Panorama general de la tecnología LiDAR automotriz
(viksnewsletter.com)- El LiDAR para vehículos autónomos es un sensor clave para percibir rápidamente el entorno en 3D, pero su adopción masiva requiere reducir de forma drástica el precio de equipos que hoy cuestan miles de dólares
- Las longitudes de onda más representativas, 905nm y 1550nm, tienen ventajas y desventajas distintas en costo, potencia, sensibilidad del detector, seguridad ocular, interferencia solar y desempeño en condiciones húmedas
- La elección de fotodetectores como APD, SPAD y SiPM afecta directamente la sensibilidad, el costo y la forma de integrar el procesamiento de señal, y SPAD puede detectar el tiempo de llegada de un solo fotón con precisión de picosegundos
- Hoy se usa mucho el dToF por su simplicidad y su alcance comercial suele estar entre 100 y 200m, mientras que FMCW puede calcular distancia y velocidad al mismo tiempo, pero es más complejo de implementar
- Hay una tendencia clara de pasar de estructuras mecánicas rotativas a MEMS, Flash y OPA para reducir las partes móviles y mejorar costo, confiabilidad y velocidad de captura
El papel del LiDAR en los vehículos autónomos
- LiDAR (Light Detection and Ranging) es una tecnología que mide la distancia hasta objetos remotos usando láser infrarrojo
- Ya se ha utilizado en vegetación, cartografía urbana, restos arqueológicos ocultos, arquitectura y realidad aumentada, y en los vehículos autónomos cumple el papel de “ojos” que generan rápidamente una imagen 3D precisa del entorno
- Su principio básico es similar al del radar, pero al usar láseres de menor longitud de onda que las microondas puede generar imágenes más detalladas
- Ya se usa en los robotaxis autónomos de Waymo y Cruise, y se ha confirmado como una tecnología válida incluso para conducción autónoma de Nivel 4
- La mayor limitación es el costo
- Los domos LiDAR rotativos montados sobre el vehículo cuestan miles de dólares
- La fuente de luz, los detectores, la electrónica y las piezas mecánicas elevan el costo total
- Para una adopción amplia, el costo debe bajar al menos en un orden de magnitud
- En el sector LiDAR, más de 140 startups compiten para reducir costos y lograr la comercialización
Longitud de onda de operación: 905nm y 1550nm
- El LiDAR automotriz opera principalmente en la región infrarroja fuera del rango visible de 380~700nm, y las longitudes de onda más representativas son 905nm y 1550nm
- La elección de la longitud de onda depende de la potencia del láser, la sensibilidad del detector y el nivel de interferencia de luz natural y artificial
- La luz solar es una fuente fuerte de interferencia incluso en el infrarrojo, y la cantidad de luz solar que llega a la superficie terrestre en una longitud de onda específica se mide como solar photon flux
- Cerca de 905nm, 940nm y 1550nm hay zonas de atenuación por absorción de vapor de agua en la atmósfera superior, lo que ayuda a reducir la interferencia en sistemas terrestres
- Ese mismo efecto de absorción puede debilitar la señal LiDAR en carreteras con niebla o lluvia
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Ventajas y desventajas de 905nm
- 905nm está más cerca de la luz visible, por lo que aparecen al mismo tiempo problemas de seguridad ocular e interferencia
- Como se absorbe fácilmente en la retina, puede causar daño con exposición prolongada, así que debe cumplir normas estrictas de seguridad ocular
- Hay muchas fuentes de interferencia cercanas al visible, como la luz solar y los faros de los autos, lo que puede degradar el desempeño del sistema
- A cambio, en longitudes de onda más cortas la sensibilidad de los fotodetectores suele ser mayor, y las fuentes láser son más potentes y baratas
- Ouster adopta 850nm pese al alto solar photon flux
- visibilidad en condiciones húmedas
- desempeño de la fuente de luz y los detectores
- enfoque patentado para eliminar interferencia ambiental
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Ventajas y desventajas de 1550nm
- 1550nm tiene menor interferencia por radiación solar y, como la luz solo penetra hasta la córnea, presenta menos preocupación de seguridad ocular en términos de protección de la retina
- Su mayor seguridad ocular permite usar mayor potencia durante más tiempo y ofrecer un mayor alcance de detección
- Su desventaja es que la absorción por vapor de agua es mayor, lo que dificulta su uso en condiciones mojadas
Fotodetectores: APD, SPAD y SiPM
- El detector más común en LiDAR automotriz es el Avalanche Photodiode(APD)
- El APD es una unión semiconductora PN que aprovecha el efecto fotoeléctrico: al responder a los fotones incidentes genera pares electrón-hueco y produce una corriente proporcional al número de fotones
