وصل ليدار للسيارات

يعد طرح دايملر مؤخرًا لخيار المستوى 3 (L3، القيادة الآلية في ظروف معينة مع وجود سائق بشري جاهز لتولي المهمة بمجرد استدعائه) في الطراز الفاخر من الفئة S بمثابة إنجاز كبير لثورة القيادة الذاتية. أعلنت العديد من شركات السيارات الأخرى عن التوفر الوشيك لهذه الميزة بما في ذلك Honda وBMW. يعد التصوير ثلاثي الأبعاد باستخدام LiDAR (اكتشاف الضوء والمدى) إحدى تقنيات الاستشعار الرئيسية التي تجعل ذلك ممكنًا. مقال حديث (يغطي LiDAR في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية في يناير 2022 في لاس فيجاس) فحص السؤال "هل وصل LiDAR؟" بعد أربعة أشهر ، الجواب نعم.

كان التركيز الرئيسي للاستثمارات التي تبلغ قيمتها حوالي 5 مليارات دولار (على مدى السنوات الثماني الماضية) في شركات LiDAR الخاصة هو الاستقلالية الكاملة (المستوى 8 أو 4 حيث لا توجد حاجة لسائقين بشريين) لخدمات النقل والشاحنات والخدمات اللوجستية. لقد ثبت أن تحقيق قدرة L5 / L4 يمثل تحديًا أكبر مما كان متصورًا في الأصل بسبب الاعتبارات التقنية والسلامة والتنظيمية واعتبارات التكلفة. في كثير من الحالات ، ثبت أيضًا أن حالات العمل الخاصة بتحقيق الدخل من هذه القدرة غير واضحة. بالنسبة لشركات LiDAR ، يعد هذا بحثًا صعبًا نظرًا لطول الآفاق الزمنية وحقيقة أن لاعبي L5 الرئيسيين يطورون أنظمة LiDAR الداخلية الخاصة بهم (Waymo و Aurora و Argo).

الأسواق المستهدفة للاستقلالية الكاملة هي الشركات ، مع أحجام أقل بكثير من المركبات (أقل من 5 ملايين سيارة / سنة مقابل ~ 100 مليون سيارة يتم بيعها / سنويًا للمستهلكين). كان مصنعي المعدات الأصلية للسيارات غير مجهزين للمنافسة في سوق الحكم الذاتي الكامل ورأوا فرصة لإضافة ميزات استقلالية محدودة لسياراتهم وبيع اقتراح الراحة ووقت الفراغ والسلامة لقاعدة أكبر من العملاء. وقد أدى هذا إلى توجيه العديد من شركات LiDAR لمعالجة استقلالية L2 وL3. تشمل الإعلانات الحديثة شركات مثل Valeo (Mercedes) و Innoviz (BMW) و Luminar (Volvo) و Cepton (General Motors) و Ibeo (Great Wall Motors) و Innovusion (Nio). كما تبلورت الشراكات مع موردي السيارات من المستوى 1 (Aeye-Continental و Baraja-Veoneer و Cepton-Koito و Innoviz-Magna).

تعد كثافة النطاق والنقطة (النقاط / الثانية أو PPS) معلمات أداء مهمة تحكم قدرة الإدراك التي يوفرها LiDAR. ويشمل ذلك الكشف عن علامات الممرات وتصنيفها ، والبنية التحتية للمرور ، وسطح الطريق ، والمشاة ، والمركبات ، وحطام الطريق في نطاق مناسب لتمكين مناورات الحكم الذاتي الآمنة والمريحة. في حين أن الأداء أمر بالغ الأهمية ، فقد دفع المحور الخاص بالسيارات الاستهلاكية شركات LiDAR إلى التركيز أيضًا على المزيد من الخصائص "العادية" مثل السعر والحجم واستهلاك الطاقة وتكامل / تصميم السيارة وقابلية التصنيع وشهادة السلامة. أبرز مؤتمر Autosens الأخير في ديترويت هذا وهو مؤشر جيد على وصول LiDAR لسوق السيارات أخيرًا. شارك ما مجموعه سبع شركات من LiDAR - Aeye و Baraja و Cepton و Insight و Seagate و Valeo و Xenomatix.

