「軟體定義」實現更安全、成本更低的LiDAR

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲版特派記者

眾所周知,光達是最昂貴的車載感測器之一;這裡將介紹一種在成本上特別具競爭力的光達感測器...

最新一代的車輛具備越來越多先進功能,設計目標是為了提升安全性並實現更有效率、更舒適的駕駛。像是先進駕駛輔助系統(ADAS)或不同等級的自動駕駛功能,如今已經在許多車輛上可以看到,這些需要擁有高精確度還有具競爭力價格的尖端感測器技術,包括光達(LiDAR)。

在各種車用感測器中,能以最大範圍偵測車輛外部所有事物的光達不可或缺。藉由即時取得特定場景精確地圖,光達能讓使用者辨別在車輛附近的物體/障礙物,這有助於車輛避免可能與其他車輛、自行車騎士、行人或動物之間發生的碰撞。

取決於不同產品型號,光達可能會有活動式的機電零件,或者是完整固態;而眾所周知,光達是最昂貴的車載感測器之一。不過這裡將介紹一種在成本上特別具競爭力(比其他傳統元件低一個等級)的光達感測器,其特色是具備高精確度以及能擴展潛在應用的可客製化軟體。

有軍用血統的光達新秀

一家成立於2018年的美國新創公司PreAct Technologies,因為其母公司在國防產業擁有悠久歷史,並針對軍用主動防禦系統(active protection systems)開發了高速感測器與邊緣運算技術,而鎖定車用市場打造碰撞偵測系統解決方案。2019年,該公司開始與多家車廠和Tier One車用零組件供應在ADAS與預碰撞(pre-crash)應用上合作。

PreAct並不只是開發單顆感測器,而是打造了完整的軟硬體解決方案,以因應汽車產業以及其他領域的多種應用。該全固態LiDAR是一種閃光型(flash-type)感測器,每次「閃光」就會照亮整個場景,不同於更傳統的LiDAR是以雷射逐行掃描場景。

「我們已經開發了一種近場(near-filed)閃光LiDAR,但比起一家硬體公司,我們更認為自己是一家軟體公司;」PreAct Technologies創辦人暨執行長Paul Drysch表示:「我們的業務模式並非聚焦於製造,而是以虧本、甚至是免費的方式授權我們的LiDAR參考設計,然後我們提供控制與應用程式的軟體即服務(software-as-a-service),持續強化客戶的價值主張。」

目前PreAct正在和歐洲與美國的Tier 1與Tier 2供應商洽談合約,要生產那些裝置並透過他們的商業通路搭配所需的軟體授權一起銷售。該公司的感測器名為TrueSense (參考圖1),是一種高速、低成本、精確且可靠的連續波飛行時間(continuous wave time-of-flight)閃光LiDAR,採用間接飛行時間(indirect time of light,iToF)原理來同時量測每一個畫素之間的距離。

圖1:名為TrueSense的LiDAR產品。

(來源:PreAct Technologies)

「是我們的軟體讓我們的產品能在惡劣中環境運作,這是因為我們在降低底雜訊(noise floor)以及穩定3D點雲方面取得了一些突破,讓iToF能在車艙外運作;」PreAct Technologies共同創辦人暨營運長Kurt Brendley表示:「隨著我們從以FPGA為基礎的產品,轉向採用持續支援我們的軟體即服務業務模式的可程式化系統單晶片(SoC),我們將繼續縮小外觀尺寸與成本。」

今日的近場感測(最大距離25公尺)能以雷達、超音波、攝影機的組合,或以LiDAR系統來執行。前者成本低廉但效果不佳,因為訊框率以及解析度很低;商用LiDAR可提供高性能,不過非常昂貴、速度慢,在近場應用的功能有限。

TrueSense以低成本的ToF成像晶片與LED發射器為基礎,並具備高解析度RGB攝影機,可達到200fps的採樣率;該車規感測器甚至能在明亮的日光下或是通常對ToF較困難的場景中運作。TrueSense是與另外兩種PreAct的產品──TrueDrive與TrueSim──協同運作,以提供客戶完整的物體追蹤解決方案。

如果將TrueSense比喻為近場偵測與追蹤解決方案的心臟,TrueDrive就是大腦;後者負責將來自1或多個TrueDrive感測器所擷取的資料轉換為整合的3D點雲,用以快速定義並追蹤物體。每一個TrueDrive可連結並同步4個TrueSense感測器,支援不同的配置(參考圖2);該裝置整合了一顆Hyper ECU,採用平行處理與標靶(targeted) AI,來快速執行物體判別與追蹤、碰撞偵測、體積量測等等功能。

圖2:TrueDrive是中央處理器。

(來源:PreAct Technologies)

TrueSim則是以物理學為基礎的車輛模擬器,能精確建立PreAct感測器與演算法模型,讓PreAct得以在一個高傳真虛擬環境中,於客戶的平台上模擬感測器。TrueSim具備包含車輛、行人、自行車騎士、交通號誌、地圖等的大型資料庫,也可以自定義目標物體加入資料庫。藉由提供精確的光學模型──像是模擬復歸反射器(retro-reflector)──TrueSim能實現快速的演算法原型製作,並確保感測器能在客戶應用中運作。

Drysch解釋:「藉由我們自己開發的模擬軟體工具,在現實世界環境模擬我們的LiDAR性能,能讓我們評估自己滿足客戶要求的能力,同時也能著手編寫將導入LiDAR的感知軟體。」而因為具備高精確度,PreAct的軟體定義LiDAR也適合機器人與工廠自動化應用,在這些應用中可以用一到多個TrueSense感測器來取代現有感測器,簡化整合過程並降低整體成本。

目前正與PreAct合作的Tier 1供應商之一,是德國的ZF Friedrichshafen。去年他們在美國矽谷加速器Plug and Play的車用技術新創平台Startup Autobah展示了一些合作成果,包括一款自動門致動器。基本上,你只要走到車子前面做手勢,PreAct (安裝在車上的)LiDAR不只能偵測你的手勢,還能偵測是否有障礙物(如坑洞、垃圾、消防栓)或迎面而來的交通狀況(包括行人、自行車騎士、車輛或機車)是否導致損壞或是妨礙車門安全開啟。同樣的感測器也能被用於路緣偵測(curb detection)、車道變換輔助等功能。

Drysch表示:「正如人們對具備我們閃光LiDAR功能之軟體定義系統功能的期望,我們持續回應客戶需求,從車用擴展到機器人與製造等領域;此外,因為是透過軟體提供我們對現實世界運作問題解決方案的基礎,像是在戶外的運作,我們能不斷調整以提升基礎性能。」

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年9月號

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Software-Definable LiDAR Improves Safety, Reduces Vehicle Cost,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

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