Dumating na ang Automotive LiDAR

Ang kamakailang pagpapakilala ni Daimler ng isang Level 3 na opsyon (L3, automated na pagmamaneho sa ilang partikular na kundisyon kasama ang human driver na handang pumalit kapag ipinatawag) sa S-Class na luxury model ay isang makabuluhang tagumpay para sa rebolusyon ng awtonomiya. Marami pang ibang kumpanya ng automotive ang nag-anunsyo ng nalalapit na pagkakaroon ng feature na ito kabilang ang Honda at BMW. Ang 3D imaging na may LiDAR (Light Detection and Ranging) ay isang pangunahing teknolohiya ng sensing na ginagawang posible ito. Isang kamakailang artikulo (na sumasaklaw sa LiDAR sa Enero 2022 Consumer Electronics Show sa Las Vegas) sinuri ang tanong “Dumating na ba ang LiDAR?” Pagkalipas ng apat na buwan, ang sagot ay OO.

Ang pangunahing pokus para sa ~$5B na pamumuhunan (sa nakalipas na 8 taon) sa mga pribadong kumpanya ng LiDAR ay ganap na awtonomiya (Antas 4 o 5 kung saan walang mga driver ng tao ang kailangan) para sa ride-hailing, trucking at logistics. Ang pagsasakatuparan ng kakayahan ng L4/L5 ay napatunayang mas mahirap kaysa sa orihinal na naisip dahil sa teknikal, kaligtasan, regulasyon at mga pagsasaalang-alang sa gastos. Sa maraming kaso, napatunayang hindi malinaw ang mga kaso ng negosyo para sa pagkakakitaan sa kakayahang ito. Para sa mga kumpanya ng LiDAR, ito ay isang mahirap na paghahanap dahil sa mas mahabang panahon at katotohanan na ang mga pangunahing manlalaro ng L4 ay bumubuo ng kanilang mga panloob na LiDAR (Waymo, Aurora, Argo).

Ang mga target na merkado para sa ganap na awtonomiya ay mga negosyo, na may mas mababang volume ng mga sasakyan (< 5M/taon kumpara sa ~100M na sasakyang ibinebenta/taon sa mga consumer). Ang mga Automotive OEM ay hindi nasangkapan upang makipagkumpitensya sa buong autonomy market at nakita nila ang pagkakataon para sa pagdaragdag ng limitadong autonomy feature sa kanilang mga sasakyan at pagbebenta ng proposisyon ng ginhawa, libreng oras at kaligtasan sa mas malaking customer base. Ito ay nag-pivot sa maraming kumpanya ng LiDAR upang tugunan ang L2 at L3 na awtonomiya. Kasama sa mga kamakailang anunsyo ang mga kumpanya tulad ng Valeo (Mercedes), Innoviz (BMW), Luminar (Volvo), Cepton (General Motors), Ibeo (Great Wall Motors) at Innovusion (Nio). Ang mga pakikipagsosyo sa mga supplier ng Automotive Tier 1 ay nag-kristal din (Aeye-Continental, Baraja-Veoneer, Cepton-Koito, Innoviz-Magna).

Ang saklaw at density ng punto (mga puntos/segundo o PPS) ay mga kritikal na parameter ng pagganap na namamahala sa kakayahang pang-unawa na ibinibigay ng LiDAR. Kabilang dito ang pagtuklas at pag-uuri ng mga marka ng lane, imprastraktura ng trapiko, ibabaw ng kalsada, mga pedestrian, mga sasakyan at mga labi ng kalsada sa sapat na hanay upang paganahin ang ligtas at kumportableng mga maniobra ng awtonomiya. Bagama't kritikal ang performance, ang pag-pivot sa mga consumer na sasakyan ay nagtulak sa mga kumpanya ng LiDAR na tumuon din sa higit pang "mundane" na mga katangian tulad ng presyo, laki, pagkonsumo ng kuryente, pagsasama/pag-istilo ng sasakyan, scalability sa pagmamanupaktura at sertipikasyon sa kaligtasan. Itinampok ito ng kamakailang kumperensya ng Autosens sa Detroit at isang magandang tagapagpahiwatig na sa wakas ay dumating na ang LiDAR para sa automotive market. Sa kabuuan, pitong kumpanya ng LiDAR ang lumahok – Aeye, Baraja, Cepton, Insight, Seagate, Valeo at Xenomatix.

