火辣西米秀

  • 2024-07-16
  • 发表了主题帖: ADAS-Lidar|索尼车载IMX459激光雷达芯片解析

    我们将基于Sony首款车载激光雷达SPAD芯片IMX459在IEEE发表的论文,为大家介绍IMX459芯片以及基于该芯片的Lidar Demo的基本框架。 索尼官网对IMX459的介绍链接:SPAD Depth Sensor for Automotive LiDAR Applications Demo 3D点云图像:     IMX459点云图像 1. Introduction 目前,LiDAR(Light Detection And Ranging)传感器在自动驾驶以及高阶辅助驾驶应用中有了极大地发展,它们被用于高精度测距、重建物体外形以及道路识别等各种应用。 无论白天黑夜, 这些Lidar传感器在不损失精度的前提下可以获取极好的测量效果。过去的时间里,基于时间相关单光子计数TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)以及数字信号处理器DSP(Digital Single Processing)已经实现了100m范围的ToF测距Sensor。背景噪声去除技术已经被用于提高传感器的信噪比SNR,物体的检测距离可以达到6Km。 基于单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)架构实现了每个pixel级别的直方图统计、时间数字转换以及信号处理。一些ToF已经可以达到较高的分辨率,如1200x900像素。随着使用2D-SPAD阵列实现的高精度固态激光雷达的迫切需求,我们提出了一个SPAD直接飞行时间(dToF)深度传感器,以实现300m远距离距离测量并且满足了在-40~125℃下的自动驾驶器件等级。     dToF 这个基于微机电系统(MEMS)的SPAD激光雷达可以实现在10%反射率的情况下实现150m的距离测量,精度为0.1%,在反射率为95%的情况下,可以实现200m的目标距离测量,精度为0.1%。 本文提出了背照-堆叠式的SPAD dToF深度传感器,在传感器上部署了无源抑制和再充电(PQR)前端电路、TCSPC和片上DSP。在自然光为117klux的条件下,这个基于微机电系统的SPAD Lidar测量范围可达200m,分辨率为168*63,帧率为20fps。 2 Lidar Demo系统架构 Lidar传感器基于微机电系统SPAD Lidar的概念,整体系统细节如下所示:     Lidar System Arch 雷达系统主要由三部分组成: 一个脉冲激光发射器 MEMS微振镜 SPAD dToF传感器 激光发射器的激光波段为905nm,4.5n是的激光脉冲,峰值输出功率可达45W。在1D扫描的方式下,MEMS微振镜被用于引导激光束。 基于MEMS的SPAD扫描激光雷达dToF深度传感器可以达到25.2°×9.45°视场FOV,角度分辨率为0.15°,最远测量距离为300米。在这种方法中,MEMS反射镜振荡而激光垂直扫描。垂直ToF宏像素的SPAD阵列(MP)用相同的激光脉冲并行扫描所有63个垂直ToF MP,同时192个ToF宏块中的一个用于168个水平活动ToF MP。扫描速度非常高,导致以20帧/s的速度进行168×63MP的全扫描。 备注:Sensor全分辨率189x600, 3x3bining,最后分辨率63x200,最终active区域分辨率为63x192(猜测边缘8个应该是用于测环境光or单纯作为padding像素)   3 dToF芯片架构 3.1 芯片SPAD阵列 芯片架构包含189x600的SPAD阵列,包括行列驱动器、置信度检测电路CDCS,TDCS以及DSP等,如下图所示:     Sensor Arch 该传感器由垂直方向189个SPAD的光接收区和水平方向上的600个SPAD组成。可选3×3 SPAD或6×6 SPAD的配置构成一个宏像素,宏像素是芯片的最小分辨率单位。 信号处理流程从CDCs到直方图采集(ACQ)、回波分析(EA)和峰值检测(PD),每个检测相位包括两组电路。每个电路在500MHz时钟的相反相位上处理信号,即时钟上升以及下降沿均处理信号,从而在每次测量中实现1GHz的有效采样率每隔一个阶段发生一次。ACQ之后,对两相的数据进行交替地积分,然后以250MHz单相的处理数据。 3.2 输出模式 芯片共有三种输出模式: 直方图模式:可以测量距离范围内的直方图数据 回波模式:最多5个回波的直方图数据 测距模式:最多5个回波的多回波分析信息数据 芯片的上采样使用FIR滤波器,可以将精度提高到7.5厘米。 传感器有两种操作模式: 线性:active 区域是固定的 阵列模式:每个位置选择行进行读出 3.3 工作时序 此传感器的同步时序由同步信号F_SYNC、S_SYNC、PRE_TRG和TRG_I等控制。同步信号时序如下图所示:     同步时序 F_SYNC为50ms周期,分为S_ SYNC 63个时隙,每个时隙761.60μs。S_SYNC 63时隙用于生成63个ToF图像的垂直扫描的时段。在当前是环境背景光下,ACQ定时信号PRE_TRG被输入到该传感器,并且带有BG光的ACQ数据会被输出。采集的BG光的平均值和方差值输出给每个像素作为输出格式中的共同模式信息。这种共同模式被用于作为减去直方图ACQ中的BG光分量的值(本质就是背景光)。 3.3 芯片架构 高分辨率SPAD dTOF深度传感器的框图如下图所示:     PQR Circle PQR前端电路由专用列和行控制驱动电路组成,物体反射的激光脉冲由光学器件聚焦并通过SPAD阵列进行检测。接收到的光子信号通过阴极高速放大。PQR前端电路中完成高速的模数转换,最后数据被TDC输出。 在数据读出器件时,来自列SPAD的信号在水平方向上按照81b对齐。最后,列移位器在200个宏像素中选择192个进行读取。在室温下,使用PQR读出电路,死区时间可以缩减为6ns。   4 芯片性能 4.1 基本SPEC&工艺 芯片的基本参数如下所示:     基本参数 芯片使用堆叠式工艺,顶部芯片使用90nm的背照式工艺实现,完成基于CMOS的SPAD。底部芯片使用40nm 1AI-10cu工艺,负责完成SPAD的信号逻辑处理。整个pixel数量为100000个SPAD像素(189(H)x600(V)),包含没有使用的SPAD。最终整个芯片die如下所示:     芯片工艺 SPAD的像素尺寸为10um,每个像素包含一个微透镜。在波长为905nm的光源下,SPAD的峰值光子检测效率(PDE)可以达到22%。在-40℃的条件下,PDE缩减14%,如下图所示:     波长温度-PDE 关键性能如下: 测量死区时间为6ns; DCR背景计数时间计数在60℃和125℃的情况下,分别为2kcps以及600kcps; 在200μW/cm^2的光强下,60Mcps即可达到饱和; 在117klux的光照下,可探测95%反射率的物体,芯片测量距离可达200m,精度30cm; 4.2 Demo效果 下图显示了基于MEMS的SPAD LiDAR测量的3D点云,俯视投影、强度图像、BG光源图像和2D深度图像。     Demo 行人、汽车、路缘石、树木和建筑物等各种物体都可以通过SPAD dToF深度传感器检测到。同时传感器提供有效的检测距离范围为0到300m。 下图显示了在对于117klux阳光条件下,激光雷达系统对于10%反射率目标在0至150米处的测量结果:     测量精度 这表明在117klux阳光下,95%反射率目标在150至200米处距离测量误差在150m处精度<15cm,在200m处精度<30cm。 4.3 其他工作对比 与最近发布的最先进技术进行比较,设备和激光雷达系统对比如下:     其它工作对比 传感器捕获的189x600 SPAD的背景光图像如下所示:     背景光图像 5 结束语 介绍了Sony的基于SPAD dToF芯片论文,讲解了芯片基本架构、性能指标等,可以帮助大家更加深入的了解车载激光雷达,对大家有所帮助。

  • 2024-07-14
  • 发表了主题帖: 自动驾驶中基于激光雷达的车辆道路和人行道实时检测

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-15 08:43 编辑 摘要   在自动驾驶领域,城市场景中的道路和人行道检测是一项具有挑战性的任务,传统的可行驶空间和地面滤波算法对较小的高度差不够敏感,基于摄像头或传感器融合的解决方案被广泛用于将可行驶道路与人行道或路面区检测区分出来,激光雷达传感器包含可以进行特征提取的所有必要信息,因此,本文主要研究基于激光雷达的特征提取,对于道路和人行道检测,本文提出了一种实时(20Hz+)解决方案,此解决方案也可用于局部路径规划,人行道边缘检测是三种并行算法的结合,为了验证结果,我们使用了事实上的标准基准数据集KITTI和我们的自采数据集,并将代码在GitHub中开源:     主要内容   本文的解决方案使用三种不同的方法查找人行道,值得一提的是,输出不仅包括道路和分隔区的点云,还包括易于处理的简化向量,此输出对于其他算法比如路径规划是非常有用的,因为它是道路的更简洁表达。作为城市道路和人行道环境的模型,可以想象一个扭曲的平坦地图和一个略微不平的人行道(见图1),从鸟瞰的角度来看,道路和人行道可以有多种形式,上述特性和简化的数据如图1所示,假设激光雷达传感器位于路面上方,城市道路和人行道环境的模型如图1所示,道路是绿色的,人行道是红色的。        图1,该图显示了问题所在,道路是绿色的,人行道是红色的,两个通道测量值显示为虚线,此外,还显示了一些人工制品,如下水道和其他不平整性   提出的的解决方案是已经公布了源代码,称为urban_road_filter,(期待做自动驾驶领域的小伙伴与我交流)该解决方案的输入是一个普通的激光雷达数据流,没有摄像头或任何额外的传感器数据,输出是道路和人行道的三维体素点云以及道路的二维多边形描述,该解决方案包括三种人行道检测方法(星形搜索方法、X-zero和Y-zero方法)、道路检测方法和基于二维多边形的道路提取。   人行道检测   人行道边缘的检测方法是星形搜索、X-zero和Z-zero方法的组合,所有方法都有相同的目的,但它们的工作原理不同,最终的结果是这些方法输出的逻辑结果,值得注意的是,上述方法以并行方式运行,假阳性路沿点可能出现在实际路缘后面,路沿点是路缘和道路之间的边界体素,假阳性路沿点在路沿后面创建,例如,由于来自各种瑕疵的体素的类似3D特征,例如,工件可以是一个公共长凳,它从人行道上突出,就像路沿从道路上突出一样,这会导致错误识别,最终多边形是在道路和第一个路沿点之间创建的,这意味着以后的路沿点不会影响最终结果,这种现象不会对方法产生负面影响,因为假阳性体素永远不会出现在路面上。  星形搜索法  该方法将点云划分为矩形段,这些形状的组合像一颗星;这就是名字的来源,从每个路段提取可能的人行道起点,其中创建的算法对基于Z坐标的高度变化不敏感,这意味着在实践中,即使当激光雷达相对于路面平面倾斜时,该算法也会表现良好,在柱坐标系中处理点云(参见图2)        图2,星形搜索方法,圆形布局的长矩形(框)表示从原始激光雷达点云中切出的部分,在放大图像的右侧,红色圆点是人行道的起点。   图3 表示扫描点云的剪切框(长方体),长方体的顶点由8个点P1,2,3表示;2,4 它的方向和位置随着增量旋转和平移而迭代变化,更准确地说,对于每个bk和k=1,nk旋转时,长方体沿D方向平移ni个连续增量。为了更容易理解所提出的算法,图3展示了图4中使用的对称平面π,图4显示了切割盒的侧视图。        图3,从扫描点云上切下的单个矩形示意图        图4,图中关于点云分离过程和框框选择点参数的侧视图        X-Zero方法   X-zero和Z-zero方法可以找到避开测量的X和Z分量的人行道,X-zero和Z-zero方法都考虑了体素的通道数,因此激光雷达必须与路面平面不平行,这是上述两种算法以及整个城市道路滤波方法的已知局限性。X-zero方法去除了X方向的值,使用柱坐标代替,见图6,该方法通过环(通道)使用迭代,并在体素上定义三角形。        图6,X-zero法,圆柱坐标系,单通道(环)        图7,X-zero方法,体素三角形可视化   Z-Zero方法   Z-Zero方法的主要区别在于基于滑动窗口的方法(默认情况下为5+5体素)将角度计算为矢量方向。具体步骤不再这里展开了。   基于二维多边形的道路表示   随着人行道的检测,我们的算法还提供了一个多边形,即检测到的道路的矢量输出,这将在道路体素和路沿体素之间创建,该输出可直接用于路径规划,该算法区分了两类道路边界:人行道,包括障碍物包围的边界(图8上用红色条纹标记)        图8展示二维多边形道路的示例场景,算法中没有涉及左侧图像,它只是帮助更好地理解场景的前半部分   参数设置   有几个参数可用于微调解决方案,尽管即使是默认值也会产生足够的结果,下面介绍表1中列出的参数。一个重要参数是激光雷达主题及其帧名称,重要的是要知道,该算法同时适用于多种方法,可以使用多个参数设置检查区域的大小,感兴趣区域(ROI)可以通过x_方向参数以及最小和最大x、y和z参数进行设置。x_方向参数可能有三个不同的值:负值、正值和两者,指示感兴趣区域是在x轴上激光雷达的后面、前面还是双向相关。        实验   为了评估所提出的方法,进行了广泛的实时数据的分析和实验。在图9中,显示了三幅图像,以更直观地解释我们的结果,第一幅图像显示具有绿色体素的道路和具有红色体素的人行道,尽管假阳性人行道点云是可见的,但它们不会影响整体性能,在20 Hz和30 km/h速度下收集结果,此外,精确的RTK GPS位置与激光雷达数据相关联,以获得更易于理解的结果,图9中的第二幅图像显示了无人机图像和我们的结果的叠加,而第三幅图像仅显示了从上方看的试验场。        图9,左侧图为实验结果:道路(绿色)和人行道(红色)。中间图显示测量和无人机图像的混合,右侧,只有无人机图像可视化结果        图10,该方法的车内试验,在(左侧)显示摄像头信息,在(右侧),在突出显示道路(绿色)和人行道(红色)的位置可以看到激光雷达3D数据。体素比例基于激光雷达强度   总结   本文介绍了一种新的道路和人行道检测方法,人行道路沿检测是3D体素中引入的星形搜索、X-zero和Z-zero方法的组合方法,此外,该方法还提供了多边形输出,可直接用于局部轨迹规划,通过广泛的实时现场测试和先前测量和公共数据集的离线分析对该方法进行了评估,我们将我们的解决方案的结果与以前的结果进行了比较,这个解决方案有局限性,X-zero和Z-zero算法都要求激光雷达相对于路面处于平行位置,虽然这是一种常见的传感器设置,并且我们的车辆是以这种方式配备的,但在一些值得注特殊的情况下,建议以不同的方式进行设置。并且我们的解决方案不适用于此固态传感器配置,这种被称为固态技术的新型激光雷达正在科学界引起更高的兴趣,尽管这些传感器尚未完全商业化,但它们具有更高的使用寿命和低功耗,它们生成结构化的三维信息,但组织方式不同,作为进一步的限制了算法的发挥,故所提出的方法不支持来自固态技术的3D数据。  