- Según el material del APD, cambian la respuesta en longitud de onda y el costo
- Silicon APD responde bien al NIR y tiene bajo costo de fabricación
- InGaAs es adecuado para longitudes de onda SWIR, pero es más caro
- Germanium también se usa como material para APD
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SPAD
- SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) no genera una señal analógica proporcional a la cantidad de luz como un APD convencional, sino una respuesta binaria cercana a la llegada del fotón
- Opera en Geiger-mode con una fuerte polarización inversa, y puede generar una gran corriente por avalanche breakdown incluso con un solo fotón
- Puede medir el tiempo de llegada del fotón con precisión de picosegundos, es decir, de una billonésima de segundo, lo que lo hace ventajoso para medición precisa de distancia
- Puede implementarse en procesos CMOS, lo que favorece la reducción de costos y permite integrar gran cantidad de procesamiento de señal junto al arreglo de detectores
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SiPM
- En la banda de 905nm, el Silicon Photomultiplier(SiPM) está reemplazando en buena medida al Silicon APD
- El SiPM es un arreglo de microceldas compuesto por SPAD y resistencias de quenching
- Al limitar por sí mismo el flujo de corriente de avalancha, ofrece alta ganancia fotoeléctrica y puede detectar con precisión el número de fotones incidentes según el nivel de corriente de salida
Métodos de medición de distancia: dToF y FMCW
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Direct Time-of-Flight
- dToF(Direct Time-of-Flight) consiste en emitir un pulso láser y medir el tiempo que tarda en regresar la señal reflejada
- El tiempo total desde la transmisión hasta la recepción es el round-trip delay, y el tiempo real hasta el objeto es la mitad de ese valor
- La distancia se calcula usando la velocidad de la luz en el medio de propagación
- La distancia mínima medible está limitada por la resolución de la electrónica de temporización
- En objetos cercanos, el retardo de ida y vuelta puede ser tan corto que el detector no logre distinguirlo
- Por eso la profundidad mínima suele quedar limitada a unos pocos centímetros
- La distancia máxima depende de la potencia de transmisión, la sensibilidad del detector y la pérdida de trayectoria en espacio libre
- Si la señal reflejada no puede distinguirse del ruido de fondo, no es posible interpretar la distancia
- El alcance máximo de los sistemas dToF comerciales es de 100~200m
- Hoy, la mayoría de los sistemas LiDAR usan dToF por su simplicidad
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iToF y AMCW
- Existe otro enfoque basado en tiempo distinto de dToF, que usa una señal de onda continua y detecta el cambio de fase de la onda reflejada
- Este método se conoce como iToF(indirect ToF) o, más específicamente, AMCW(Amplitude Modulated Continuous Wave)
- iToF es menos sensible al drift de temporización y más adecuado para mediciones a corta distancia
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FMCW
- El LiDAR FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) modula la longitud de onda o la frecuencia del pulso transmitido
- Es una tecnología existente desde la década de 1960 y un concepto ampliamente usado también en radar automotriz
- Cada conjunto de señales con modulación de frecuencia se llama chirp, y la señal reflejada tiene una diferencia de frecuencia instantánea respecto de la transmitida debido al retardo temporal
- Al hacer downconversion de esta beat frequency con un mixer, se puede calcular tanto la distancia como la velocidad del objeto
- Su implementación es más compleja que la de dToF
- Requiere una fuente láser sintonizable en frecuencia para la modulación
- Requiere electrónica adicional para extraer la información de las señales de transmisión y recepción
- También tiene ventajas claras
- Como la frecuencia cambia en cada instante, hay menor interferencia entre sistemas LiDAR cercanos
- Requiere menor potencia pico del láser que ToF, lo que influye en los criterios de seguridad ocular, sobre todo en 905nm
LiDAR mecánico y espejos MEMS
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LiDAR de escaneo rotativo
- El LiDAR mecánico monta un láser infrarrojo sobre un motor DC sin escobillas para hacer girar el sensor
- Ofrece un campo de visión horizontal de 360°, eliminando puntos ciegos, pero su campo de visión vertical está limitado a unos 90~95°
- El Laser Bear Honeycomb de Waymo es un ejemplo de LiDAR mecánico de escaneo y suele verse montado en la parte superior de los vehículos autónomos de la empresa