Money, Money, Money

Tinalakay ng isang panel session sa Autosens ang price (o pain) threshold na ginagawang abot-kaya ang LiDAR para sa mga consumer na sasakyan. Walang mga partikular na numero ang nabanggit (para sa mga malinaw na dahilan). Bilang sanggunian, ang mga automotive camera at radar ay may presyo sa hanay na $10-20 at $50-100 ayon sa pagkakabanggit, at ang pangarap ay makakamit ng LiDAR ang mga katulad na punto ng presyo. Ito ay hindi makatwiran sa nakikinita na hinaharap para sa ilang kadahilanan. Una, ang mga camera at radar ay nakaranas ng ilang dekada ng maturity at scaling para sa mga consumer na sasakyan para sa ADAS (Automotive Driver Assistance Systems). Pangalawa, pangunahing umaasa sila sa mga teknolohiya ng silicon at CMOS na gumagamit ng sukat ng consumer at industrial electronics. Ang LiDAR ay hindi gaanong mature at umaasa sa kumplikadong optical semiconductor na teknolohiya (lalo na ang mga laser). Ang supply chain sa lugar na ito ay hindi nakaposisyon ngayon upang suportahan ang naturang pagpepresyo.

Ang isang paraan para i-rationalize ang isang katanggap-tanggap na presyo ng threshold para sa LiDAR ay ang pag-uugnay nito sa presyo ng opsyon na L3. Para sa Mercedes S-Class, ito ay ~$5000. Dahil ginagawang posible ng LiDAR ang functionality na ito, makatuwirang ipagpalagay na ang LiDAR ay maaaring mag-utos ng $500 (o 10% ng presyo ng opsyon sa L3) na punto ng presyo. Habang ang mga mid-price na kotse ay nagsimulang mag-alok ng opsyong ito, ang L3 na presyo ay kailangang bawasan (~$3000), na ang presyo ng LiDAR ay bababa sa ~$300. Ang malawak na pagtanggap ng customer ay malamang na mangyari lamang kung ang Operational Design Domain (ODD) ay lumawak (sa mga tuntunin ng bilis, lokasyon, lagay ng panahon, atbp.) at walang makabuluhang mga insidente sa kaligtasan na magaganap sa panahon ng ebolusyong ito.

Sukat ng mga bagay

Ang “Hari ang Style Studio” paulit-ulit na binigyang-diin ang tema sa Autosens, na may payo na dapat mangyari ang pagsasama ng sensor nang hindi nakompromiso ang pangkalahatang estilo at emosyonal na apela ng mga consumer na sasakyan. Ang laki at pagkonsumo ng kuryente ay namamahala sa kung saan at paano isinama ang mga sensor. Karamihan sa kapangyarihang natupok sa mga sensor (lalo na ang LiDAR) ay na-convert sa init. Ang pag-minimize nito ay kapaki-pakinabang mula sa kahusayan, pamamahala ng thermal at mga pananaw sa pagbabawas ng laki.

Ang mga radar sensor ay mula sa 100-500 cm³ sa volume at kumokonsumo ng 5-15W ng kapangyarihan (depende sa performance). Ang mga camera ay mas maliit at matipid sa kuryente (karaniwan ay nasa hanay na 25 – 200 cm³ at ~3W na paggamit ng kuryente). Mahalaga ang real estate sa isang kotse, at habang umuunlad ang mga functionality ng L2 at L3, kailangang makipagkumpitensya ang mga LiDAR sa mga kumbensyonal na sensor na ito para sa espasyo, kapangyarihan, mga mapagkukunan ng pag-compute at pamamahala ng thermal.