  • 2024-07-12
  • 发表了主题帖: 把汽车激光雷达装在车灯里面

    光学类器件在硬件层面,整车企业其实是需要考虑车辆外观设计、系统结构、空间等多方面的限制,所以我们看到目前车的前脸上,有激光雷达、毫米波雷达等多种部件,把不同传感器集成在一起,如果还能集中在原本可以放光学部件的地方——受到很好保护的车灯里面,这个事情就很有价值了。     图1 Fraunhofer的概念设计       图2 从逻辑来看,Tier1的硬件整合,使得灯和Lidar之间的合作会更深入   Part 1:XenomatiX和Marelli的光学整合   这两家公司虽然都是主营光学产品的,但不是同一个细分领域(感知和照明)——其中XenomatiX是提供固态激光雷达解决方案的公司,其设计和构建的产品(包括软件)能够实现精确的实时4D-6D数字化,有助于了解车辆周围环境;Marelli公司的产品组合包括激光、LED矩阵、数字前照灯和OLED尾灯等产品。之前Marelli与XenomatiX达成协议,将激光雷达与汽车照明融合在一起,这种合作是典型的共同探索“异构”整合。     图3 Marelli 展示的Smart Corner™   从整体来看,目前对于车身布置工程师来说,需要在汽车上大量安装的更多传感器,包括激光雷达等,而这些结构造成了不必要的突出造型和处理车身结构部件的空间限制,对于“让车辆做得好看”的造型方面产生了重大的集成挑战。还有一个非常重要的问题,这些光学类部件基本都不耐清洁,对于lidar和radar都需要应对各种天气和车辆使用状态,因此配合灯光系统原有的清洗和诊断,就可能成为一个新的路径—— 将传感器集成到照明元件和系统中,利用车企原有对于车灯系统的位置和优先考虑,这些都可以为将来大量的传感元件提供畅通无阻的视野。 集成了摄像头以后,通过软件算法可以根据检测的图像来判断是否受到泥浆、散射光(雾)、外部光源的污染。而底层的程序,可以在集成总成里面固化一些确定的污垢检测与高效清洁的基础算法。   Part 2:Fraunhofer的Multispectral Headlamp   在Fraunhofer的基础研究中,不光是对整体的灯光系统进行设计,也可以通过多光谱 CMOS 视觉传感器 (MFOS) 的集成,来对关键环境参数(雾、雨等)进行检测。       图4 Fraunhofer的liadr、LED和radar的集成化感知和光路概念设计   目前来看,车企尝试把激光雷达放在了各个位置,包括B柱的顶部或底部、后窗后面、侧视镜中、车顶下的传感器条中、转向指示灯中。激光雷达从之前的“大个子”不断小型化——更小的尺寸是易于集成的基础,通过不同的位置,可以有效的把各个整车需要感知的FOV(视场角)覆盖全,类似于谷歌做的360度的机械式激光雷达那样。       图5 整合的思路   小结:   激光雷达将会在今后相当长一段时间里面,在自动驾驶辅助系统里面起到关键的作用,车企如何有效的布置FOV也成了不同车型的难点。用同样数量或更少的传感器做更多的事情,这是特斯拉走纯视觉的思路。随着激光雷达不断提升的技术能力,能有效清晰的探测整个场景而不受距离或功率的限制;同时采用灵活的模块化设计,提供不同视野、不同范围、不同分辨率和帧速率,关键还是在半导体的激光源及探测器的技术发展,整个集成确实是硬件的加法。汽车技术的革新能力在器件和软件层面,Tier 1我相信是越来越集中,越来越讲究深度的知识,比如光学领域的融合。   图|网络及相关截图   作者简介:朱玉龙,资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,著有《汽车电子硬件设计》。

  • 2024-07-11
  • 发表了主题帖: 智能网联汽车激光雷达工作原理、性能比较与安全性分析

    摘要   近年来,激光雷达被用于导航领域,如机器人、无人机和智能车的自动驾驶(包括辅助驾驶等不同级别)。市场上激光雷达的种类多样,测量原理和工作特性差异较大,通过对车载激光雷达各种测量原理和技术特性进行梳理比较,并对每种方案进行相应的分析评价,同时分析了其安全性,为激光雷达选型应用提供指导意见。   关键词   激光雷达;工作原理;传感器性能;智能网联汽车;安全性分析   内容目录   0 引言   1 激光雷达的分类 2 激光雷达的测量原理 2.1 飞行时间法 2.2 连续波强度调制法(相位测距) 2.3 连续波频率调制法 3 激光雷达关键部件选型及性能分析 3.1 光源 3.2 扫描部件 3.2.1机械旋转式激光雷达 3.2.2微机电系统激光雷达 3.2.3快闪激光雷达 3.2.4光学相控阵激光雷达 3.3探测器 4 激光雷达安全性分析 5 结语 0 引言   激光雷达是一种可以用于精确测量周围环境的三维位置信息的传感器。一般由光学发射部件、光电接收部件、运动部件和信号处理模块等组成。其工作原理是向指定区域发射探测信号(激光束),经过目标物反射后,收集反射回来的信号,与发射信号进行处理比较,即可获得待测区域环境和目标物体的有关空间信息,如目标距离、方位角、尺寸、移动速度等参数,从而实现对特定区域的环境和目标进行探测、追踪和识别。 相比于摄像头、毫米波雷达等其他类型传感器,激光雷达可以实现3D成像,获取精确的位置信息。激光雷达主动光学部件夜间仍可工作。激光雷达也有局限,如在雨雪、雾霾天气会影响测量精度,用于自动驾驶难以分辨交通标志和红绿灯颜色,此外,成本高也是限制其大规模商业化的一个限制因素。 1 激光雷达的分类   习惯上,激光雷达可以按照测量原理或者是否含有运动部件进行分类,如图1所示。按照测量原理分类,可以分为飞行时间法和外差干涉方法,飞行时间法又可以分为脉冲调制和强度调制两种方式。如果按照激光雷达的运动部件特性来分类,可以分为机械旋转式、混合固态以及固态。机械旋转式和混合固态激光雷达已经较为普及,固态激光雷达作为新兴方向也越来越多地受到市场关注。     图1   激光雷达的分类   2 激光雷达的测量原理 2.1 飞行时间法 飞行时间法(Time of flight, ToF)的原理如图2所示,激光器连续发射光脉冲,经过障碍物反射后,用探测器收集反射光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。利用ToF测距法有一点需要特别注意,就是发射激光器和光电接受器必须始终保持时间同步。     图2   飞行时间法(ToF)测距 2.2 连续波强度调制法(相位测距)     图3   相位测距法 与2.1节中ToF利用飞行时间差来测距不同,相位测距是通过测量相位差来计算距离,如图3所示。前面提到,由于光速太快,想要精确测量Δt是一件非常困难的事。通过对光源进行调制,去检测调制信号经过待测物体的反射后的相位变化,进而得到待测物的距离d,降低了测量难度。     式(4)中∆φ是探测信号与发射信号的相位差,f为调制频率。调制频率决定了测距范围和精度。调制频率越高,测量精度越高,测量范围越小。100m距离测量一般调制频率选在MHz量级。 2.3 连续波频率调制法 连续波频率调制法(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)使用三角波进行调制,利用相干光学检测方法,在频域进行信号的探测处理。该方法具有很多优势,如对背景光噪声不敏感,不需要复杂的高频电子检测部件等,此方法越来越受到行业的重视。 如图4所示,激光经过三角波调制后,调制频率分为两个光路,一路照射在被测物体上,经过反射回到探测器,记作;另一路直接送到探测器,记作。两束光在探测器产生干涉,利用探测器接收干涉后的信号。 根据光学相干理论,探测器位置处的干涉信号为:     将检测到的干涉信号进行高通滤波,保留交流信号,通过测量交流信号的振幅和频率可以得到两束光的频率差。由于调制频率在一个周期内是线性变化的,根据∆f可得飞行时间∆t,进而得到传输距离d。     图4   连续波频率调制法测距 3 激光雷达关键部件选型及性能分析 激光雷达的关键部件包含光源、扫描部件、探测器三大部分。每个部件的选型都需要遵从一些指导原则,如图5所示。本节将对各部件选型依据进行剖析。     图5   激光雷达系统主要部件选型依据 3.1 光源   光源的选择主要考虑以下几个因素:首先,光源需要具有很好的单色性并且单脉冲下具有较高的能量峰值,这样反射的信号更容易被探测到,有利于增加探测准确性。其次,车载激光雷达在日常使用中,需要保证对人眼的安全性,所以要尽量避开400-700nm的可见光波段。就是要考虑激光器的制造成本和光波的吸收问题,如图6所示是红外在水中的吸收光谱,横坐标是红外波长,纵坐标是水的吸收因子。结合近红外波段的激光器制造技术成熟度和成本因素,当前市场上激光雷达产品主要是采用1550nm和905nm两个波长。两种红外光源的选型比较如表1所示。如Velodyne、速腾聚创、禾赛大部分都是采用905nm波长,此外也有部分企业使用1550nm波长作为光源。   图 6   水的红外吸收光谱   3.2 扫描部件 3.2.1 机械旋转式激光雷达 机械旋转式激光雷达技术成熟度较高,出现时间也相对较早。但机械旋转式激光雷达包含高精度旋转部件,系统结构比较复杂,导致价格也较为昂贵。由于硬件成本高,旋转部件和激光束的安装调校不容易自动化和规模化,导致量产困难,雷达的使用寿命也有待提升,所以目前固态激光雷达成为很多公司的发展方向。     图7   机械激光雷达工作示意图 机械激光雷达的测量效果取决于激光的线数。以32线激光雷达为例,如图7所示,在一个竖直面内,不同角度分布着32个发射光束。扫描时,竖直面内的激光束顺序点亮,同时测量该光束对应的反射信号。当完成一个竖直面内的32路光信号的检测后,激光雷达在水平面旋转一个角度,在新的竖直面内再次完成32路反射光的测量。这样水平旋转一周后,就得到了激光雷达在3D空间内的点云分布。 3.2.2 微机电系统激光雷达 基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS),激光雷达的光学系统通过很小的反射镜微转动就能将激光束反射向不同方向。由于反射镜很小,而且需要转动的角度也很小,通过微能源驱动就可以实现镜片和反射光束的快速移动,在极短的时间内完成一条线或者一个阵列的扫描。 MEMS激光雷达的一大优势是去掉了传统机械雷达的旋转部件,可以有效减少旋转带来的部件损耗,延长激光雷达的工作寿命。振镜的驱动可以使用电驱动或者磁驱动的方式,如图8所示,结合电驱动和磁驱动,带动镜片下方两个轴的旋转,可以实现在两个维度上的2D扫描。 3.2.3 快闪激光雷达 快闪(Flash)激光雷达与摄像头工作模式相似,激光束会直接向各个方向漫射,漫射的激光束照射到目标区域的障碍物上反射,再利用感光元件阵列采集反射回来的激光束。Flash激光雷达的一大优势是它能快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的测量误差。不过,这种方式也有它的缺陷:感光元件阵列的像素越大,要处理的信号数据就越多,对处理期间提出了很高的要求。同时,由于激光束是同时向多个方向漫射,导致能量分散,Flash激光雷达的探测距离通常比较小。 Flash激光雷达的优点是全固态方案,没有移动部件,发射端方案成熟,成本较低,容易过车规。缺点是采用单脉冲测量,单脉冲需要较高的能量,峰值功率较高,闪光能量可能伤害人眼。 3.2.4 光学相控阵激光雷达 与微波相控阵雷达原理类似,光学相控阵(Optical Phase Array,OPA)固态雷达原理是通过调控初始相位,让多束光干涉叠加,如图9所示。有的方向光场彼此增强,有的方向光场相互抵消。采用多个光源组成阵列,通过控制各光源发射的时间差,可以合成角度灵活、精密可控的主光束。     图9   OPA 光学相控阵雷达原理 OPA激光雷达的优点是没有任何机械部件,结构相对简单,精度高,体积小,成本低。缺点是在主光束以外会形成“旁瓣”,产生能量分散,一般阵列单元尺寸小于500nm,对加工精度要求高,扫描角度有限,接收端方案薄弱,接收面大,信噪比差。 如表2所示是几种激光雷达在测量范围、可靠性、成本、尺寸几个维度的对比。   3.3 探测器 探测器选择主要考虑以下因素:高灵敏度、高增益、低抖动、低电子噪声。探测器的抖动会直接影响距离测量精度。由于激光束打在远处物体后经过漫反射回到探测器的信号非常弱,通常选择灵敏度较高的雪崩管探测器或光电倍增管作为激光雷达的探测器。 4 激光雷达安全性分析 当前,随着互联网与传统产业融合进程的加快,全球车联网产业已进入高速发展阶段。据估计,智能网联汽车将从2018年起迎来20年左右的高速发展期。到2035年,智能网联汽车将占据25%的新车市场,年销量超过3000万辆。车载激光雷达作为智能网联汽车的传感器部件之一,有着难以取代的地位。 然而,车载激光雷达却暴露出一定的安全隐患。2019年7月,来自密歇根大学、百度研究院以及伊利诺伊大学香槟分校的研究人员提出了一种基于梯度的LiDAR-Adv方法生成对抗样本,可以干扰激光雷达点云,实现“欺骗”激光雷达检测系统的对抗方法。如图10所示,基于激光雷达的检测系统可以检测到普通的箱子,却无法识别LiDAR-Adv生成的对抗样本。   图10   LiDAR-Adv概览 该研究披露了激光雷达自动驾驶检测系统的潜在漏洞,为基于激光雷达的自动驾驶方案埋下了安全隐患,如何提高识别的准确性仍是智能网联汽车激光雷达面临的重要挑战之一。 5   结语   整体而言,当今车载激光雷达产业化普及面临的两大瓶颈是高成本和通过车规级检验。成本限制了商用普及速度,而车规的严苛条件对激光雷达本身的光学精密性也提出了挑战。目前市场上各种类型的激光雷达百花齐放,尚没有一种技术方案能垄断市场。OPA技术是大家认可的未来趋势,但是现阶段技术瓶颈较***部分处于预研究阶段。2020年的CES大会上,多家企业宣布了固态激光雷达方案,市场价格也较2019年有了很大幅的下降。预计固态激光雷达在接下来的几年中将扮演越来越重要的角色,而其安全性也将成为备受关注的焦点之一。   武晓宇,张晓,王伟忠.智能网联汽车激光雷达工作原理、性能比较与安全性分析[J].信息安全与通信保密,2020(9):92-98.