المال، المال، المال

ناقشت جلسة نقاش في Autosens عتبة السعر (أو الألم) التي تجعل LiDAR وسيلة جذب ميسورة التكلفة للمركبات الاستهلاكية. ولم يتم ذكر أرقام محددة (لأسباب واضحة). كمرجع، تتراوح أسعار كاميرات السيارات والرادار بين 10-20 دولارًا و50-100 دولار على التوالي، والحلم هو أن يحقق LiDAR نقاط سعر مماثلة. وهذا أمر غير معقول في المستقبل المنظور لعدة أسباب. أولاً، شهدت الكاميرات والرادارات عدة عقود من النضج والتوسع للسيارات الاستهلاكية لأنظمة مساعدة سائق السيارات (ADAS). ثانيًا، يعتمدون بشكل أساسي على تقنيات السيليكون وCMOS التي تستفيد من حجم الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية. يعتبر LiDAR أقل نضجًا ويعتمد على تكنولوجيا أشباه الموصلات الضوئية المعقدة (خاصة الليزر). إن سلسلة التوريد في هذه المنطقة ليست في وضع يسمح لها اليوم بدعم مثل هذا التسعير.

تتمثل إحدى طرق ترشيد سعر الحد المقبول لـ LiDAR في ربطه بسعر خيار L3. بالنسبة لسيارة Mercedes S-Class ، يكون هذا 5000 دولار تقريبًا. نظرًا لأن LiDAR يجعل هذه الوظيفة ممكنة، فمن المعقول افتراض أن LiDAR يمكن أن يطلب سعرًا قدره 500 دولار (أو 10% من سعر خيار L3). عندما تبدأ السيارات متوسطة السعر في تقديم هذا الخيار ، سيحتاج سعر L3 إلى التخفيض (حوالي 3000 دولار) ، مع انخفاض سعر LiDAR إلى 300 دولار تقريبًا. من غير المرجح أن يحدث قبول واسع النطاق من قبل العملاء إلا إذا توسع مجال التصميم التشغيلي (ODD) (من حيث السرعات والموقع والطقس وما إلى ذلك) ولم تحدث أي حوادث سلامة كبيرة خلال هذا التطور.

المسائل حجم

• ”Style Studio هو الملك“ تم التأكيد على الموضوع مرارًا وتكرارًا في Autosens، مع النصيحة بأن تكامل أجهزة الاستشعار يجب أن يحدث دون المساس بالتصميم العام والجاذبية العاطفية للسيارات الاستهلاكية. يحكم الحجم واستهلاك الطاقة مكان وكيفية دمج أجهزة الاستشعار. يتم تحويل معظم الطاقة المستهلكة في أجهزة الاستشعار (خاصة LiDAR) إلى حرارة. يعد تقليل ذلك مفيدًا من حيث الكفاءة والإدارة الحرارية ووجهات نظر تقليل الحجم.

تتراوح أجهزة استشعار الرادار من 100 إلى 500 سم مكعب في الحجم وتستهلك 5 إلى 15 واط من الطاقة (حسب الأداء). تعد الكاميرات أصغر حجمًا بشكل كبير وموفرة للطاقة (عادةً ما يتراوح بين 25 إلى 200 سم مكعب واستهلاك طاقة يصل إلى 3 واط). تعد العقارات ثمينة في السيارة، ومع تطور وظائف L2 وL3، تحتاج أجهزة LiDAR إلى التنافس مع أجهزة الاستشعار التقليدية هذه من حيث المساحة والطاقة والموارد الحاسوبية والإدارة الحرارية.