Inihahambing ng Talahanayan 1 ang laki at pagkonsumo ng kuryente ng mga disenyo ng LiDAR sa buong saklaw at mga parameter ng pagganap ng PPS (mga puntos/segundo):

Ang operating physics, scanning approach at wavelength ay mga kritikal na salik na nagtutulak sa laki at pagkonsumo ng kuryente. Ang mga pangunahing konklusyon mula sa Talahanayan 1 ay ang mga sumusunod:

1. ④ ay ang hindi bababa sa compact na diskarte. Ang 1550 nm ToF (Time-of-Flight) na operasyon ay nangangailangan ng mataas na peak power fiber laser, na hindi kasing siksik ng mga semiconductor diode laser. Ang 2D na pag-scan at magkahiwalay na pagpapadala/pagtanggap ng mga aperture ay malamang na gawing mas bulk ang LiDAR.
2. ① tila ang pinakasimpleng diskarte. Ang FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) ay nagbibigay-daan para sa paggamit ng mas mababang power, coherent, tunable diode lasers. Ang pag-scan ay nangyayari sa isang dimensyon (pahalang na direksyon), habang ang patayong pag-scan ay ginagawa gamit ang mga tunable na laser at mala-prisma na optika (walang gumagalaw na bahagi). Gumagamit din ito ng mono-static na arkitektura (ang pagpapadala/pagtanggap ay nangyayari sa pamamagitan ng isang aperture).
3. Kumpara sa 905 nm (②), 1550 nm LiDAR (① at ④) kumokonsumo ng mas mataas na kapangyarihan ngunit naghahatid din ng mas mataas na performance ng saklaw. Ang mas mataas na pagkonsumo ng kuryente ay dahil sa maraming mga kadahilanan. Una, pinahihintulutan ang mga laser na i-drive sa mas mataas na optical power (ang mga threshold ng eye-safety para sa 1550 nm ay mas mataas kaysa sa 905 nm). Pangalawa, ang 1550 nm laser ay hindi gaanong mahusay at kumonsumo ng mas maraming kuryente. Sa wakas, dahil sa mas mataas na sensitivity ng temperatura, ang 1550 nm laser ay kailangang palamigin o patatagin ang temperatura. Kumokonsumo ito ng lakas at laki.
4. Ang mga generational improvements sa LiDAR range at PPS performance (Innoviz at Valeo in ②) ay nagpapataas ng power consumption. Ito ay naiintindihan dahil ang mas mataas na pagganap ay nangangailangan ng mas maraming laser power, duty cycle at spatial frequency. Ang kapangyarihan ng pag-compute ng signal processing ay tumataas din. Ang sukat ay proporsyonal sa pagtaas ng konsumo ng kuryente.
5. Kaugnay ng katamtamang pagganap na inihahatid ng Flash LiDAR (③), ito ay mahal sa laki at paggamit ng kuryente. Kung ang pag-aalis ng mga gumagalaw na bahagi ay isang mahalagang pagsasaalang-alang (pagsasaalang-alang sa pagiging maaasahan o pagsasanib), ang mga arkitektura na gumagamit ng elektronikong pag-scan ay higit na kaakit-akit (③) dahil naghahatid sila ng mas mataas na pagganap sa isang katumbas na laki at kapansin-pansing mas mababa ang konsumo ng kuryente. Ang kompromiso ay ang pandaigdigang pagpapatakbo ng shutter ay hindi posible, na humahantong sa pag-blur ng mga epekto sa point cloud.
6. Ang mga co-design partnership sa pagitan ng mga tagagawa ng LiDAR at Tier 1 na kumpanya (Baraja-Veoneer, Continental-Aeye) ay kapaki-pakinabang sa mga tuntunin ng pagbabawas ng laki.

Ang LiDAR ay tumatanda sa mga tuntunin ng pagsasama, laki at pagkonsumo ng kuryente. Kumpara sa radar, ito ay ~2-3X na mas malaki sa mga tuntunin ng laki at paggamit ng kuryente. Ang mga imaging camera ay mas compact at power-efficient (mas mababa sa 10X na mas mababa sa laki, 5X sa power).