- El motor y los componentes de accionamiento de precisión elevan el costo de materiales y están sujetos a desgaste por uso repetido
- Por eso, los sistemas LiDAR de escaneo suelen ser voluminosos y costosos
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LiDAR con espejo MEMS
- El LiDAR con espejo MEMS no mueve directamente la fuente láser ni el sensor, sino que refleja el láser en un espejo microelectromecánico móvil
- Si el espejo MEMS oscila de ida y vuelta a velocidad constante, el LiDAR puede escanear el espacio 3D
- Los métodos de accionamiento se dividen en tres tipos
- accionamiento electrostático: usa solo campo eléctrico
- accionamiento electromagnético: usa campo eléctrico y magnético
- accionamiento térmico: usa calor
- El trade-off de diseño más importante está entre el peso del espejo y la velocidad de escaneo
- Los espejos pesados tienen menor velocidad de escaneo
- Los espejos MEMS 2D tienen un eje lento y un eje rápido, y realizan raster scan moviéndose rápidamente en una dirección
- En dirección vertical se mueven más lentamente para crear un cambio de posición estática que permita un nuevo escaneo rápido
- Los espejos MEMS pueden fabricarse con procesos back-end-of-line de fundiciones CMOS heredadas y se consideran una tecnología madura
- Esta característica los hace favorables para implementar LiDAR de escaneo a bajo costo
LiDAR de estado sólido: Flash y OPA
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Flash Lidar
- Flash lidar se parece más a tomar una foto: en lugar de escanear el espacio 3D, ilumina de una sola vez el espacio frontal
- Usa VCSEL como fuente láser, ilumina el espacio objetivo con luz difundida y luego detecta la señal reflejada con un arreglo SiPM
- Puede adquirir flashes LiDAR a velocidades de hasta 30 cuadros por segundo, ofreciendo renderizado 3D en tiempo real
- Tiene un campo de visión menor que el LiDAR mecánico rotativo, y su resolución está limitada, como en una cámara digital, por cuántos píxeles pueden colocarse en un área determinada
- Comparado con los sistemas de escaneo, tiene una relación señal-ruido menor
- La potencia óptica láser limitada debe repartirse entre todos los píxeles del arreglo
- El ruido de fondo ambiental en la misma longitud de onda del láser limita la sensibilidad de detección
- La relación señal-ruido es el factor limitante final del alcance de detección de Flash lidar
- En la literatura se reportan distancias máximas de detección de hasta 100m y resolución del orden de centímetros
- Algunas empresas adoptan un enfoque multi-beam
- Iluminan solo una parte del entorno donde el detector necesita buscar información
- Así pueden enviar mayor potencia óptica a un menor número de píxeles relevantes y aumentar la relación señal-ruido
- Se parece más a una combinación entre LiDAR de escaneo y Flash lidar
- Como no tiene partes móviles, ofrece alta confiabilidad del sistema, buena resistencia a vibraciones y alta velocidad de captura de datos
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Optical Phased Array Lidar
- El LiDAR OPA(Optical Phased Array) busca implementar LiDAR de escaneo sobre chip mediante silicon photonics y todavía está en etapa de investigación
- El concepto viene de las antenas phased array: ajustando la fase de cada señal del arreglo se escanea el haz radiado, y aquí se aplica una idea similar
- En OPA, el cambio de fase se implementa con guías de onda ópticas integradas o calentadores integrados
- Los calentadores hacen más lenta la luz mediante thermo-optic coupling
- Según el cambio de fase, se puede escanear la dirección del frente de onda radiado en el espacio 3D
- Sus ventajas son la alta velocidad de escaneo gracias al control electrónico y la eliminación de partes móviles
- El hecho de poder implementarlo de forma totalmente integrada sobre obleas de silicio de 300mm lo vuelve atractivo en costo y confiabilidad
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Retos técnicos de OPA
- Aplicar frecuencias ópticas a un phased array introduce desafíos propios
- Gestión térmica: debe disiparse de forma efectiva el calor generado por múltiples fuentes láser sobre el chip
- Espaciado entre elementos: en un phased array el espaciado debe ser de media longitud de onda, y con láseres de 1550nm cada fuente óptica tendría que colocarse a menos de 1 micrón
- Ángulo de escaneo: el haz de mejor calidad sale en el boresight, frente al arreglo, y si se desvía más de 60° desde el centro, los grating lobe degradan el ancho del haz
- Analog Photonics es una empresa surgida del MIT, fundada por el Prof. Michael Watts, y está impulsando la comercialización de tecnología OPA
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Como panorama general básico, es razonable.