يقارن الجدول 1 حجم واستهلاك الطاقة لتصميمات LiDAR عبر النطاق ومعلمات أداء PPS (نقطة/ثانية):

تعد فيزياء التشغيل ونهج المسح والطول الموجي من العوامل الحاسمة التي تحدد الحجم واستهلاك الطاقة. الاستنتاجات الرئيسية من الجدول 1 هي كما يلي:

1. ④ هو النهج الأقل إحكاما. يتطلب تشغيل 1550 نانومتر ToF (وقت الطيران) أشعة ليزر ذات طاقة عالية من الألياف، وهي ليست مضغوطة مثل ليزر الصمام الثنائي لأشباه الموصلات. يميل المسح ثنائي الأبعاد وفتحات الإرسال/الاستقبال المنفصلة أيضًا إلى جعل LiDAR أكبر حجمًا.
2. ① يبدو أنه النهج الأكثر إحكاما. يسمح FMCW (الموجة المستمرة المعدلة بالتردد) باستخدام ليزر ديود منخفض الطاقة ومتماسك وقابل للضبط. يتم المسح في بُعد واحد (الاتجاه الأفقي)، بينما يتم المسح الرأسي باستخدام أشعة ليزر قابلة للضبط وبصريات تشبه المنشور (بدون أجزاء متحركة). كما أنه يستخدم بنية أحادية ثابتة (يتم الإرسال/الاستقبال من خلال فتحة واحدة).
3. بالمقارنة مع 905 نانومتر (②)، تستهلك أجهزة LiDAR (① و④) 1550 نانومتر طاقة أعلى ولكنها توفر أيضًا أداء نطاق أعلى. ارتفاع استهلاك الطاقة يرجع إلى عوامل متعددة. أولاً، يُسمح بتشغيل أشعة الليزر بقدرة بصرية أعلى (عتبات سلامة العين عند 1550 نانومتر أعلى بكثير من 905 نانومتر). ثانيا، الليزر 1550 نانومتر أقل كفاءة ويستهلك المزيد من الطاقة الكهربائية. أخيرًا، نظرًا لارتفاع حساسية درجة الحرارة، يجب تبريد أشعة الليزر ذات الطول الموجي 1550 نانومتر أو تثبيت درجة الحرارة. هذا يستهلك الطاقة والحجم.
4. تعمل التحسينات الجيلية في نطاق LiDAR وأداء PPS (Innoviz وValeo في ②) على زيادة استهلاك الطاقة. وهذا أمر مفهوم لأن الأداء العالي يتطلب المزيد من طاقة الليزر ودورة العمل والتردد المكاني. تزداد أيضًا قوة الحوسبة لمعالجة الإشارات. يتناسب الحجم مع زيادة استهلاك الطاقة.
5. بالنسبة للأداء المتواضع الذي يقدمه Flash LiDAR (③) ، فهو مكلف من حيث الحجم واستهلاك الطاقة. إذا كان التخلص من الأجزاء المتحركة أحد الاعتبارات الرئيسية (اعتبارات الموثوقية أو التكامل)، فإن البنى التي تستخدم المسح الإلكتروني تكون أكثر جاذبية (③) نظرًا لأنها توفر أداءً أعلى بكثير بحجم مكافئ واستهلاك أقل للطاقة بشكل كبير. الحل الوسط هو أن عملية الغالق العالمية غير ممكنة ، مما يؤدي إلى تأثيرات ضبابية في سحابة النقاط.
6. تعد شراكات التصميم المشترك بين مصنعي LiDAR وشركات المستوى 1 (Baraja-Veoneer و Continental-Aeye) مفيدة من حيث تقليل الحجم.

إن تقنية LiDAR تنضج من حيث التكامل والحجم واستهلاك الطاقة. بالنسبة للرادار، فهو لا يزال أكبر بحوالي 2-3 مرات من حيث الحجم واستهلاك الطاقة. أصبحت كاميرات التصوير أكثر إحكاما وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة (أقل من 10X في الحجم، و5X في الطاقة).