Maaabot ba ng LiDAR ang pagkakapareho sa iba pang mga sensor na ito sa paglipas ng panahon? Ang 1550 nm FMCW LiDAR (①) ay nag-aalok ng pinakamahusay na potensyal para sa parity ng laki na may radar na minsang ipinatupad sa isang silicon photonics platform na may chip-scale optical scan sa dalawang dimensyon (isang lugar ng aktibong pananaliksik ngayon, ngunit hindi pa praktikal na magagawa). Ang pagkonsumo ng kuryente ay hindi malamang na mabawasan dahil ang mga pangunahing pagpapabuti ng mga materyales ay kailangang mangyari sa pangunahing teknolohiya ng laser (mga makabuluhang pamumuhunan sa nakalipas na tatlong dekada ay naganap sa lugar na ito upang suportahan ang fiber optics na komunikasyon, at ang mga dramatikong pagpapabuti ay hindi malamang). Ang pangunahing bahagi ng pagkonsumo ng kuryente ay dahil sa laser, at higit sa 70% nito ay na-convert sa init, na kailangang pangasiwaan. Ito naman ay nagtatakda ng mas mababang hangganan sa laki.

Paggawa: Madali ang 1-1000, mahirap ang 1000,000 (kung gusto mong kumita ng $)

Ang pagtiyak na ang isang kumplikadong opto-mechanical sensor tulad ng LiDAR ay maaaring mai-scale nang maganda mula sa mga prototype hanggang sa mataas na dami ng produksyon ay nangangailangan na ang supply chain at manufacturability ay isinasaalang-alang sa mga unang yugto ng disenyo. Ang mga pakikipagtulungan sa pagitan ng mga kumpanya ng LiDAR at mga supplier ng Tier 1 (na nakabisado ang mga proseso at agham ng mahusay na pag-scale sa dami ng produksyon) sa bagay na ito.

Ang Valeo ay nagdidisenyo at gumagawa ng LiDAR (SCALA series). Sa Autosens, ipinakita nila ang mga pagsasaalang-alang na nakakaapekto sa proseso ng disenyo - mga pagpipilian sa teknolohiya, mga supplier, pagiging simple ng proseso, gastos, pagiging maaasahan at scalability. Ang mga oras ng pag-ikot at mga antas ng scrap ay mahigpit na sinusuri at na-verify. Ang pilosopiya ni Valeo ay ang pagpapakilala ng mga disenyong “fit for function” na tumutugon sa mga kasalukuyang pangangailangan ng customer ng automotive (maaaring hindi muna manguna sa mga kakumpitensya sa performance ngunit maaasahan at madaling i-deploy ng mga customer), ilunsad ang mga ito sa volume production at gamitin ang scaling at murang halaga. karanasan bilang batayan para sa pag-upgrade ng pagganap para sa mga disenyo sa hinaharap. Higit sa 170,000 automotive-grade LiDAR ang ginawa hanggang ngayon (sa kabuuan ng SCALA 1 at 2 series, ang SCALA 2 ay kasalukuyang idinisenyo sa Mercedes S class na tinalakay kanina). Ginagamit ng SCALA 3 ang karanasang ito nang may mas mataas na performance at inaasahang ilulunsad sa 2023. Ang diskarte ng Valeo (na karaniwan para sa Tier 1 at iba pang mga kumpanya ng pagmamanupaktura na may mataas na dami) ay iba sa maraming kumpanya ng LiDAR na pinondohan ng venture na malamang na tumutok sa una sa pag-maximize pagganap at ipagpalagay na ang pag-scale at mga kinakailangan sa gastos ay matutugunan kapag tumaas ang mga volume. Ito ay isang mahirap na panukala.