  • 2024-07-10
  • 发表了主题帖: 车载激光雷达

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-10 16:37 编辑 导读   激光雷达作为L3及以上级别智能驾驶的核心传感器,同时也属于汽车智能化领域价值量较大的增量产品。   文章分为五部分,从激光雷达市场情况展开,重点分析激光雷达系统层、零部件层,分析产业链环节现状及机会;最后分析降本路径、发展趋势。   目录 一、 激光雷达市场情况 二、 激光雷达系统层分析 三、 激光雷达零部件层分析 四、 激光雷达降本路径分析 五、 激光雷达发展趋势     一 激光雷达市场情况 (一)激光雷达上车必要性 从技术方案角度来看,激光雷达属于推进智能驾驶到 L3级及以上的核心传感器。 摄像头在逆光或光影复杂的情况下视觉效果较差,毫米波雷达对静态物体识别效果差,超声波雷达测量距离有限且易受恶劣天气的影响,因此单独依靠摄像头或毫米波雷达的方案去实现智能驾驶是存在缺陷的,而激光雷达可探测多数物体(含静态物体)、探测距离相对更长( 0-300 米)、精度高(5cm),且可构建环境 3D 模型、实时性好,是智能驾驶 L3级及以上的核心传感器。 • 摄像头:属于被动器件。优点是分辨率高、可以探测到物体的质地与颜色,采集信息丰富;缺点主要是摄像头受光照、环境影响十分大,在黑夜、雨雪、大雾等能见度较低的情况下,识别率大幅降低,且由于缺乏深度信息、较难实现3D建模(双目可以实现模糊的3D图像,但无法应用于自动驾驶)。因此摄像头获取的图像信息将主要负责交通标志识别等领域。 • 毫米波雷达:属于主动器件。优点是属于全天候雷达,不受恶劣天气影响,可以探测物体的距离和速度;缺点是对横向目标敏感度低、对小物体检测效果不佳。在智能驾驶L2级别已广泛应用。 • 超声波雷达:属于主动器件。优点是测距原理简单,成本低,制作方便,短距离测量中具有优势,探测范围在 0-3 米之间;缺点是传输速度受天气影响较大,不能精确测距。主要用于泊车系统、辅助刹车等。 技术脉络上呈现多传感器融合趋势。各种传感器原理和功能各不相同,在不同场景里发挥各自的优势,难以互相替代。随着智能驾驶从L2 到 L3 级及以上不断推进,激光雷达凭借其精度高、探测距离长、可 3D 环境建模的特性,重要性越发凸显。 MEMS、转镜方案基本过车规,限制其大规模应用主要是成本。当前单颗前向激光雷达成本基本需要5000元。而车企对L3智能驾驶单车整套激光雷达系统(前雷达+角雷达)成本包容度基本在1万元左右。 (二)激光雷达上车情况 1、分品牌看,新势力主打智能驾驶,激光雷达上车进展最快,自主品牌对智能驾驶的布局节奏快于合资、外资品牌。 2、在车型价格上,新势力和自主品牌搭载激光雷达的电动智能车型的价格带位于 15-40 万元之间,相比之下外资品牌丰田 Mirai、奔驰 S 级等车型的起售价均在 50 万元以上。 3、单车搭载激光雷达数量逐步增加至4颗   激光雷达数量亦与采取的技术路线相关,如MEMS方案,有的视场角小,前向就需装载2个;有的装上较便宜的侧向补盲雷达。但总体上,车企对单车激光雷达总体成本在1万元以下。  4、激光雷达装车量 2021年国内激光雷达装车量不到1万套(数据来自高工智能汽车2022年2月发布的文章)。这1万,预计主要的出货量为车型测试或商用车应用;国内2021年有应用激光雷达实现量产的乘用车车型仅有小鹏P5(顶配才配置激光雷达,搭载率较低)、华为极狐阿尔法S(2021年极狐全系销量仅5000台)。 2022年国内车载激光雷达保守也有20-30万台。2021年国内众多新发布的车型开始上激光雷达(蔚来、小鹏、北汽极狐、上汽智己、上汽飞凡、广汽埃安、长安阿维塔、长城沙龙、理想、高合、威马),基本都在2022年开始量产。 (三)主流激光雷达厂商情况 从技术路线上,目前能上车拿到定点的基本是MEMS、转镜方案。 目前已拿到乘用车定点车型的激光雷达厂商主要包括国外法雷奥、大陆、Ibeo、Innoviz、Luminar,国内速腾、禾赛、大疆览沃、华为、图达通。 国内车载激光雷达厂商处于领先的主要是MEMS速腾聚创,属于国内top1,拿到近40个定点项目,2021年H1开始批量交付;转镜禾赛,代表产品AT128拿到超过150万套订单,2022年下半年大批量交付;图达通,大客户蔚来,2022年Q1开始交付,预计1-2年内因蔚来ET7/ET5标配,图达通出货量会处于前列;大疆览沃棱镜方案市场接受度不高,有消息称在开发其他方案的车载激光雷达;华为基于其整体方案,有一定的客户基础,但产品量产进展较慢,不达预期,2022年应该可以供应上车。 主流激光雷达一览 图片来源:滴水石开 (四)激光雷达竞争格局 关于未来的竞争格局: • 从高技术壁垒、车规级大规模量产能力壁垒、先发优势三方面来看,车载激光雷达市场仍是个集中度偏高的市场。 • 从技术路线上,有行业专家认为,2022年车规级市场,转镜、MEMS各占40%,其他技术路线占20%。未来几年转镜+MEMS仍是主流方案。   二 激光雷达系统层分析 激光雷达按照扫描系统的差异,可以分为机械式、混合固态(转镜式、棱镜式、MEMS振镜)、固态(FLASH、OPA)等。根据测距方法的差异,可以分为TOF激光雷达、FMCW激光雷达。 (一) 扫描系统方案分析 1、机械式方案 (1)技术原理:通过电机带动收发和扫描模块进行整体旋转,实现对空间水平 360°视场范围的扫描。 (2)方案优缺点:  a. 优点:旋转由电机控制,可以长时间内保持转速稳定,每次扫描的速度线性,从而可以对周围环境进行精度够高并且清晰稳定的360度环境重构,技术成熟。 b. 缺点:价格高(性能的提升依靠增加收发模块来实现高线束,导致了整套系统元器件成本非常高)、体积大、难以过车规(平均失效时间1000h-3000h,而汽车厂商的要求是至少13000h)、可靠性差(内含大量可动部件,在行车环境下磨损严重)、可量产性差(工艺复杂、组装困难)等。  (3)应用领域:车载领域应用主要是自动驾驶开发、Robotaxi;而在非车载领域,基于低线束的方案成熟、成本较低,当前仍是主流方案。理论上,线束越高的激光雷达,成本端机械式方案越不具备优势。 (4)主要玩家:覆盖机械式方案的厂商非常多,代表性厂商海外为Velodyne、Waymo、Valeo、Ouster,国内为速腾聚创、禾赛科技、镭神智能、北科天绘等。 2、棱镜方案 (1)技术原理:大疆技术路径:采用空间激光通信领域的旋转双棱镜(或称旋转双光楔)方案。激光雷达的收发模块固定,通过电机带动双棱镜进行高速旋转。激光在通过第一个楔形棱镜后发生第一次偏转,通过第二个楔形棱镜后发生第二次偏转,只要控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光的扫描形态。产生不同角度的折射光线,从而实现FOV范围内更高线束的覆盖。       大疆双楔形棱镜方案结构图 图片来源:大疆览沃 (2)方案优缺点: a. 优点: i. 激光收发器数量减少(览沃定点小鹏的车规版HAP只有6组收发器,100ms积分时间里可达到等效144线效果),相对于机械式,成本相应大幅降低。 ii. 收发模块固定,电机只须带动双棱镜旋转即可,避免了类似传统机械旋转式激光雷达的多次装调问题,量产能力也相应得到提高。 b. 缺点: i. 点云图是中心的位置密度特别大,而在周边较稀疏。直接导致信息的收集以及成像会在边缘的积淀,很难通过算法去补偿。 ii. 每次扫描后,成像范围不一样,会导致雷达在高速移动中成像不连续,影响可靠性。 (3)棱镜方案技术难点:是否过车规考验的是电机。如览沃激光雷达,用6组激光收发器实现等效144线的扫描效果,需要电机带动双棱镜高速运转,导致电机转速高达6000r/min。而过车规的Scala电机转速只有600r/min,转镜方案电机转速2000r/min。电机的寿命与电机的转速成反比,高转速对轴承及油脂选择大有讲究,需要大量的耐久试验及超高的工艺水准。 (4)棱镜方案成本拆解: 根据System plus Consulting测算,光学部件(包括透镜模组等扫描器件)的成本占比最高,达到54%,其次是主板,Livox发射和接收器件成本占比分别下降至7%和4%。     图片来源:中金证券 (5)主要玩家: 目前棱镜方案厂商只有大疆览沃一家。览沃的车规级激光雷达HAP产品已应用于小鹏P5(顶配版)上。单台激光雷达价格5000元以下(千级成本500-600美元,百万级成本260美元),小鹏P5单车2颗激光雷达选配+1万元。 对于棱镜方案市场的认可度,从客户端的反应来看,大疆览沃车载激光雷达拿到的定点项目当前只有小鹏P5 一个。而小鹏G9则采用速腾聚创M1 MEMS激光雷达,在2022年1月小鹏亦投资了MEMS激光雷达厂商一径科技。 从应用来说,双棱镜的方案更适合静态场景,比如扫描静态物体、V2X、测绘、低速机器人等,在车载领域存在软硬件层面的难点。据称大疆正在开发其他非棱镜方案的车载激光雷达。 3、转镜方案 (1)技术原理:保持收发模块不动,电机带动反射镜面围绕其圆心不断旋转,从而将激光束反射至空间的一定范围,实现扫描探测,其技术创新方面与机械旋转式激光雷达类似。 左侧是转镜,右侧是固定的激光器 图片来源: 在转镜方案中,存在一面扫描镜(一维转镜)、两面扫描镜(一纵一横,二维转镜)及多面镜等多种细分技术路线。  • 一维转镜:有多少线就有多少个激光发射器,意味着在做高线数产品时不仅成本高,而且集成难度很大,因而线数很难做高(法雷奥的Scala 1只有4线,Scala 2也只有16线,原因便在于此)。禾赛提出的方案是将发射/接收模块集成在同个芯片上,实现激光收发系统和“线数”的一一对应,基于此就可以基于一维转镜实现很高的线数。 • 二维转镜:增加了俯仰的转动,如此一条激光可以扫描多个平面,用数量很少的激光发射器,通过扫描镜高速旋转中的折射和反射来达到“多线”的效果,这样不仅可节省激光器的成本,也可做高“线数”。  一维转镜打出的光束是线光束,之后左右横移完成面扫描;而二维转镜完成的就是面扫描。 (2)转镜方案优缺点: a. 优点:激光发射和接收装置固定,仍有旋转模块但比较小,可以减少产品体积,并且降低成本;旋转模块只有反射镜,重量轻,电机轴承的负荷小,系统运行起来更稳定,寿命更长,符合车规。 b. 缺点:内部有机械结构,在长期运行之后稳定性、准确度依然会受到影响;一维式的扫描线数少,扫描角度不能到 360 度;理论上成本下降空间有限(激光收发模组数量仍较多)。 (3)技术难点:转镜方案技术难点在于电机,光学系统控制机制和转轴精度。电机转速2000r/min,仍存在高温耐久稳定性、FOV视场角受限,信噪比低等问题。 (4)转镜方案成本拆解:4线转镜式激光雷达法雷奥Scala1成本拆分中主板占比最高,激光单元板、光学部件和激光机械部件分别占BOM成本的23%、13%和10%。各转镜方案的成本,总体上因存在多组激光发射器仍占据较大成本,光学部件占比比较稳定。   图片来源:中金证券 (5)转镜方案玩家: a. 法雷奥:2017 年,奥迪 A8 为全球首款量产的 L3级别自动驾驶的乘用车,搭载了法雷奥和 Ibeo 联合研发的 4 线振镜激光雷达,累计出货量超过10万套。但法雷奥第三代SCALA激光雷达产品将会采用MEMS方案,预计2024年量产。 b. 图达通:2022 年,搭载 Innovusion Falcon 激光雷达的蔚来 ET7 上市,该款激光雷达为 1550nm 方案,等效 300 线数,8光路收发,理论上可以节省一定成本,但是节省成本的程度也是有限的,不如MEMS方案。 c. 禾赛:2021年发布转镜激光雷达产品AT128,已获得超过150万台意向订单,客户包括理想、集度、高合、路特斯等。于2022年年底大批量交付。 d. 镭神智能:2020 年,镭神智能自主研发的 CH32 面世,成为全球第二款获得车规级认证的转镜式激光雷达,目前据称已经规模化交付东风悦享(无人驾驶接驳小巴)量产前装车型生产。 4、MEMS方案 (1)技术原理:MEMS 微阵镜激光雷达的核心是 MEMS 微振镜,其本质是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件。是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其中心是一块镜子的电路板,可以通过控制电流来让中央的微镜产生平动或者扭转,也就是 X 轴和 Y 轴上的移动。由于镜子本身可以扭转,所以只需要 1 束激光就可以通过镜子不同角度的反射来让激光束发射到不同的方向,从而实现与机械式激光雷达相似的效果。     (2)技术方案优缺点: a. 优点: i. 尺寸小、可量产:芯片化、无机械组件,摆脱了笨重的旋转电机和扫描镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸; ii. 低成本:减少激光收发单元的数量,相比机械式极大地降低成本。如速腾M1用的是5个收发模块。  b. 缺点: i. 探测距离和角度有限:MEMS 的振动角度有限导致视场角比较小(小于 120 度),大视场角需要多子视场拼接,这对点云拼接算法和点云稳定度要求都较高;受限于 MEMS 微振镜的镜面尺寸,MEMS 激光雷达接收端的收光孔径非常小,远小于机械激光雷达,而光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比,导致功率进一步下降,信噪比降低,有效探测距离缩短。 ii. 稳定性:MEMS 微镜属于振动敏感性器件,车载环境的振动和冲击容易对其使用寿命和工作稳定性产生影响,硅基 MEMS 的悬臂梁结构脆弱,外界的振动或冲击极易直接致其断裂。MEMS过车规的重点主要就在其振镜的可靠性。  (3)MEMS激光雷达成本拆分:  未来降本的主要部分:来自激光器、MEMS振镜、驱动芯片等。  a. 发射端30%:激光器占比浮动比较大,如用905/1550nm、EEL/VCSEL,都会影响成本。若用1550nm光源,成本占比会提升至50%。发射端是激光雷达重要的成本构成;速腾、Innoviz在振镜上面做了很多方案,Innoviz振镜用阵列的方式。 b. 接收端20%-30%:主要包括APD/SPAD、ASIC处理芯片,主要做数模转换,占boom成本20%。会有所浮动,可能会上升到20%-30%。MEMS 1550nm光源需搭配专用芯片,如磷化铟、铟镓砷等特殊材料。 c. 主板:占boom成本的20%-30%,主要成本就是FPGA,用于整体架构数据处理。 d. 外壳结构件:10%。 e. 光学部件:包括微振镜、透镜,占比10%。 f. 