هل سيصل LiDAR إلى التكافؤ مع هذه المستشعرات الأخرى بمرور الوقت؟ يوفر 1550 نانومتر FMCW LiDAR () أفضل إمكانات لتكافؤ الحجم مع الرادار بمجرد تنفيذه في منصة ضوئية من السيليكون مع مسح ضوئي على نطاق الرقاقة في بعدين (مجال بحث نشط اليوم ، ولكن ليس عمليًا بعد). من غير المحتمل أن ينخفض ​​استهلاك الطاقة نظرًا لأن تحسينات المواد الرئيسية ستحتاج إلى أن تحدث في تقنية الليزر الأساسية (حدثت استثمارات كبيرة على مدى العقود الثلاثة الماضية في هذا المجال لدعم اتصالات الألياف البصرية ، ومن غير المحتمل حدوث تحسينات كبيرة). يرجع الجزء الأكبر من استهلاك الطاقة إلى الليزر ، ويتم تحويل أكثر من 70٪ منه إلى حرارة ، والتي يجب إدارتها. وهذا بدوره يضع حدًا أدنى للحجم.

التصنيع: 1-1000 سهل، 1000,000 صعب (إذا كنت تريد ربح دولار)

يتطلب التأكد من أن المستشعر البصري الميكانيكي المعقد مثل LiDAR يمكن أن يتوسع بأمان من النماذج الأولية إلى الإنتاج الكبير الحجم أن يتم النظر في سلسلة التوريد وقابلية التصنيع في المراحل الأولى من التصميم. تعد الشراكات بين شركات LiDAR وموردي المستوى 1 (الذين أتقنوا عمليات وعلوم التوسع بكفاءة في إنتاج الحجم) لا تقدر بثمن في هذا الصدد.

تقوم شركة Valeo بتصميم وتصنيع جهاز LiDAR (سلسلة SCALA). في Autosens، قدموا الاعتبارات التي تؤثر على عملية التصميم - خيارات التكنولوجيا والموردين وبساطة العملية والتكلفة والموثوقية وقابلية التوسع. يتم تحليل أوقات الدورة ومستويات الخردة والتحقق منها بدقة. تتمثل فلسفة Valeo في تقديم تصميمات "مناسبة للوظيفة" تلبي احتياجات عملاء السيارات الحالية (قد لا تقود المنافسين في البداية من حيث الأداء ولكنها موثوقة وسهلة الاستخدام للعملاء)، وإطلاقها في الإنتاج بكميات كبيرة واستخدام التوسع والتكلفة المنخفضة الخبرة كأساس لترقيات الأداء للتصاميم المستقبلية. تم تصنيع أكثر من 170,000 جهاز LiDAR من فئة السيارات حتى الآن (عبر سلسلتي SCALA 1 و2، تم تصميم SCALA 2 حاليًا في فئة مرسيدس S التي تمت مناقشتها سابقًا). يستفيد SCALA 3 من هذه التجربة بأداء أعلى بكثير ومن المتوقع إطلاقه في عام 2023. يختلف نهج Valeo (الذي يعتبر نموذجيًا بالنسبة إلى Tier 1 وغيرها من شركات التصنيع كبيرة الحجم) عن العديد من شركات LiDAR الممولة من المشاريع والتي تميل إلى التركيز في البداية على تعظيم الاستفادة من الأداء ونفترض أنه سيتم معالجة متطلبات القياس والتكلفة بمجرد زيادة الكميات. هذا اقتراح صعب.