Ang Seagate Technology ay isang malaking tagagawa ng mga hard disk drive (HDD), na gumagawa ng higit sa 100 milyong mga yunit bawat taon. Sa Autosens, ipinakita at ipinakita nila ang kanilang LiDAR, isang 1550 nm system na may kakayahang dynamic foveation, 120° field of view, 250 m range at 25W power consumption. Pinasimunuan ng kumpanya ang HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) para sa pagtaas ng kapasidad ng storage ng HDD. Ang mga laser diode na naka-mount sa recording head ay ginagamit upang lokal na magpainit ng mga solong bit upang i-flip ang magnetic polarity at tumulong sa proseso ng pagsulat. Ang mga optika, precision mechanics, high-speed electronics at pag-scan ay mga pangunahing platform ng disenyo. Gumagamit ang mga linya ng pagmamanupaktura ng HDD ng tumpak na pagpoposisyon (sub-micron) at pagbubuklod ng mga optical, mekanikal at elektronikong bahagi, at mataas na throughput na in-line at huling pagsubok. Ang diskarte ng Seagate ay gamitin ang mga patent, nauugnay na mga bloke ng teknolohiya at imprastraktura ng pagmamanupaktura ng kanilang mga produkto ng HDD para sa automotive LiDAR. Ang pagsisikap ay nagpapatuloy sa nakalipas na 2-3 taon, at sa puntong ito, ang mga detalyadong detalye at plano ay hindi pampubliko. Ang Seagate ay malamang na hindi katulad ng iba pang kalahok hanggang ngayon sa masikip na LiDAR ecosystem. Nagsisimula sila sa isang kasalukuyang mataas na dami, murang linya ng produksyon at paglalagay ng mga disenyo ng produkto na may katulad na kumplikado dito. Maaari nilang guluhin ang merkado ng LiDAR sa hinaharap.

Ang Trioptics (isang dibisyon ng Jenoptik) ay nagpakita ng ilan sa mga hamon ng kagamitan sa pagmamanupaktura ng pagbuo ng LiDAR sa mataas na volume para sa automotive market. Ang precision alignment at bonding ng optical, mechanical at electronics na mga bahagi ay susi para sa mataas na throughput na pagmamanupaktura ng LiDAR, gayundin ang kakayahang mag-calibrate at sumubok ng mga sub-assembly at huling produkto sa napakababang cycle ng oras. Ang susi ay upang matiyak na ang bawat sub-component ay idinisenyo at nakuha nang may sapat na mga antas ng katumpakan at mga fiducial upang ang robotic automation ay maaaring gumana nang epektibo. Ang Trioptics ay gumagawa ng mga kagamitang magagamit sa komersyo para sa produksyon ng LiDAR at ang kanilang panukala ay katulad ng pag-scale ng mga sistema ng komunikasyon na nakabatay sa fiber optic dalawang dekada na ang nakalipas. Nagsimula ito ng isang dalubhasang industriya ng kagamitan na nakatuon sa paggawa ng mga opto-electronic na bahagi, kabilang ang burn-in/test, fiber alignment/attachment, die/wire bonding, hermetic sealing at reliability testing system.

Mga Pamantayan sa Kaligtasan at Sertipikasyon

Iniharap ng NVIDIA ang diskarte nito sa pagtugon sa dalawang pangunahing pamantayan para sa sertipikasyon ng kaligtasan ng mga sensor: ISO 26262 Functional Safety Standard at ang umuusbong na pamantayang ISO 21448 na tumatalakay sa Safety of Intended Function (SOTIF). Tinutugunan ng huli kung paano gumaganap ang isang particlar feature ng sasakyan sa ipinangakong ODD. Para sa isang bagong sensor tulad ng LiDAR, ang pagsasalin nito sa pagtuklas at pag-uuri ng bagay (halimbawa, isang sasakyan, pedestrian, mga hadlang at imprastraktura ng trapiko) sa masamang ilaw at lagay ng panahon ay kritikal. Ang mga supplier ng LiDAR ay lalong nakatuon sa bagong pamantayang ito, bagama't hindi malinaw kung ito ay isang bagay na isasagawa ng OEM o Tier 1 (dahil maaari itong umasa sa pagsasanib at mas mataas na antas ng mga stack ng software).

Tiyak na dumating ang Automotive LiDAR. Habang ang L4 autonomy market ay malayo pa, ang limitadong mga antas ng awtonomiya (L2 at L3) na nangangailangan ng LiDAR ay nag-aalok ng mas kumikita at malapit na termino na pagkakataon. Ang mga pagkakataon sa disenyo ay limitado at ang pakikipagkumpitensya para sa mga ito ay brutal. Ang pagkapanalo sa mga ito ay mangangailangan ng paghahatid ng tamang balanse ng pagganap, gastos, pagiging maaasahan at kadalian ng pagsasama.