其他:装调和人工费用占比10%左右(机械式人工费用占比50%以上)。 (4)MEMS方案玩家:代表玩家:Innoviz、速腾聚创。  处于(准)车规状态并将在 2022 年量产上车的 MEMS 激光雷达产品有速腾聚创 M1、Innoviz One,另外 Innoviz Two 将在 2022 年进入批量生产,并在 2023 年服务车企。由于 MEMS 上游产业链相对成熟,为现阶段的主力激光雷达产品之一,量产售价降低至1000美元以下。 5. FLASH方案 (1)技术原理:Flash 激光雷达的原理类似快闪,采用类似相机的模式,感光元件中的每个像素点都可以记录光子飞出的时间信息,运行时直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,随后由高灵敏度的接收器阵列计算每个像素对应的距离信息,从而完成对周围环境的绘制。  (2)方案优缺点: a. 优点:一次性实现全局成像来完成探测,且无扫描器件、成像速度快。 b. 缺点:Flash 激光单点面积比扫描型激光单点大,因此其功率密度较低,进而影响到 Flash 激光雷达的探测精度和探测距离;抗干扰能力不佳,环境适应性相对差。  (3)Flash应用:Flash方案中短期适合于辅助雷达定位,Flash 方案激光雷达相比于机械式和 MEMS 的优势在于集成度、量产成本,而劣势在于短期内性能难以大幅提高,其方案本身特点较为满足辅助雷达定位。面向的市场包括车载辅助雷达、路测智慧交通(市场起步慢)。  车载应用案例:Outser、Ibeo。搭载3个Ibeo Next固态激光雷达的长城WEY摩卡车型预计在2022年量产;Ouster ES2选择牺牲扫描角度(26°×12°)换取较远的探测距离(200m),预计2024年实现批量交付。  (4)技术方案发展方向:集中在提升VCSEL激光器功率,通过SPAD、SIMP提升光子探测能力,提升探测距离。 (5)Flash方案玩家:国外包括Ouster、Ibeo;国内:北科天绘、镭神智能(2018年宣布与以色列NEWSIGHT公司联合研发3D FLASH激光雷达V-Lidar)、北醒光子(应用于AGV)、飞芯电子、洛伦兹(当前主要应用于物流车内检测场景)、亮道智能等。 结论:FLASH技术方案的成熟度依赖VCSEL激光器功率的提升以及SPAD等探测器灵敏度的提升,才能提高成为车载前雷达的可能性。 6. OPA方案 (1)技术原理:利用相干原理(类似两圈水波相互叠加后,有的方向会相互抵消,有的会相互增强),采用多个光源组成阵列,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度,控制各光源发射的时间差,从而合成角度灵活、精密可控的主光束,实现对不同方向的扫描。 (2)方案优缺点: a. 优点:集成度高,信噪比低;相比MEMS,OPA完全取消机械结构,体积更小,对温度和振动的适应性更强、成本更低。 b. 缺点:但OPA方案易形成旁瓣效应,还有光信号覆盖有限,环境光干扰等问题,信号处理的运算量大。  (3)技术难点:加工工艺、扫描角度、距离等问题尚待突破。 a. 加工工艺要求高:OPA,由紧密排列的(间距约为1µm)光学天线阵列组成,并在宽角度范围内发射相干光。通过调整每根天线发出的光的相对相位,可改变生成的干涉图。若要在100m处分辨尺寸为10cm物体,需要一个工作波长为1µm的OPA,并具备由至少1000根天线组成的电路,其中每根天线的间距为1µm。OPA的其中一个关注指标,提高天线通道数。 b. 旁瓣效应:光束经过光学相控阵器件后的光束合成实际是光波的相互干涉形成的,易形成阵列干扰,使得激光能量被分散(旁瓣效应:光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹,这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣,分散激光的能量)。 OPA激光雷达在减小旁瓣效应、加工工艺、探测距离等技术难题上还不成熟,仍需要底层材料体系和芯片的工艺的突破,难度还是比较大的。 (4)OPA方案玩家:国外Quanergy;国内厂商基本都处于预研阶段。包括力策科技,洛微科技,万集科技、国科光芯、速腾(有布局)、镭神(有布局),整体产业发展是比较缓慢。OPA初创公司周期太长。  结论:业界认为OPA是车载激光雷达最终解决方案,但还需要5-10年,并且依赖产业链上游的成熟度。技术难点主要在底层材料、加工工艺上。从产业链上看,更加集成化,且采用硅光工艺,外采的部件更少。 (二)测距方式方案分析     1. TOF方案 ToF(time-of-flight,飞行时间),通过直接测量发射激光与回波信号的时间差来估计距离信息。 TOF激光雷达采用了脉冲振幅调制技术(AM),因而也被称为AM激光雷达。该方式需要编码抵抗干扰,根据反射率判断目标是否为伪目标,因此对算法层面有较高要求。 ToF可以分成iToF和dToF两大类。dToF和iToF的原理区别主要在于发射和反射光的区别。  • dToF即直接发射一个光脉冲,并测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,从而得到光的飞行时间并计算距离。 • iToF发射的并非一个光脉冲,而是发射特定频率的调制光,即明暗强度呈规律变换的正弦波调制。通过检测接收到的反射调制光和发射的调制光之间的相位差,测量出飞行时间,从而估计出距离。   dToF/iToF的优劣势:   • dToF理论上其精度不随距离增加而下降,抗干扰能力强、功耗较低,但工艺相对复杂;软件层面,无需频率调制,算法相对简单,难点在于SPAD、以及高性能时间数字转换器TDC; • iToF精度偏低、探测距离相对短、抗干扰性较弱(环境光对电路的干扰)、功耗较大,但工艺相对简单;软层面,调制算法、数据处理算法难度大。   2. FMCW方案  (1)技术原理: FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave,调频连续波),主要通过发送和接收连续激光束,把回光和本地光做干涉,并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异,再通过频率差换算出目标物的距离。 具体地说,激光束击中目标物后被反射,而反射会影响光的频率——如果目标物向车辆走来,频率会升高;如果目标物和车辆同方向行走,则频率会降低。当反射光返回到探测器,与发射时的频率相比,就能测量两种频率之间的差值,从而计算出物体的距离信息。  根据多普勒频移信息可以直接测量速度信息,抗环境光和其他激光雷达干扰能力强,可大大改善信噪比,未来往利用硅基光电子技术实现激光雷达芯片化方向发展。 (2)FMCW激光雷达拆解:  a. 光源: 原理上905nm和1500nm波长光源都可以使用,但光通信领域应用的FMCW基本都是1500nm光源,供应链相比905nm成熟,905nm做出的FMCW雷达成本太高。故基本使用1550nm波长光源。但国内产业成熟度方面,FMCW1550nm光源比TOF的贵很多,国内几乎没有量产的。  采用窄线宽激光器,即相关性比较好的激光器(相关性一般指激光的频率、振动方向、相位高度一致)。FMCW要保证回光能和本地光进行干涉,只有干涉了才能检测到目标,因此,对激光器的“相干性”要求很高。FMCW采用的1500nm光源与TOF采用的1500nm光源都是基于磷化铟衬底,但是结构不同,FMCW要求窄线宽(保证自相干性)、低噪声,导致两者的性能、良率、成本等完全不同。  b. 探测器:  使用低成本的PIN PD。在FMCW中,光束在发出去之前,留了一半在本地,尽管回光也有折损,但本地光还在,这两部分一结合,就把光信号给放大。在TOF中,APD在放大信号的同时也放大了噪声,而FMCW是不带噪声的。  FMCW收发集成,需采用硅光工艺。目前在探测器端,已经可集成到硅光芯片(该硅谷芯片上集成了分光器、调频器、偏振控制、相干混频阵列等功能)上;但发射端因为是三五族产品,没法直接集成到硅光芯片中,目前基本是将激光器在另一块晶圆上加工好之后,可以再通过一些特殊工艺被贴到硅光芯片上,也属于激光器外置,但英特尔已在朝着“激光器内置”发展,但工艺难度要求非常高,且英特尔已建立专利壁垒。  c. 扫描方案:  FMCW做长距离,最合适的是跟OPA搭配,当前业界用的仍是较成熟的方案如机械师、转镜、MEMS。FMCW+OPA结合,主要是两者通过硅片芯片都可以实现降本,且固态OPA技术路线本就具备众多优点。但业界认为即使到2030年OPA+FMCW方案装车应用都很难成熟。目前国内挚感光子采用了棱镜扫描,而光勺科技目前用的是机械扫描,2022年会换成MEMS。  (3)FMCW技术路线优势与挑战:  a. 优势  • TOF的速度维数据质量低,而FMCW可获取每个像素点的速度维数据。FMCW的反射光频率会因为多普勒效应根据前方移动物体的速度而改变,可直接计算出目标物每个像素点的速度数据。速度维度数据的作用,一是延长了有效探测距离,二是反射率很低的物体可以被仅凭一个光点就被探测到,三是输出目标物每个像素点的速度,这便减少了后端处理对算力的要求,传感器融合的算法架构也好做。 • TOF的光波容易受环境光干扰,而FMCW的抗干扰能力很强。TOF的关键技术在电信号(通过调制电的脉冲让光的脉冲更窄,再把光变成电信号,然后再去操纵电信号来解析出来这个脉冲),而电信号的一大特质是很容易被环境噪声干扰。FMCW基于相干原理(被反射回的光跟本地光干涉),它只能接收到自己发出去的光(频率相同或相近),因而不会受到各种“杂光”的干扰。  •  TOF的信噪比过低,而FMCW的信噪比很高。信噪比过低会导致无法区分真伪目标。通常FMCW激光雷达的信噪比要比TOF高10倍以上。原因一是FMCW激光雷达的探测端只能接收到自己发出去的光;二是FMCW激光雷达留有本振光,跟返回信号光融合。  • TOF很难跟OPA融合。TOF峰值功率很高(通常在40-50瓦,甚至可达100 瓦),不适合做在硅光芯片上,而降低功率会降低探测距离。如Quanergy之前TOF+OPA组合的方案,探测距离就不到100米。而FMCW的峰值功率只有“百毫瓦级别”,主要跟以下两方面有关,一是TOF的单次测距只需2微秒,而FMCW单次测距需要20微秒,尽管总能量并不少,但由于能量在时间上是平摊的,因而峰值功率会比较低;二是TOF的信噪比较低,如果功率太低,就无法获得足够多的“有效信号”,而FMCW的信噪比很高,即便是用很低的功率,也可以获得足够多的“有效信号”。即OPA只有在FMCW成熟之后才可以应用在车载激光雷达上。目前业界中做的OPA方案研发基本都是基于TOF调制方式来做的。  b. 挑战 • 对硅光芯片的要求比光通信产品苛刻得多。为了提高成像效果,FMCW激光雷达对硅光芯片的插损指标提出了更高的要求,否则探测距离会缩短,这对工艺有更高的要求。光通信产品要求传输速率更高,而FMCW激光雷达要求调频调制的线性度更高、信噪比更高。  • 短期成本很难下降:导致成本居高不下的,不仅有1550纳米激光器,还有接收器、光学元器件、电子元器件等。接收器成本:尽管使用低廉的PIN,但由于前端光学器件和后端电子器件的要求,接收器的整体成本比TOF更高。光学元件成本:FMCW系统使用相干探测,所有光学器件表面的公差都必须控制在λ/20以内。精度太高供应商太少;电子元件成本:FMCW对ADC转换速率的要求是ToF系统的2~4倍,对FPGA的要求是能够接收数据并进行超高速FFT转换。即使使用ASIC,FMCW系统所需的处理系统复杂度(和成本)也是ToF系统的几倍。业界认为即使FMCW激光雷达达到百万级出货量,成本仍难低于500美元。  • 算法复杂:FMCW激光雷达模拟前端和物理层数字信号处理算法都很复杂,特别是激光调制,难度极高。 • 算法无法复用:TOF激光雷达用的算法无法复用至FMCW中,要尝试FMCW激光雷达,激光雷达的算法就得重新写,并且,后端的融合感知算法也需要重写。下游车企或者自动驾驶公司积极性不高。  (4)FMCW方案主要玩家: 图片来源:滴水石开 结论:TOF仍是短期内的主流方案,FMCM是发展方向,但距离成熟仍有很长的距离。短期内供应链不成熟,对激光器、后端控制芯片、ADC、光学元件要求都很高,调制算法难度也很大。而长远来看,产品的性能以及降本很依赖硅光工艺,国内光通信硅光技术都不成熟,短期内较难提升。 激光雷达系统层总结:  • 转镜+MEMS仍占据着未来3-5年发展窗口期。从一些行业调研纪要、以及从固态技术方案的成熟度来看,未来3-5年车载端80%是转镜、MEMS激光雷达方案,转镜、MEMS各占一半。  • 而对于激光雷达企业而言,一般都是围绕下游车企客户需求,聚焦成熟的技术路线,对固态技术路线进行预研,很难同时铺开进行研发并取得竞争地位。  • 对于Flash技术方案,Flash激光雷达当前受限于激光器功率、探测器灵敏度,探测距离仍比较短(或FOV很小),业界认为flash主雷达距离初步量产仍3-4年时间(如Ouser最新推出的探测距离达200m的Flash激光雷达,当前仍处于样机阶段,最快于2024年量产。核心还是取决于上游激光器、探测器的技术成熟度、成本)。而国内进行Flash车载研发的比较少,主要有北科天绘等做测绘市场的Flash厂商,以及其他技术路线厂商做技术预研。当上游供应链逐步成熟后,进入门槛就变得相对较低。届时面对的竞争对手包括其他技术路线激光雷达厂商以及新进入者。原先通过MEMS或转镜等技术路线已跟车企建立深度业务合作、规模量产交付能力,届时在交付经验、批量生产上相比纯Flash或从工业市场切汽车市场的企业更具优势。  • 对于OPA技术方案,国内主要就力策科技、洛微、万集等厂商在研发,总体研发周期很长(在材料、硅光工艺上仍有很大的挑战,对企业而言需持续研发流片迭代),需持续投入。OPA技术壁垒相比Flash是更高的,需要持续投入积累,新进入者进入后仍需花费较长的摸索及长时间积累才可突破。对于OPA技术方案,核心就是激光雷达厂商的天线设计、工艺能力,外采的核心就是激光器阵列,以及一些处理芯片、驱动芯片、ADC(集成能力强的玩家都可以在硅片上实现单片集成)。当前阶段去了解其OPA技术方向的产业链投资比较难看清楚。 • 对于FMCW激光雷达,其核心的优势就是在远距离,故其的优势市场就是在车载市场,切入其他非车载市场竞争力不强。但从其技术难度以及产业成熟度(包括窄脉宽激光器、硅光集成工艺、高精度光学元件)来看,(硅光的)FMCW距离成熟的时间仍比较长。在FMCW技术方案上下游的投资,其窄脉冲激光器、数模转换器、控制芯片技术难度要求被其他方案更高,国内相关企业更加稀缺。