Me sorprende que los escáneres rotativos todavía se usen. Ya pasaron 20 años desde que Velodyne los hizo por primera vez y funcionan bien, pero son demasiado caros. Pensé que el LiDAR flash o los espejos MEMS los reemplazarían; Continental compró una empresa líder de LiDAR flash hace más de 10 años, pero al final nunca surgió un mercado masivo lo bastante grande como para que lo necesitara un gran proveedor de autopartes.
Waymo sigue usando LiDAR rotativo incluso en los sensores pequeños de las esquinas del vehículo. Ahí se necesita menos medición de largo alcance, así que hace falta una alternativa barata e integrada en la carrocería. La ubicación es demasiado vulnerable. Tal vez algo como un radar de ondas milimétricas con arreglo en fase montado detrás de paneles de carrocería de fibra de vidrio podría funcionar. Waymo tendrá que resolver este problema antes de entrar en New York.
Puede que el LiDAR en el techo no sea un problema. Decir “tiene que desaparecer porque debe verse como un auto” es parecido a insistir en que los autos tengan la forma de carruajes tirados por caballos. Los primeros autos se parecían a carruajes, pero eso no duró mucho.
Una gran ventaja del LiDAR pulsado frente a los métodos de onda continua es que el problema de interferencia entre dispositivos iguales es mucho menor. El ciclo de trabajo es muy pequeño, y los datos de ida y vuelta de un pulso se recopilan en menos de 1 microsegundo. Si se agrega un poco de aleatoriedad al tiempo de los pulsos, desaparecen las colisiones consecutivas repetidas.
Los dispositivos antiguos de Velodyne eran vulnerables a daños si se dejaban encendidos continuamente dos de ellos uno al lado del otro. También escuché una propuesta para usar la hora de GPS en dispositivos similares y sincronizar la rotación de todos para que no apuntaran unos a otros, pero en la práctica no parecía ser un gran problema.
La mayoría de los LiDAR automotrices ya operan en una “zona con escasez de fotones”, con alrededor de 200 a 300 fotones por reflexión[0]. Si eso se distribuye sobre toda la escena, la relación señal-ruido cae rápidamente.
Por eso hay que usar 1550 nm, y en 1550 nm los arreglos grandes de detectores y los láseres de alta potencia son muy caros.
Ya pasó algo de tiempo con MEMS, pero recuerdo que había preocupaciones por el campo de visión/rango de ángulo de direccionamiento, la velocidad de direccionamiento y la potencia máxima del haz.
Mi amigo Jake, que trabaja con LiDAR, me contó que el tamaño de apertura también es un problema de MEMS. Si la apertura es pequeña, se recoge menos luz y baja la relación señal-ruido.
[0] https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/si...
Para entender por qué un láser rotativo tiene sentido, hay que saber algunas cosas sobre LiDAR.
Primero, cualquier dispositivo que emita luz en forma de cono sufre una disminución por ley del inverso del cuadrado. Si la distancia se duplica, la luz recibida por unidad de área cae a 1/4. Se ve con más claridad en fotos nocturnas con flash, pero también aplica al LiDAR. En autos, idealmente hay que detectar objetos a 100 m de distancia, así que iluminar un punto con láser es mucho más realista que iluminar todo.
Segundo, cualquier fuente de luz que se use debe ser segura para los ojos. El infrarrojo tiene ventajas de seguridad frente a la luz visible, pero incluso considerando esas ventajas, es muy difícil hacer que una fuente de luz sea segura si es lo bastante brillante para iluminar objetos a 100 m. Un láser de escaneo no permanece mucho tiempo en un mismo punto, por lo que puede usar una intensidad mayor de forma segura.
Tercero, cualquier fuente de luz tiene que competir con el sol. El sol puede estar bajo y encandilar directamente al sensor, y también iluminar el mismo objeto que se intenta detectar. Por eso no se puede compensar una fuente débil y la disminución por ley del inverso del cuadrado solo con procesamiento de señal ingenioso.
Por último, estos fabricantes de autos imaginan un futuro en el que todos los vehículos en la calle usen esta tecnología. Entonces también existe el riesgo de que las señales reflejadas de distintos vehículos interfieran entre sí. El LiDAR rotativo también puede ser vulnerable, pero el LiDAR flash lo es especialmente.
En cambio, las automotrices no le temen a las piezas móviles. Los autos ya tienen muchas piezas giratorias, y dominan bastante bien la tecnología para fabricar cosas que puedan girar continuamente durante miles de horas.
Las esquinas son la ubicación de montaje óptima para máxima visibilidad. Permiten que el auto, en la práctica, vea más allá de las esquinas de una forma imposible con sensores montados en el centro.
No entiendo por qué Waymo tendría que resolver esto antes de New York. ¿Por vandalismo?
