, such as R&D, material and production cost, and lower production volumes.

Thách thức chính đối với việc áp dụng hàng loạt lidar của các OEM ô tô là giảm chi phí của cảm biến lidar và có thể làm cho chúng có thể so sánh với radar. Giá của các thiết bị lidar đã giảm đáng kể trong vài năm qua; Tuy nhiên, có một phạm vi để làm cho nó cạnh tranh hơn. Nhiều yếu tố đang đẩy chi phí lên, chẳng hạn như R &D, nguyên liệu và chi phí sản xuất, và khối lượng sản xuất thấp hơn.

Keysight lidar target simulator (LTS)Trình mô phỏng mục tiêu lidar Keysight (LTS)

Keysight lidar target simulator is a benchtop solution to test lidar devices in the design verification and manufacturing stages. The solution is designed to reduce the test cost by significantly reducing the floor space as it can simulate target distances from 3 to 300 meters and surface reflectivity from 10% to 94% while supporting volume production and accelerating the testing with full automation and analytics software

.Keysight lidar target simulator là một giải pháp để bàn để kiểm tra các thiết bị lidar trong giai đoạn thiết kế, xác minh và sản xuất. Giải pháp được thiết kế để giảm chi phí thử nghiệm bằng cách giảm đáng kể không gian sàn vì nó có thể mô phỏng khoảng cách mục tiêu từ 3 đến 300 mét và độ phản xạ bề mặt từ 10% đến 94% trong khi hỗ trợ sản xuất khối lượng và tăng tốc thử nghiệm với phần mềm phân tích và tự động hóa đầy đủ.

The solution comprises two main building blocks and an optional third-party cobot: an LTS base unit, LTS remote optical head and a cobot that is optional with a mounting platform.

Giải pháp bao gồm hai khối xây dựng chính và cobot của bên thứ ba tùy chọn: đơn vị cơ sở LTS, đầu quang từ xa LTS và cobot tùy chọn với nền tảng gắn.

Figure 1. Keysight E8717A Lidar Target Simulator

Hình 1. Trình mô phỏng mục tiêu Keysight E8717A Lidar

The LTS base unit is the heart of the test system, where distance and reflectivity simulations are performed. The remote optical head enables the base unit to receive the signal from the lidar sensor and transmit it back delayed (distance simulation) and attenuated (reflectivity simulation). In addition to target distance and reflectivity simulations, Keysight LTS solution is equipped with advanced features that enable automotive lidar makers to gain additional insights about the sensor performance. The solution allows for lidar testing under different conditions with physical target boards.

Đơn vị cơ sở LTS là trái tim của hệ thống thử nghiệm, nơi mô phỏng khoảng cách và độ phản xạ được thực hiện. Đầu quang từ xa cho phép thiết bị cơ sở nhận tín hiệu từ cảm biến lidar và truyền lại độ trễ (mô phỏng khoảng cách) và suy giảm (mô phỏng độ phản xạ). Ngoài mô phỏng khoảng cách mục tiêu và độ phản xạ, giải pháp Keysight LTS còn được trang bị các tính năng tiên tiến cho phép các nhà sản xuất lidar ô tô có thêm thông tin chi tiết về hiệu suất cảm biến. Giải pháp cho phép thử nghiệm lidar trong các điều kiện khác nhau với các bảng mục tiêu vật lý.

In addition to these benefits, Keysight LTS solution has an automated setup calibration algorithm that enables users to perform accurate and repeatable tests for lidar sensors. Opto-mechanical alignment is performed to align the centers of the lidar sensor and remote optical head. This setup calibration and alignment methods ensure accurate distance and reflectivity simulation.

Ngoài những lợi ích này, giải pháp Keysight LTS còn có thuật toán hiệu chuẩn thiết lập tự động cho phép người dùng thực hiện các thử nghiệm chính xác và lặp lại cho cảm biến lidar. Căn chỉnh quang học được thực hiện để căn chỉnh các trung tâm của cảm biến lidar và đầu quang từ xa. Các phương pháp hiệu chuẩn và căn chỉnh thiết lập này đảm bảo mô phỏng khoảng cách và độ phản xạ chính xác.

A lidar sensor is tested for all its specifications and performance parameters in the design verification stage, which includes lidar calibration and lidar verification. The requirements for calibration are defined depending on the lidar sensor's optical design, which the Keysight LTS target simulation capability and mechanical and optical alignment and setup calibration performance can accomplish. Then, for verification, the automotive lidar sensor testing occurs for range (minimum and maximum), range accuracy, azimuth and elevation angle accuracy, and field of view tests.Một cảm biến lidar được kiểm tra cho tất cả các thông số kỹ thuật và thông số hiệu suất của nó trong giai đoạn xác minh thiết kế, bao gồm hiệu chuẩn lidar và xác minh lidar.

Các yêu cầu hiệu chuẩn được xác định tùy thuộc vào thiết kế quang học của cảm biến lidar, mà khả năng mô phỏng mục tiêu của Keysight LTS và hiệu suất hiệu chuẩn thiết lập và căn chỉnh cơ học và quang học có thể đạt được. Sau đó, để xác minh, thử nghiệm cảm biến lidar ô tô xảy ra cho phạm vi (tối thiểu và tối đa), độ chính xác phạm vi, độ chính xác góc phương vị và góc độ cao và kiểm tra trường nhìn.

In the manufacturing stage, end-of-line testing ensures the lidar sensor is functional before shipment. These end-of-line manufacturing tests are typically a subset of verification tests. For an efficient yield and high-volume production, the solution shortens test time with software automation enabled by Keysight PathWave Test Executive for Manufacturing (PTEM)

Trong giai đoạn sản xuất, thử nghiệm cuối dây chuyền đảm bảo cảm biến lidar hoạt động trước khi giao hàng. Các thử nghiệm sản xuất cuối dây chuyền này thường là một tập hợp con của các thử nghiệm xác minh. Để có năng suất hiệu quả và sản xuất khối lượng lớn, giải pháp rút ngắn thời gian thử nghiệm với tính năng tự động hóa phần mềm được kích hoạt bởi Keysight PathWave Test Executive for Manufacturing (PTEM)

Going forward

Trong tương lai

Automotive lidar is a promising step toward a fully autonomous driving experience. With sensor fusion and more precise algorithms, there will be higher redundancy of meaningful data streams. Data that one day will help reconstruct a decision-making process close to the level of complexity that a human brain can handle.

Lidar ô tô là một bước tiến đầy hứa hẹn hướng tới trải nghiệm lái xe hoàn toàn tự động. Với sự hợp nhất cảm biến và các thuật toán chính xác hơn, sẽ có sự dư thừa cao hơn của các luồng dữ liệu có ý nghĩa. Dữ liệu một ngày nào đó sẽ giúp tái tạo lại quá trình ra quyết định gần với mức độ phức tạp mà bộ não con người có thể xử lý.