  • 发表了主题帖: 汽车激光雷达的结构原理

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-10 08:51 编辑 激光雷达(LiDAR)是当前正在改变世界的传感器,它广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、卫星、火箭等。激光通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离(Time of Flight,TOF)(如图1所示),分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息,输出点云,从而呈现出目标物精确的三维结构信息。     图1 激光雷达测距及点云 激光雷达是由激光发射单元和激光接收单元组成,发射单元的工作方式是向外发射激光束层,层数越多,精度也越高(如图2所示),不过这也意味着传感器尺寸越大。发射单元将激光发射出去后,当激光遇到障碍物会反射,从而被接收器接收,接收器根据每束激光发射和返回的时间,创建一组点云,高质量的激光雷达,每秒最多可以发出200多束激光。     图2 不同激光束形成的激光点云 对于激光的波长,目前主要使用使用波长为905nm和1550nm的激光发射器,波长为1550nm的光线不容易在人眼液体中传输。故1550nm可在保证安全的前提下大大提高发射功率。大功率能得到更远的探测距离,长波长也能提高抗干扰能力。但是1550nm激光需使用InGaAs,目前量产困难。故当前更多使用Si材质量产905nm的LiDAR。通过限制功率和脉冲时间来保证安全性。   01.激光雷达的结构   激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP(数字信号处理器)、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD(雪崩光学二极管)、TIA(可变跨导放大器)和探测器,如图3所示。其中除了发射和接收光学镜头外,都是电子部件。随着半导体技术的快速演进,性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。     图3 激光雷达的关键部件   02.激光雷达的种类   目前市面上有不同种类的激光雷达,按驱动方式可分为机械式、MEMS、相控阵、泛光面阵式(FLASH)。 机械式 以Velodyne 2007年推出的64线雷达为例。它把64个激光器垂直堆叠在一起,以20rpm速度旋转。简单理解就是通过旋转将激光点变成线,通过64线堆叠将线转化为面,得到点云数据获取3D环境信息。 机械式结构需要复杂的机械结构,同时点云的测量又需要对安装进行精确定位。考虑环境和老化的影响,平均的失效时间仅1000-3000小时,难以达到车厂最低13000小时的要求。且由于LiDAR安装在车顶,民用领域需考虑外界养护的问题,如洗车的影响。因此机械式结构极大的限制了成本和应用推广。 MEMS MEMS激光雷达利用微电子机械系统的技术驱动旋镜,反射激光束指向不同方向。 固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。 典型应用有法雷奥SCALA激光雷达。目前应用在奥迪A8(第一款L3级的自动驾驶车辆)。安装在前保险杠位置,使用MEMS技术得到145°的扫描角度,80m的探测距离。     图4 奥迪A8的激光雷达 相控阵(OPA) 光相控阵雷达原理:主要利用光的干涉原理。可以通过改变不同缝中入射光线的相位差即可改变光栅衍射后中央明纹(主瓣)的位置,如下图所示。         图5 相控阵雷达的原理 相控阵(OPA)的优缺点 优点: ①结构简单、尺寸小:由于不需要旋转部件,可以大大压缩雷达的结构和尺寸,提高使用寿命,并降低成本。 ②标定简单:机械式激光雷达由于光学结构固定,适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度,固态激光雷达可以通过软件进行调节,大大降低了标定的难度。 ③扫描速度快:不用受制于机械旋转的速度和精度,光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性,一般都可以达到MHz量级。 ④扫描精度高:光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度,可以达到千分之一度量级以上。 ⑤可控性好:光学相控阵的光束指向完全由电信号控制,在允许的角度范围内可以做到任意指向,可以在重点区域进行高密度的扫描。 ⑥多目标监控:一个相控阵面可以分割为多个小模块,每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。 缺点: ①扫描角度有限:调节相位最多只能让中央明纹改变约±60°,实际做到360°采集的话一般需要6个。 ②旁瓣问题:光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹,这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣,分散激光的能量。 ③加工难度高:光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长,一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右,故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高,能量也越集中,这都提高了对加工精度的要求,需要一定的技术突破。 ④接收面大、信噪比差:传统机械雷达只需要很小的接收窗口,但固态激光雷达却需要一整个接收面,因此会引入较多的环境光噪声,增加了扫描解析的难度。 泛光面阵式(FLASH) 泛光面阵式的原理类似TOF相机,也就是快闪,它不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制。它运行起来更像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射,因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后,系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。     图6 泛光式激光雷达 Flash LiDAR 的一大优势是它能快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。当前的发展方向有2个,一种是盖格模式APD的单光子计数型直接对光子计数生成数字图像;一种是传统的CMOS光强模拟采集得到强度图,将强度图转化为距离信息。   03.激光雷达的数据传输   LiDAR由于数据量较大,当前的控制架构中,基本采用将每个光点的原始数据发回到中央控制器处理,所以通常会采用FlexRay或以太网此类高带宽的网络进行通讯。如法雷奥的SCALA在1代采用Flexray,2代则开始使用以太网。 LiDAR 通常从硬件层面支持授时,通常会提供支持三种时间同步接口。 1) IEEE 15882008同步,遵循精确时间协议,通过以太网对测量以及系统控制实现精确的时钟同步。 2) 脉冲同步(PPS),脉冲同步通过同步信号线实现数据同步。 3) GPS同步(PPS+UTC),通过同步信号线和UTC时间(GPS时间)实现数据同步。 以目前最普遍的旋转式激光雷达的数据为例,其数据为10hz,即LiDAR在0.1s时间内转一圈,并将硬件得到的数据按照不同角度切成不同的packet,而每一个packet包含了当前扇区所有点的数据,包含每个点的时间戳,每个点的xyz数据,每个点的发射强度,每个点来自的激光发射机的id等信息。而如最新的Livox Horizon激光雷达,也包含了多回波信息及噪点信息。

  • 2024-07-09
  • 发表了主题帖: 解读汽车照明LED灯因高温引起的光衰问题

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-9 16:54 编辑 自然界中的一切事物都遵循其固有的发展规律。随着欧盟对卤素灯的禁用,LED大灯技术迎来了新的发展机遇。尽管如此,一些车主仍对卤素灯情有独钟,特别是在多雨的南方地区,他们认为卤素灯的强穿透力是其为数不多的优势之一。然而,这并不意味着LED大灯在穿透力方面就一定逊色于卤素灯。实际上,选择合适的色温可以提高LED大灯的穿透力,避免使用过白的光源。如果车主对此仍有顾虑,可以考虑安装变色灯,以适应不同的天气条件。   此外,一些车主还关注到LED大灯的光衰问题。本文将重点探讨这一问题。众所周知,半导体材料在LED领域的应用已经取得了显著的成就。然而,任何事物都有其两面性,半导体材料的缺陷也同样明显。由于半导体材料对环境温度有较高的要求,它们需要一个稳定的工作条件,这对LED大灯来说同样适用。这意味着LED大灯的性能在很大程度上受到其散热系统的影响。因此,设计高效的散热解决方案对于确保LED大灯的长期稳定运行至关重要。金鉴实验室在LED失效分析方面有丰富的经验,为国内众多灯具厂提供LED可靠性检测和其后的失效分析和技术咨询。不少客户的灯具在老化测试、可靠性试验后出现LED死灯或者光衰严重导致的失效,通过我们找到了失效分析根本原因,从而改进灯具的缺陷,提高灯具的可靠性。             1.LED汽车大灯光衰解析   LED车灯不可否认的一点就是寿命长,基本可以达到3万小时,是传统光源寿命的好几倍,基本上不需要换灯具。而且节能环保、无辐射,反应也比较快。另外,体积比较小,所以可塑性也比较高,造型自然也比较多样。汽车LED大灯在当前汽车大灯中可谓占据主流地位,像这样大功率LED能量转换效率很低。汽车LED通常只有10%-25%电能转化为光能,剩下的电能都会转化为热能。   传统卤素灯产生的热量比LED高得多,但是卤素灯的输出亮度并不因热量而改变,其热量设计主要集中在壳体内部均温设计上。而LED的光输出却会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身PN结温稳定,LED光通量和波长等重要参数受到PN结温的直接影响,这种不良的温度循环将导致发光效率和寿命急剧下降。这种情况,一般称之为光衰。那要怎么解决高温引起的光衰问题呢?两个方法,一个就是热通道的设计,另一个就是使用导热更好的材料。           热流通的设计本质上是为了创建更有效的热能排放路径,确保热量可以迅速散发或被有效冷却。在汽车领域,车辆前部的进气格栅是一个典型例子,它利用行驶时的空气流动来带走引擎舱内的热能,这是一种高效的热管理策略。类似地,在LED灯上加装风扇,其原理与进气格栅相似,但关键在于,风扇本身无法直接吸收PN结的高温,而是依赖于导热材料将热量传递至风扇。这就需要选用性能优良的导热材料,因为如果热量不能有效传导,那么散热效果将大打折扣。   LED灯珠与基板和透镜接触最为密切。然而,透镜本身不具备导热功能,因此必须选择导热性能优异的基板来应对散热挑战。目前,LED灯使用的基板主要有三种类型:铝基板、陶瓷基板和双面紫铜基板。对于汽车LED大灯而言,哪种基板更为合适呢?我们可以从它们各自的特性和优势来分析。               2.陶瓷基板   优点:铝基板近百倍的导热率,耐高温,有很强的机械强度。   缺点:国内目前的产能并不能足以供应起LED这么庞大的产业链。   3.铝基板   优点:相对比环氧树脂基板而言,金属基板明显更靠谱,有着更好的稳定性,出色的导热率。   缺点:需制作绝缘层才能投入使用,总体热导率仍由绝缘层决定。热导率约为2-3W/(m·K)。除非进行热电分离,但就工序成本而言,整个过程有些得不偿失。   4.双面紫铜基板   优点:能够达到高效散热和超能聚光的效果,且中间的薄度与卤素灯丝非常接近;双面紫铜更具优越性,已被视为今后汽车LED车灯的发展方向。led大灯铜带散热是一种被动散热方式,铜带散热区域越大散热效果就越好。   缺点:成本贵。       5.总结   上述反差已显而易见,金属基板究竟是否将由陶瓷基板取代,但双面紫铜基板才是LED车灯的发展方向,它还是现在市面上最优秀的基板之一,价格自然不会便宜。当购买LED车灯时要求车友们一定要注意量力而行,亮度方面若非变色灯则尽量不买大于7000K的色温,免得穿透力不足。