Hace unos años hubo una “joya de LiDAR” interesante en Hacker News:
https://news.ycombinator.com/item?id=33554679
Es un algoritmo de detección de obstáculos con LiDAR de un repositorio Git filtrado en Tor.
Es un algoritmo de mapeo de áreas transitables encontrado en un repositorio Git que parece haber sido filtrado en 2017 desde una empresa de autos autónomos. El repositorio estuvo accesible durante varios años en uno o más servicios ocultos de Tor.
El código de LiDAR parece haber sido escrito para el Velodyne HDL-32E. Funciona en varias etapas, y cada etapa refina la salida de la anterior. Este algoritmo está en la segunda etapa, y los otros métodos solo agregan mejoras menores, así que es el principal método de detección de obstáculos.
El código filtrado usa una matriz en orden de columnas de puntos y maneja explícitamente los NaN, es decir, los puntos sin retorno. Lo reescribí con una disposición de matriz en orden de filas, mucho más eficiente para la caché, y usé una condición que ignora los puntos NaN sin una comprobación explícita.
Dada su simplicidad, es un método de detección de obstáculos sorprendentemente efectivo.
Es para un amigo que me pidió preguntar.
Trabajé en LiDAR FMCW automotriz que casi no llegó al mercado. Es una tecnología genial, pero era difícil reducir costos y escalarla, y en el mercado automotriz eso es muy importante. Es un mercado con márgenes muy bajos.
¿El LiDAR es peligroso para los ojos de otros conductores o peatones?
Esa clasificación se asigna según si es seguro acercar el ojo directamente durante mucho tiempo
“El superpoder especial del LiDAR es que puede generar imágenes de alta resolución del entorno mucho mejor que un radar.”
¿Eso es realmente cierto? El radar automotriz es fijo. Un LiDAR similar también sería fijo y supongo que tendría n puntos para n láseres.
Si fuera un radar rotatorio, podría ver el entorno con resolución continua, mientras que el LiDAR no estaría tomando muestras?
Yo pensaba que la ventaja del LiDAR estaba en una mayor precisión y una mejor medición de la altura de los objetos, y que el radar aplana el campo de visión
Es una tecnología genial que Musk odia
1: https://www.youtube.com/watch?v=d6RndtrwJKE&t=1119s
Hay una razón por la que no existe algo similar en la naturaleza
¿Existe algún dispositivo LiDAR que pueda llevar a casa para escanearla con mayor resolución que un iPhone?
En el mercado de consumo, la fotogrametría es mucho más barata, por lo que suele preferirse si no necesitas una precisión definida con un alto nivel de detalle. El LiDAR actualmente encaja mejor en contextos industriales/profesionales porque ofrece mayor precisión. La gran pregunta abierta es si el LiDAR podrá bajar a un nivel de consumo de menor costo, y es básicamente el mismo problema que en los autos
Esa “tumba” parecía aproximadamente del tamaño y la forma de una persona; el terreno estaba hundido, con la parte más profunda en el centro, y estaba rodeada de piedras un poco más grandes que una toronja.
La razón por la que sospecho que era una tumba es que una vez vi algo muy parecido en un sitio histórico llamado Mercur cemetery, en el condado de Tooele, Utah.
¿Podría el LiDAR probar o refutar mi hipótesis de la tumba?
Artículo relacionado: https://www.viksnewsletter.com/p/teslas-big-bet-cameras-over...
Parece estar a un nivel similar al de Tesla, pero Waymo no parece considerarlo suficiente.
[1] https://www.forbes.com/sites/bradtempleton/2024/10/30/waymo-...
[2] https://arxiv.org/pdf/2410.23262
¿Por qué el LiDAR es tan caro? Todavía necesita miniaturizarse. Aun así, como hay suficiente esfuerzo de ingeniería, parece un problema que el tiempo resolverá
Con un puntero láser de consumo también se puede dejar ciego a un LiDAR; me pregunto si hay sistemas para evitar ataques adversarios o ataques de denegación de servicio
Si alguien empieza a atacar físicamente un sistema de seguridad, creo que recibiría una pena de prisión bastante larga
Hace años, cuando trabajaba como ingeniero de investigación en una universidad, llegué a manipular un Velodyne de 16 haces en la época en que era equipo de alta gama
El día de la demostración lo montamos en un auto, dibujaba puntos en 3D y marcaba los obstáculos en rojo, pero al atardecer aparecieron artefactos que no había una forma clara de filtrar
Curiosamente, no pudimos volver a reproducir ese fenómeno. Parece que se debió a condiciones atmosféricas específicas