تعد شركة Seagate Technology إحدى الشركات المصنعة الكبيرة لمحركات الأقراص الثابتة (HDD)، حيث تنتج أكثر من 100 مليون وحدة سنويًا. في Autosens ، قدموا وأظهروا نظام LiDAR الخاص بهم ، وهو نظام 1550 نانومتر قادر على التحسين الديناميكي ، ومجال رؤية 120 درجة ، ونطاق 250 مترًا ، واستهلاك طاقة 25 واط. كانت الشركة رائدة في HAMR (التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة) لزيادة سعة تخزين الأقراص الصلبة. تُستخدم ثنائيات الليزر المثبتة على رأس التسجيل لتسخين البتات المفردة محليًا لقلب القطبية المغناطيسية والمساعدة في عملية الكتابة. تعد البصريات والميكانيكا الدقيقة والإلكترونيات عالية السرعة والمسح الضوئي من منصات التصميم الرئيسية. تستخدم خطوط تصنيع الأقراص الصلبة تحديد المواقع بدقة (أقل من ميكرون) وربط الأجزاء البصرية والميكانيكية والإلكترونية ، وإنتاجية عالية في الاختبار المباشر والنهائي. تتمثل إستراتيجية Seagate في الاستفادة من براءات الاختراع والكتل التكنولوجية ذات الصلة والبنية التحتية التصنيعية لمنتجات محركات الأقراص الثابتة الخاصة بها لسيارات LiDAR. كان الجهد مستمرًا على مدى السنوات 2-3 الماضية ، وفي هذه المرحلة ، لم يتم الإعلان عن المواصفات والخطط التفصيلية. ربما لا تشبه Seagate أي مشارك آخر حتى الآن في نظام LiDAR البيئي المزدحم. لقد بدأوا بخط إنتاج موجود كبير الحجم ومنخفض التكلفة وإدخال تصميمات منتجات ذات تعقيد مماثل فيه. يمكنهم تعطيل سوق LiDAR في المستقبل.

عرضت شركة Trioptics (أحد أقسام شركة Jenoptik) بعض تحديات معدات التصنيع المتمثلة في بناء LiDAR بكميات كبيرة لسوق السيارات. تعد المحاذاة الدقيقة وربط المكونات البصرية والميكانيكية والإلكترونية أمرًا أساسيًا لتصنيع LiDAR عالي الإنتاجية، كما هو الحال مع القدرة على معايرة واختبار التجميعات الفرعية والمنتجات النهائية في أوقات دورات منخفضة جدًا. والمفتاح هنا هو التأكد من أن كل مكون فرعي تم تصميمه وشراؤه بمستويات دقة كافية ومبادئ موثوقة حتى تتمكن الأتمتة الروبوتية من العمل بفعالية. تقوم Trioptics ببناء معدات متاحة تجاريًا لإنتاج LiDAR ويشبه اقتراحها توسيع نطاق أنظمة الاتصالات القائمة على الألياف الضوئية قبل عقدين من الزمن. لقد ولدت صناعة معدات متخصصة مخصصة لتصنيع المكونات الإلكترونية البصرية، بما في ذلك الحرق/الاختبار، ومحاذاة/توصيل الألياف، وربط القالب/الأسلاك، والختم المحكم وأنظمة اختبار الموثوقية.

معايير وشهادات السلامة

قدمت NVIDIA نهجها في معالجة معيارين رئيسيين لشهادة سلامة أجهزة الاستشعار: معيار السلامة الوظيفية ISO 26262 ومعيار ISO 21448 الناشئ الذي يتعامل مع سلامة الوظيفة المقصودة (SOTIF). يتناول الأخير كيفية أداء ميزة معينة في السيارة على محرك الأقراص الثابتة الموعود. بالنسبة لمستشعر جديد مثل LiDAR، فإن ترجمة ذلك إلى اكتشاف الأشياء وتصنيفها (على سبيل المثال مركبة، أو مشاة، أو عوائق، أو بنية تحتية لحركة المرور) في ظروف الإضاءة والطقس المعاكسة أمر بالغ الأهمية. يركز موردو LiDAR بشكل متزايد على هذا المعيار الجديد، على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كان هذا هو الشيء الذي سيتم تنفيذه بواسطة الشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) أو المستوى 1 (نظرًا لأنه قد يعتمد على الاندماج ومجموعات البرامج ذات المستوى الأعلى).

لقد وصل جهاز LiDAR للسيارات بالتأكيد. في حين أن سوق الحكم الذاتي L4 لا يزال بعيدًا، فإن مستويات الحكم الذاتي المحدودة (L2 وL3) التي تتطلب LiDAR توفر فرصة أكثر ربحًا وعلى المدى القريب. فرص التصميم محدودة والتنافس عليها أمر وحشي. وسيتطلب الفوز بها تحقيق التوازن الصحيح بين الأداء والتكلفة والموثوقية وسهولة التكامل.