  • 2024-07-08
  • 发表了主题帖: 汽车照明车灯常见故障及其诊断技术

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-8 10:24 编辑   随着车速的不断提高,交通流量日益繁重,夜间交通事故的风险也呈逐年上升趋势。车灯,作为车辆与周围环境沟通的关键媒介,在保障夜间驾驶安全中扮演着至关重要的角色。在夜间驾驶过程中,一旦远光灯、近光灯、停车灯、转向灯或尾灯等关键功能出现故障,司机往往难以立即察觉,这无疑增加了发生车祸的风险。因此,确保车灯各项功能的正常运行,并在故障发生时能迅速通知驾驶员,已成为保障夜间行车安全的首要任务。   实际上,国家相关标准GB4785-2019及其之前的版本均明确指出,在设计和构思转向灯、停车灯等车灯功能时,应充分考虑加入车灯诊断机制。一旦出现故障,这些机制能够迅速通过视觉或音频提示等方式,向驾驶员传达故障信息,从而促使其及时采取应对措施。     表盘提示检查右前驻车灯   然而,随着LED技术的发展,如何确定LED灯具诊断的具体参数,以及如何以经济高效的方式实现,一直困扰着所有的工程师。在此背景下,本文通过对一般诊断方法的分析,对传统诊断方法提供了修改建议或实际电路,并提出了一种能满足不同功能要求的综合诊断方法。   LED车灯常见故障   对传统卤素灯来说,光源仅有on光源和off光源两种状态。在正常运行过程中,各参数(电流、电压、温度)一直处于良好的状态;故障发生后,灯丝被熔断,电路被切断。一般情况下短路发生概率比较小。这两种情况(开路和短路)的电流或电压的参数相差很大。所以通过检测电路中电压或者电流就能轻松检测出电路中是否存在故障。   但是,对LED灯而言,因为每个部分是通过多个LED来实现的,所以其中电路连接方式也有所不同(串联的,并联的或者混合的),因此无论是LED还是LED的驱动器,都存在两种故障(开路或短路)的可能。另外,因为车灯在高温、高湿环境中工作,渗水或者进水的危险较大,甚至电路可靠性极高时,都会出现漏电现象   LED驱动器的组成   诊断通常有两种方式:LED光源的诊断及LED驱动器的诊断。驱动诊断通常是通过开路进行的,也就是通过评估实际输出(电流/电压)与理论值(电流/电压)的一致性来确定车灯性能的正常与否。通常情况下,诊断电路和LED驱动器之间存在较强的相关性。为确保LED电路既简单可靠又经济有效,LED驱动电路与故障电路必须很好地配合。LED驱动器一般采用以下三种方式实现。   LED驱动器分类   诊断模块的组成   故障诊断反馈系统由驱动、数据采集、诊断、反馈等模块组成。驱动模块通常由电阻或线性电路或恒流驱动电路来实现,并能实现控制逻辑和技术要求,是LED驱动电路的核心。采集模块主要负责LED电压信息的采集,通过对信号的放大,为诊断模块提供输入。诊断模块负责检测电压的故障评估,并将故障信息传递给反馈系统。反馈模块根据诊断模块的信息传递给BSI(车身控制模块)。BSI此信息传输到仪表盘,仪表盘将警告驾驶员发生故障的位置。   典型LED车灯诊断驱动模块结构   在诊断系统的设计中,首先要根据不同的LED电路形式,评价如何满足诊断要求。通常,BSI对相关参数的要求如下:   车灯工作电压   保证车灯正常工作的基本电压,一般在8~16V之间,即车灯必须在该范围内正常工作(无异常关断、无闪烁)。   工作电流   保证灯具正常工作的基本电流。LED灯得电流要求相对较低,因此电流范围通常定义在0.1A到7A之间;当汽车灯在规定电流下工作时,需要考虑所有功能灯的可靠性。   漏电流   电路开路时的电流。对于LED的前照灯,由于储能元件如电容器的存在,即使电路断开,储能元件也能为LED提供电流,导致工作过程中产生车灯的闪光现象。 最小诊断电流   如果故障诊断是通过最小电流检测的方式实现,则电路需要考虑车身系统的最小电流要求。   LED故障诊断思路的构想   以LED驱动为分类依据,通常有以最小电流为诊断依据,以开关电路为诊断依据和以比较器为反馈依据。文中根据分析结果提出采用PWM诊断及通过总线结构诊断。   基于最小电流的诊断思想:LED恒流电路发生故障时,一般情况下会造成开路或者单个LED开关被切断。开路后电路电压上升引发过压保护并输出故障信号;但是若仅有单个LED开关被切断,则线路上电流不会发生很大改变,这时,可将光耦合器串入线路上。若正常运行的LED能达到亮度性能要求时,单个LED开关的断开并不会造成电路的闭合,这时车灯就可以正常运行;若不成功,整个电路闭合并引发故障报警。   基于最小电流的诊断电路   基于开关电路诊断的思路:通常情况下要求,转向灯工作正常时显示高电平,工作异常时显示低电平;以图为例,LED在正常运行状态下Q3基极为高电平,Q3接通后Q2基极为低电平,Q2闭合;此时反馈电压为高电平;反之,为低电平;由于汽车电子产品的工作电压通常在9-16V之间,当工作电压保持在9V时,无论LED是否工作,Q3的基极都会处于低电平,这样Q3一直都是“关”着的,此时低电评反馈信息可能导致系统误报,所以构思期间需要监测个别LED,保证工作电压维持9V不误报。 基于开关电路的诊断电路   本实用新型提供了一种以比较器为核心的反馈诊断电路,本电路通过放大器与比较器将采集电压与基准电压大小进行对比来控制终端晶体管开断,进而影响反馈电压水平;这种电路的优点是即使输入电压低于9V,也可用于故障诊断。 基于比较器的反馈诊断电路   用PWM进行诊断:占空比为一循环中工作时间占总时间的比例,PWM诊断就是通过设定不同的占空比来进行电路诊断;对各种功能(例如转向灯,位置灯,行车灯)灯具来说,若以上三种电路为首选方案,则整个电路必然会变得复杂;而PWM诊断把不同占空比设为代表一种特定故障时,只需一根导线即可对全部功能进行故障诊断。这就极大地减少了导线的数目,使整个系统得到了简化。 用这种方法设计诊断电路,在构思时需要注意一些要求。 也就是LED在工作过程中的频率问题。由于电子器件具有固有频率,为了准确控制占空比要求电路以恒定频率运行。 电路工作电压取决于电路中电阻值的大小,用示波器可以找到稳定的数值。 就是电路在工作一工作周期中的真实工作时间。汽车电子系统脉冲宽度一般以ms为单位。 对于不同的功能检测,占空比不能太接近,以避免相互干扰。 多功能灯具集成模块诊断与BSI   通过总线诊断(以LIN通信网络为例):   LIN就是建立在SCI或者UART界面基础上的低成本串行通信网络。本实用新型在主从结构基础上降低导线重量,降低成本。同时还是传输速率在1~20kbps之间的低层通信总线协议。LIN包括主控模块及若干次级模块。主控模块承担着对不同模块电平信息的处理以及次级模块对数据的收发,所以一个LIN模块就能实现车灯通信及故障检测等功能。  LIN模块通信结构    

  • 2024-07-05
  • 发表了主题帖: 汽车尾灯和刹车控制器

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-5 17:42 编辑        

  • 发表了主题帖: 汽车照明设计的一个应用技巧

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-5 10:51 编辑       鉴于灯光设计中涉及的众多学科,  终产品的开发过程也便自然而然地会有很多的设计选择。     灯     和家用照明一样,汽车的外部照明之前也多采用白炽灯。随着发光二极管(LED)灯在家庭中的使用日益普遍,它在汽车市场也逐渐受到追捧。LED汽车尾灯和刹车灯便是一个例证。设计人员经常使用一组共享的LED串作为这两种车灯的光源。当驾驶员刹车时,刹车灯变亮,而尾灯则变暗。这一功能是设计人员通过驱动LED光源的电子设备中的调光功能实现的。     图1所示为驱动LED前大灯和尾灯的电子元件的框图。       汽车LED前大灯和尾灯系统调光中的一些关键考虑因素包括:     带PWM的LED驱动器:如图1所示,LED驱动器,即向LED提供电流的电子电路,从定时器电路接收脉宽调制(PWM)信号。该PWM信号的占空比控制LED驱动器驱动的平均电流,而平均电流又控制LED光源的亮度。因此,当驾驶员刹车时,来自LED的光变亮,而仅提示周围车辆和行人时,则光被调暗。电子设计师通常使用TI的555定时器集成电路(IC)生成PWM信号,该定时器集成电路(IC)广泛用于汽车、工业和其它很多行业。     占空比  :基于555定时器的PWM信号的缺点是占空比的  不足。影响占空比的555定时器IC参数在不同的IC上会各不相同;即使设计中的每个组件值都相同,一个555 IC定时器产生的占空比与另一个555 IC产生的占空比也可能会不同。而在汽车中,这就意味着左右两侧的尾灯亮度可能不同。解决这个问题的方法之一,是用以晶体为时钟源的单片机微控制器代替555 IC,从而生成  的占空比PWM信号。但是,这个解决方案需要使用更多的外围器件和更复杂的软件编程,且还要解决会受到的汽车内部电磁干扰的问题。另一种方法是在制造过程中校准尾灯的亮度。但是,这种方法要求电子设备支持校准,因而所需的生产时间更长,也会提高整体的产品成本。     反馈:第三种可能性是使用反馈。图2描述了这一方法。原理很简单:将PWM占空比与  参考值进行比较,然后相应地调整定时器的电路输出。这种方法操作简单而且成本效益较高。                                        图2:框图中添加了反馈,用于提高555定时器电路生成的PWM信号的  。     汽车照明设计的这个有用技巧,采用反馈来改善占空 的这个方法比其它方法更加简单,也更具有成本优势。

  • 2024-07-03
  • 发表了主题帖: 汽车氛围灯静电浪涌保护设计方案

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-3 09:13 编辑 汽车氛围灯,顾名思义,是烘托车内氛围的照明灯,是汽车内饰情感化设计的一种体现。一般有暖色(红色等)和冷色系(蓝色、紫色等)两种,在夜晚开启后绚丽浪漫,可营造车内情调,使得旅途并不是那么的枯燥无味,让人们拥有独特的驾驶体验。     关于汽车氛围灯浪涌保护难点有以下几个方面:     1. 复杂的电气环境:汽车的电气系统较为复杂,存在各种干扰源,如点火系统、电机、电子设备等,这可能会对氛围灯的浪涌保护造成挑战。   2. 电压波动:汽车运行过程中,电源电压可能会出现较大的波动,例如启动引擎或电器设备开关时。这要求浪涌保护装置能够有效地应对这些电压变化,防止对氛围灯造成损害。   3. 多路负载:汽车氛围灯通常由多个灯条或灯泡组成,每个负载都需要单独保护。这增加了保护电路的复杂性和成本。   4.可靠性要求:汽车环境对电子设备的可靠性要求较高,浪涌保护装置必须能够在长期使用中稳定工作,不受温度、湿度和振动等因素的影响。   5. 电磁兼容性:氛围灯系统需要与其他电子设备共存,并且不能对车辆的无线通信系统(如蓝牙、GPS 等)产生干扰。因此,浪涌保护设计需要考虑电磁兼容性问题。   6. 标准和法规:汽车行业有严格的标准和法规,浪涌保护设计需要符合这些要求,以确保安全性和兼容性   7. 成本和尺寸限制:在汽车应用中,成本和尺寸通常是重要的考虑因素。浪涌保护装置需要在满足保护要求的同时,尽量减小尺寸和成本,如何来选择合适的器件满足车厂7637-2全套测试和抛负载要求,Lin线如何选型保护tvs?     虽然存在这些难点,但采取一些措施来提高氛围灯浪涌保护的效果,比如选择合适的浪涌保护器件、优化电路设计、进行严格的测试等。以确保浪涌保护方案的有效性和可靠性。     以下是氛围灯静电浪涌保护方案供参考     1.以下是某知名品牌LED驱动器汽车产品系列 ,在驱动器电源供电处建议加ESD二极管,以对驱动芯片做静电浪涌保护。        2. 此方案是车规类电容触控SoC芯片TCAE11,用于实现智能按键或滑条等功能,适用于车内阅读灯,氛围灯,中控,空调控制,方向盘,门把手等各类应用场景。此方案里电源输入端也需要放置ESD二极管 ,保护后端SoC 芯片及氛围灯的控制安全。     ESD 二极管选型     供电线选型优势:封装小,适合车内狭小安装空间。防浪涌电流IPP大,防静电高±30kV(air),±30kV(contact)。   Lin线保护优先选择 18/24 不对称电压的ESD二极管PESD1LIN,也可选择大功率的24V双向器件。     常见ESD二极管型号:     1N4148:这是一款常见的快速恢复二极管,具有较高的ESD保护能力。它被广泛用于静电保护电路中,适用于多种应用场景。   PESD系列:如PESD1LIN、PESD5V0L1、PESD5V0L2、PESD3V3L1、PESD5V0L4等。这些二极管具有低静电反应时间和高能量吸收能力,适用于汽车电子系统等对ESD保护要求较高的场合。   ESD5V3R1B:这是一款5.3V的超低容量双向ESD二极管,具有极低的串联电容和极高的ESD抑制能力,适用于高速数据线、天线和汽车电子设备的保护。   DF05S-E3/45:这是一款5V的表面贴装ESD二极管,适用于汽车电子系统中对ESD保护要求严格的场合。   ESD5V3R1B:5.3V双向超低容量ESD二极管,具有极低的串联电容和高ESD抑制能力,适用于汽车电子设备的静电保护。   1N4148:这是一种常用的快速恢复二极管,虽然不是专门用于ESD保护,但在一些低压、低频的应用中,也能提供一定程度的静电保护。

  • 2024-07-02
  • 发表了主题帖: 汽车后照明系统的趋势和拓扑结构 (Rev. A)

    本帖最后由 火辣西米秀 于 2024-7-2 09:07 编辑            

  • 2024-07-01
  • 发表了主题帖: 汽车照明5大创新应用

    汽车电子创新层出不穷,例如在汽车照明领域,就出现了自适应前照灯系统、动态尾灯、个性化内饰照明、更亮的定制化小灯和透明车窗显示五个创新应用场景。在德州仪器(TI)的媒体沟通会上,该公司LED驱动器产品线经理龚松对此进行了重点介绍,并介绍了该公司相应的解决方案和创新产品。       自适应前照灯系统     龚松介绍说,自适应前照灯的目的是为了减少眩光。“大家平时在路上行走或开车时应该也遇到过这样的场景:对面来车开着远光灯,你的眼前立刻变得一阵白茫茫的,如果你也开着远光灯,迎面双方都会出现视线上的盲区,这就会对道路安全产生非常严重的威胁。如果你是行人,也会给你带来极大的不舒适感。”他表示。 车厂为了避免这种情况,花了多年的时间去研发技术。传统的方式是,汽车大灯使用卤素灯泡或者疝气灯。当时车厂有一个技术叫做自动调节远近光,当检测到前方有车辆或行人时,自动把远光调为近光。但这样也并不安全,特别是同时有行人和车辆来的时候,调成近光会使司机的视野受到极大的影响,看不到对面的行人。在这种情况下,TI就研发了自适应前照灯系统。 当对面有车辆或行人过来的时候,汽车只把光驱调暗,其他的光都保持原来的状态,这样就能有效避免眩光,同时对驾驶员的视野不构成影响。 对此,德州仪器的解决方案是在前大灯上采用LED作为光源,这就需要LED驱动器。TI对应有2款产品:TPS92682-Q1和TPS92520-Q1。 他表示,德州仪器产品上的“-Q1”后缀说明其通过了汽车Q100质量体系认证,是合格和业界认可的汽车级产品。第一款产品TPS92682是双通道的LED控制器,它最大的特点是灵活和容易配置。这个产品支持各种拓扑结构,比如升压拓扑、降压拓扑,有升降压和反激式等,都可以通过这一个芯片来实现。除了能实现多种拓扑结构之外,它还可以实现恒流(CC)或恒压(CV)输出模式。它可以独立作为静态大灯的解决方案,也可以和其他芯片配合在一起作为动态大灯的前沿芯片。 这个芯片的输入电压范围特别广。“汽车上很多其他的应用有不同的输入电压,汽车典型的是12V的电池,但做一个产品就局限在12V是不行的,因为汽车的电池电压在最恶劣的情况下会有接近3V的低压。通常我们说4V-4.5V是比较合适的应用领域,高压可能到40V,这个产品在电源电压输入范围有非常宽的需求。”龚松说。 他指出,在设计上,车厂,包括车灯供应商,这些一级和二级供应商做车辆设计时遇到的挑战是:车厂不同型号的车子或者不同的车厂间,对前大灯的造型和里面LED的配置要求是不一样的。这会造成设计人员在面对不同的项目时,需要找另外一个芯片来满足需求。这款芯片由于具有可配置性,因此厂商可以只用这一颗IC组成不同的拓扑架构,来满足所有不同车的型号和不同车OEM之间的需求。“这样带来的好处非常多,从公司运营、采购和生产的角度来说,只需要管理一颗料就可以满足不同的项目;从工程师的角度来说,每使用一个新的芯片都会碰到一些不了解的性能,都有可能在设计当中出现一些系统bug。而当你越长时间地使用这个芯片,对它就越了解,你设计出来的系统会越成熟越可靠。这让工程师只用这一颗芯片就能满足不同的需求,从技术上提供可靠性、稳定性,从公司运营的角度看也降低了客户运营的复杂性。”他指出。 第二款产品TPS92520-Q1同时将这几个性能集成在了同一个芯片中。它也是具有SPI的单片双路同步降压LED的驱动器,同时集成了MOSFET。这个芯片的开关频率非常高,达到2.2MHz。TI将这个技术引入汽车LED照明领域,把底部的散热盘放到了芯片顶部,这样就非常容易在上面再放一个散热片,加强系统散热,而使这个小小的芯片可以输出极大的功率。 “TI的参考设计是用这两个芯片组成的,在这么小的面积内实现了120W的汽车前照灯参考设计。”龚松说,“在这样一个参考设计上,可以用它实现静态或动态的LED前大灯的ECU设计。” 这两颗芯片塑造了汽车前大灯的前两级,但要真正实现动态控制需要LED的像素级控制,需要控制每一个LED单独的开和关,这样才能够实现关闭确定的某一区域的光,保留其他区域的光继续开启。因此,还需要一颗TPS9266X-Q1芯片实现LED矩阵管理,也就是TI的Matrix Manager。 这个方案实现了防止眩光的功能,同时给汽车OEM带来了一些惊喜。他指出,LED前大灯的矩阵管理有一个特点,每个独立像素的管理做得特别精确,每个像素点还带独立的诊断功能。这样,如果像素点出现问题可以及时报告给ECU,让系统知道你的安全可能受到潜在的威胁。这样的产品可以让用户编程光束的形状。“比如夜晚在高速公路上开车时,因为车速比较快,周围需要照得更远,从而让你的视野更远。这时候它会形成一个照得很远的光束,但是视线相对比较窄。当你走到省级公路或者普通公路时,路况比较复杂,这时候它会提供更宽广的视野,把光照得更宽,让你可以看到周围更近距离的路况,保证系统的安全。” 然后,一些汽车前大灯的厂家提出了需要几千个像素点的更高分辨率的要求。这在原有基础上就带来了极大的挑战:1.LED是单独布设的,芯片会越来越大;2.前大灯是功率系统,当采用更多LED的时候热管理也开始出现问题。为此,德州仪器出了一个百万级像素解决方案,彻底超越了客户的需求,并且解决了他们所有的问题,这就是DLP(数字光源处理)技术。 DLP技术早已有之,现在TI将它带入汽车领域。“首先,它超越了客户对于前大灯像素的需求,我们带来一个百万级像素产品。第二,这个产品因为卓越的特性又带来了客户当时没有想到的一些应用。这个产品能够实现高精度、高分辨率投影的效果,现在客户在用它做一些特别炫酷的应用。”他举例说,“比如现在行车途中遇到行人,要停车让行人先过去。但在没有斑马线的情况下,遇到行人其实也要让他先过去。行人怎么知道你停车是在等他先通过呢?这时候你就可以用DLP的LED作为人车沟通的渠道:可以用前大灯投影出一个斑马线给行人,这样他就知道可以过去了。前大灯有各种各样投影应用,DLP技术超越了汽车厂家对于前大灯产品应用的需求,它有更多的可能在等候汽车OEM和前大灯设计厂家去发掘。” DLP 5531-Q1也通过了汽车级认证。已经有产品采用这种技术在公路上运营了。DLP所用0.55英寸的数字微镜器件(DMD)能够把尺寸做得特别小,把光源镜头的高度做到小于40mm,让它可以塞在前大灯里。除此之外,TI还提供参考设计来简化工程师的设计任务。这个参考设计提供了自适应远光灯技术,同时把分辨率提升到1万倍以上。 TIDA-020026是步进电机参考设计,用于调整光源位置。它应用在汽车的一些特殊的应用场景。“比如上下坡时,如果还是保持原来光照明的水平位置就会发现视角变得不是那么好,或者亮度变得不是那么高。通过简化的步进电机的设计抬高或降低光源的位置,使得驾驶员始终可以获得非常清晰的视野,同时提供足够的亮度。”他解释说,“这个产品非常有特色,我们做了一些算法在里面,这个产品也不需要额外的传感器,有效简化了产品设计。” 尾灯     传统的尾灯非常简单,它实现信号功能,比如要刹车、转弯或是给出一个简单的指示功能。但现在随着汽车的发展,业界也希望尾灯可以有一些更加炫酷的效果,同时还可以起到通信的作用。整个贯穿式的尾灯系统在市场的有些车型上已经开始使用了,这是现在的一个热门话题。实现贯穿式动态尾灯设计并不容易,首先看一下从过去到现在有哪些变化。 过去尾灯每个灯是独立控制的,使用的LED驱动是模拟驱动型的LED Drive,每个灯的组件是单独驱动的。现在需要使整个系统互动起来,就需要多个像素,像素点的数量会增加非常多。这时候LED Drive就从纯模拟的器件变成了模拟LED Drive,内部集成了大量的PWM控制以及内部LED量变控制算法的数字模型。 TPS929120-Q1是12通道的LED Drive,每个通道可以驱动一颗、两颗或三颗LED,同时可以将多颗芯片级联在一起驱动上百颗的LED芯片。 TPS929120还有一个特性,因为车的后箱体的距离非常长,整个贯穿式的尾灯如果要实现动态灯效,就需要通信接口,让这些灯可以非常有效的互相通信。传统方式可以用CAN或LIN,但是每一个PCB都需要一个MCU去控制,去做CAN或LIN的通信,再去驱动LED Drive,使得整个系统设计变得非常复杂。有很多软件在里面,有可能软件会跑飞,另外成本也会增加。 因此,德州仪器在TPS929120上推出一个接口,叫做FlexWire。这是德州仪器独有的、自定义的协议,它基于UART协议,同时利用了CAN和LIN物理收发器这一层。第一,由于有CAN和LIN在里面,它保证了系统安全可靠性。第二,UART的编解码功能相对容易上手。这种借口提供长距离的通信,同时保持非常好的可靠性和EMC/EMI性能。 另外一个挑战是:当在尾灯上采用MCU时,尾灯分布距离非常长,多个MCU和PCB板互相连接在一起,这时候会带来安全性的问题。如果灯坏了怎么办?如果MCU跑飞了怎么办?这款芯片集成了非常完整的故障诊断和报错的功能。即使在一个通道中,比如使用TPS929120的12个通道中的某一个通道去驱动两颗LED,这两颗LED中的某一颗LED短路了,这颗芯片也会报错,因此可以提供非常精确诊断的功能。 同时它还提供了额外的保护功能,比如有可编程的故障保护,还集成了看门狗计时器,可以监控MCU故障信号。“它会监测MCU有没有定时发过来信号,如果MCU已经跑飞了,它会立刻报错,报告MCU已经出现问题。但这个时候车辆可能还在运行,不能让尾灯失效,它就会进入失效保护模式。”他表示。这种情况下尾灯可以脱离MCU继续提供基本的尾灯的功能,使得系统仍然处于安全运行的范围内。 综合这三个挑战,多像素控制、长距离通信和安全性在TPS929120上得到了完美地实现,现在这个芯片在大量的sample阶段,即将量产。 同样,TI也提供了参考设计。这个参考设计可以驱动48个LED,每个通道两个LED,它其实是将两颗芯片连接在一起,放置在一个板上实现的。用户可以用自己熟悉的MCU和兼容的控制芯片,同时EVM板可以实现级联,实现更多的LED效果。 个性化内饰照明 “传统顶灯照明非常简单,就是一个开关。有的时候外面比较黑,上车后还要摸半天,才能摸到开关在什么地方。现在我们提供一个应用场景,来说明如何实现智能化和区域化的照明。比如你坐在副驾驶看书,光线不一定照在书上,但现在可以调整光线让它直接照在你的书上。如果你在移动座位或者身体,书的位置也在移动,我们可以让光跟踪书的位置,让你始终获得非常清晰的视野,同时不会影响驾驶员。”龚松介绍说。       实现这样的设计,首先要实现像素化的控制。TI的参考设计采用了TIDA-020012,它是高像素LED矩阵驱动模块,可以采用直驱模式驱动30颗LED,也可以采用多路复用驱动150个LED。TI使用了三颗芯片实现这个设计。 第一颗芯片LMR33630-Q1是款3A同步降压转换器,功率密度非常大。这个芯片没有采用标准封装,而是采用了HotRod封装,没有引线,是芯片倒过来直接卡在封装里。第一,极大地提高了热效;第二,没有引线减少了EMC、EMI的干扰。 第二颗芯片TLC6C5724-Q1有24个通道,每个通道可以输出50mA的电流。通常汽车需要的通道数比较少,8通道是最流行的,有些会用到12或16通道。而这款24通道的芯片使得大规模、矩阵化LED设计可以使用更少数量的芯片。同样,由于需要直接驱动LED,因此这款芯片具有全面的诊断和一些故障检测的功能。 第三颗芯片是LDO TPS7B82-Q1。LDO是业界非常标准、简单的器件。这颗LDO是300mA的高压超低IQ的LDO,它的电压输入范围是3V到40V。它不但满足了前述汽车电池电压的范围,同时满足了在最恶劣的冷启动和启停条件下的运行。其静态电流特别小,为2.7μA,而通常在汽车领域使用的LDO都是几十μA甚至上百μA。这对汽车这样一个电池供电系统来说很有好处——当车主把车停在某个地方一段时间时,所有的电子设备都在消耗静态电流,它有可能把电池给用完,而2.7μA的静态电流可以使电动汽车维护待机状态的时间变长。同时其精度也很高。 更亮的定制化小灯 “这些灯大部分用在汽车外部,它可以带来更多的便利性和舒适性。比如在车门位置做一个照明灯,一开车门就可以看到下面是不是有一个水坑、是不是有一个砖头,这样可以在黑天的时候有更清晰的视野。”龚松说。针对这个系统,TI提供了两种解决方案:一种是提供基本的功能,非常简单和便宜;二是满足高端炫酷的需求。       对基本的静态符号投影,该公司提供的是一颗TPS92613单通道LED驱动。它非常简单,直接连在电池和LED上就可以驱动,它有一个非常精确的恒流输出。传统客户会用一些分立方案,这种方案很简单,应用得很成熟了。但它带来的问题是,只是简单提供了一个电压或电流源。当用户需要一些安全功能的时候,或需要故障诊断或检测LED是否失效时,就需要再加器件。这使得分立方案加的器件越来越多,不光成本上不太划算,而且会增加PCB的负载。 德州仪器提供非常简单的单通道LED的驱动,在一个非常小的封装里面满足了客户所有的需求,同时成本上没有增加。 针对客户高端的需求,例如开门欢迎贵宾,需要展示出一个红地毯,或者,自己家里人出门,只需要照亮一下外面的路况,或者,汽车厂家需要一开门就把符号、商标投影在地上,展示品牌的个性,这时候就需要动态地进行地面投影,而使用DLP技术就实现这个功能。 DLP技术通过DMD芯片实现,可以实现非常高像素、高分辨率的图像显示。根据系统要求可以显示图片、视频和照明应用,可以作为车主和其他人沟通的一个渠道。那么,将这样的产品用在汽车小灯上带来的挑战是什么?DLP本身不是单独就可以工作的系统,它需要光学的透镜以及光源。因此对于小型应用来说,尺寸就是非常大的挑战。 现在,DLP模块已经小到可以放在车门上,也可以放在车的后视镜上,还可以塞在前大灯或者尾灯里作为辅助照明,作为前方专门的logo投影或者尾部的信号投影。 透明车窗显示 “大家在路上可能看到过这样的产品,在后面的车窗上有一些显示,白天的效果可能不是特别好,晚上就可以看到。这个可以投广告——广告是一个巨大的产业,众多的搜索引擎都是靠广告来生存的。汽车行业出租车或网约车也想加入这个行列,利用投影技术是一个非常好的方式。另外可以投一些欢迎的信息,比如你打个网约车,司机在侧面的玻璃上打出欢迎某某的字样,你在路上就不用到处找车牌、判断车的颜色,看看车窗上有没有你的名字就可以了,它其实是加强了人和人之间的沟通。”龚松介绍说。       怎么实现呢?这里又可以使用DLP技术,但是这里所用DLP有个非常独特的特性,就是它不需要光源。“有些产品是会挑光源的,但DLP本质上是一个小镜子,什么样的光源都可以反射。所以实现玻璃上清晰的投影,需要在玻璃上贴一定的膜,以一定波长来投影光源,这样才可以显示非常清晰。不然玻璃是透明的,光就透过去了,看不到图像。”龚松解释说。 TI采用DLP实现了这个功能。该公司有两颗芯片,都是汽车级认证的芯片。DLP3034-Q1是一颗0.3英寸DLP芯片,具有非常高的光输出效率,可提高日间信息的可视度。它支持405nm波长照明源,以及864×480分辨率。DLP5534-Q1的尺寸是0.55寸,它的分辨率更高,达1152×576,具有1.3M像素点,同时其照明光亮度是DLP3034-Q1的三倍。

  • 2024-06-27
  • 发表了主题帖: 新能源汽车之贯穿式尾灯方案浅析

    贯穿式尾灯在越来越多的车辆设计中被运用,既可以让车体看上去更加宽大和奢华,也让车辆在夜间行驶中更加醒目和安全。但贯穿式的车灯模组由于长度较长,对生产设备、生产工艺要求更高。小米SU7就搭载了贯穿式光环尾灯,以360颗超红光LED组成渐层式动感光带,动态灯效在夜间车流中优雅醒目,该尾灯中使用的控制模块来自朗恩斯。 图1、小米SU7的贯穿式光环尾灯 汽车尾部的灯组是车辆灯光系统中非常重要的一部分,由转向灯、位置灯(雾灯、造型灯)、制动灯(刹车灯、倒车灯、停车灯)组成。贯穿式尾灯属于信号灯,用于提醒周围车辆和行人,本车即将要发生的驾驶意图,包括转弯、刹车、驻车等,同时车身上的各种造型也可作为汽车身份的一种标识,工作电流一般小于100mA。车后组合灯有这些高阶功能:增强型停车灯、尾灯、转向灯是动态的分段式灯光信号,创新的车灯造型可实现以光束打造品牌、迎宾、动画等效果,可驱动单串、多串LED灯珠,更高能效,更少损耗,并含安全诊断功能。 图2是常见的贯穿式尾灯方案框图: 左右固定侧分别使用一颗MCU,用于控制固定侧的转向灯(黄色)、位置灯和制动灯。同时,为了降低成本,很多车厂会将位置灯和制动灯进行复用(红色),通过配置LED驱动实现不同的电流进行功能区分。 移动侧一般使用一颗MCU,用于控制转向灯、贯穿式位置灯和制动灯。 三颗MCU通过CAN总线或者LIN总线,进行车灯效果的同步,以及与车身其它ECU节点的通信。   图2、贯穿式尾灯方案框图 从图2框图,我们可以明确知道贯穿式尾灯方案用到的芯片主要有以下四种:主控芯片、电源芯片、驱动芯片和通信芯片。根据“Auto FAE进阶之路”的资料整理,我们进行了适当的补充。 1、主控芯片 通常选用ARM Cortex M0内核的MCU,外围接口最低的配置需求是一路CAN,一路LIN,一路UART,1路ADC,存储需要128K Flash。如果车厂需要信息安全或者功能安全,MCU就需要加密模块、功能安全认证。如果车厂要求上AutoSAR平台,Flash就需要512K到1MB。常见的尾灯方案中使用的MCU品牌有恩智浦、智芯、云途、杰发、兆易创新、中微半导体等。   图3、常见MCU资源表 汽车尾灯MCU使用最多的是恩智浦的S32K1系列,前两年因为供应紧张,客户都将主控型号集中为S32K144(100pin)。但是从匹配需求的角度来看,S32K116就能够满足。还有英飞凌的TLE9842,TLE984x 产品系列集成了Arm® Cortex®-M0 微控制器内核以及继电器驱动器、高边开关,LIN 收发器和电源系统。智己L7尾灯采用了7颗英飞凌的SAK-TC233LP-16F200F AC,32bit MCU,用来控制灯板上的LED driver来实现不同的动画效果。   图4、智己L7尾灯   国产MCU使用比较多的是智芯、杰发,杰发的AC78013量产最早,但是前两年供货紧张,很多客户更换成了智芯的Z20K11x系列。最近也有一些客户在使用云途的YTM32B1L系列,云途的代码生成工具,软件库等配套生态链相对做得更完善些。中微半导体的MCU之前在西南地区使用的客户比较多,华东地区目前也有少量客户在使用。兆易创新的工业级MCU是国产龙头,但是布局车规MCU较晚,导致使用GD32A503的客户不是太多。   国产MCU还有一家客户选用率较高的是芯旺微的KF32A1xx系列,但是因为他的内核不是ARM核,而是基于自研的KF32内核架构,很多客户对于他后续的roadmap存在担忧。     其他MCU布局了汽车尾灯应用: 1.1、矽力杰B系列MCU,对其中的D flash容量作了升级,总flash容量相比同等规格竞品有不小的提升,例如SA32B16的总flash容量实际达到640KB,同系列的其他产品亦是如此。 1.2、芯海科技的CS32F116Q,一款基于ARM® Cortex®-M3内核的通用车规MCU,满足AEC-Q100认证的要求。 1.3、极海半导体的G32A1445,不但满足车规要求,同时支持传统三路尾灯显示和贯穿式流水显示,更具高辨识度、高可靠性。 1.4、旗芯微的FC7300,FC7300系列含有FC7300F8MDT、FC7300F4MDD、FC7300F4MDS 3种产品家族,且均可对标英飞凌的TC家族控制器。 1.5、琪埔维的XL6601,同时满足AEC-Q100汽车可靠性标准和IOS26262汽车功能安全标准的车规级MCU芯片。支持多种通讯接口,例如CAN、LIN、UART、I2C、SPI等,还支持64、80、100 LQFP等多种封装形式,符合车用高可靠性和稳定性要求。 1.6、赛腾微电子的ASM87F0812T16CIT,一款针对汽车LED尾灯控制开发的高性能专用MCU,该芯片选用通过ISO/TS16949认证的汽车级0.11um嵌入式闪存工艺制造,内置全温全压高精度(<±0.3%)时钟振荡器、边缘捕获PWM与高可靠的Data EEPROM等专用电路模块等。 1.7、Microchip的PIC16F15344汽车级8位MCU, 另一款ATSAMHA1E14A集成了LIN收发器、ARM Cortex-M0+内核的MCU、LDO、PTC触摸控制器,单芯片实现LIN BCM仿真功能。     汽车尾灯方案中见到的国产主控MCU还是比较多的,因为价格、供应以及技术支持力度都非常不错,且芯片资源能满足绝大部分的尾灯需求场景。 2、电源芯片 DC DC用于将车身电池12V转换到8V,用于给LED灯珠和LED驱动供电。 LDO用于将车身电池的12V转换到5V,给MCU和CAN收发器供电。 2.1、BUCK芯片 德州仪器在DCDC领域一直是领先的,大部分客户都在用德州仪器的电源芯片,并且现在很多汽车客户都转为德州仪器直供客户,价格和服务支持会更好。 LM61460和LM62440现在属于德州仪器主推的新物料; 智己L7尾灯采用了3颗 芯源的36V/3A降压DCDC芯片MPQ4483和 36V/6A降压DCDC芯片MPQ4480;   芯源的MPQ442x系列之前在车载导航客户用的非常多,MPQ4436因为EMC性能比较好,并且最高输出能到6A;   亚德诺/美信的MAX20004,MAX20006在传统的车灯方案用得比较多; Microchip的MIC28514汽车级高压大电流DC-DC,输入耐压高达75V,输出电流可达5A,支持软启动,用于给LED进行预降压供电,从而降低线性LED驱动器上的发热损耗。 图5、常见BUCK芯片参数表 总的来说,车规BUCK芯片还是进口占据主导地位,国产使用不多。 2.2、LDO芯片 常见的尾灯方案中使用的LDO品牌有德州仪器、罗姆、MPS、纳芯微、思瑞浦、瓴芯等。智己L7尾灯采用了英飞凌的TLE42764GV和安森美的LDO芯片NCV4276C。 图6、常见LDO参数表 LDO基本是150~300mA,封装一般是SOT223和SOP8,国内车规LDO和进口的封装基本一样,大部分能pin2pin,对客户来说替换比较容易。   3、驱动芯片 贯穿式尾灯方案中,使用数量最多的芯片就是多通道LED驱动芯片,早期UART转CAN的技术还没有成熟时,客户会选择SPI或者IIC接口的LED驱动,现在因为UART转CAN的接口技术成熟,并且可选品牌非常多,基本都是使用UART转CAN接口的多通道LED驱动。市面上常见的UART转CAN接口的LED驱动芯片,品牌主要有德州仪器、罗姆、艾尔默斯、英飞凌、纳芯微、络明芯、芯源、矽力杰和帝奥微等。整体的参数对比表格如下所示。 图7、常见的LED驱动芯片 德州仪器用得最多的是TPS92910,是一颗40V耐压、12路输出通道(每通道最高75mA),支持开短路诊断的高边驱动方式的线性恒流LED驱动。目前随着贯穿式尾灯使用的LED增多,以及ISD等方案的兴起,TPS929240经常被应用。智己L7尾灯采用了50颗德州仪器的48通道LED Driver芯片TLC6C5748-Q1、TLC5955。 罗姆的BD18333,相比上一代BD18331,完善了开短路诊断功能,支持24通道输出。 艾尔默斯的E522.49,相比TPS92910通道数更多,单通道电流更高,内部集成了裁剪版的CAN收发器。如果MCU和LED驱动的板间连线超过50cm,推荐E522.94,内部集成了完整的CAN FD收发器。如果客户需要支持完整的CAN FD协议可以考虑使用E522.95。 纳芯微的NSL21912,和TI的TPS929120是软硬件兼容,同时修复了TPS929120在PWM占空比为0,通道使能打开时出现微亮的问题。但是耐压只有20V,如果LED功率不高的格栅灯方案中使用会存在风险。 上述表格中还列举了TLD7002,MPQ7225,IS32LT3138,DIA82920等芯片,目前也有一些客户在使用。以下厂商也有推出LED驱动芯片: 3.1、聚积科技的MBI6353Q和MBI1841Q可用于贯穿式尾灯,MBI1841Q更内置控制模式,让车尾灯可以实现不同的调光控制和灯效,如渐变、跑马灯或闪烁等,让车尾照明更具风格和个性,并提高整体能见度和道路安全性。 3.2、Melexis的LED驱动芯片MLX81143,集成21颗LED恒流源,并可改进整个系统的电源管理;具有非常广泛的调光范围,无论是白天还是夜间都能达到优异的亮度调节效果。MeLiBu®接口支持同时驱动车内多达3000个LED,提供动态安全警示并增强车辆与驾驶员之间的通信。 3.3、Onsemi的NCV7685作为线性LED驱动,具有12通道最大60mA线性恒流驱动能力,支持每个通道独立PWM调光,具有LED故障检测和反馈功能。通过I2C进行控制,可对I2C地址进行配置和编程。 3.4、元芯半导体的YX8265是一款可直驱氮化镓的升降压LED控制器,输入输出均支持到65V范围,并集成高压侧的电流采样,集成模拟电压和PWM高精度调光,集成功能安全单元对LED开路和LED短路进行保护和报警,可完美支持汽车LED矩阵式前照灯ADB控制,尾灯流水灯控制,迎宾模式控制等高端智能车灯应用。 3.5、意法半导体的尾灯驱动产品L99LDLH32和L99LDLL16,通道数量多并集成特有的CAN-FD Light接口,可以构成一种全新的分布式尾灯控制方式。 4、通信芯片 LIN收发器用于几个主控MCU之间通信,或者和外部ECU进行通信。 CAN收发器的使用场景有两部分: 用于MCU和外部ECU的通信; 用于MCU和LED灯驱的UART转CAN通信。 CAN、LIN收发器的国产替换进程比较快,国产和进口品牌都有丰富的产品矩阵。 4.1、CAN收发器 CAN收发器芯片品牌主要有恩智浦、德州仪器、英飞凌、安森美、芯力特、川土微、思瑞浦、纳芯微等。智己L7尾灯采用了恩智浦的CAN收发器芯片TJA1042。 芯力特是国内最早量产CAN收发器的厂家之一,SIT1051、SIT1042、SIT1043、SIT1044、SIT1145目前在网上都有对应的数据手册和订购渠道。 川土微的CA-IF1051、CA-IF1042、CA-IF1043、CA-IF1044目前在网上都有资料。 思瑞浦的TPT1051、TPT1042、TPT1043、TPT1044、TPT1145目前都已经量产,并且大部分产品的CAN引脚耐压能够做到±70V和通过德国C&S兼容性认证。 纳芯微的车规CAN收发器量产较早,但是因为供应原因,没能抓住前两年国产替换的窗口。现在CAN收发器的价格竞争激烈,再想要获取份额还是有些难度的。 4.2、LIN收发器 LIN收发器芯片品牌主要有恩智浦、德州仪器、英飞凌、安森美、微芯、芯力特、川土微、思瑞浦、纳芯微、络明芯。恩智浦是全球领头羊,国产量产芯片基本都是对标恩智浦的TJA1021,少数厂家有在做对标TJA1028的产品。络明芯这一家量产了对标TJA1028的LIN SBC芯片,型号为IS32IO1028。微芯的ATA663254汽车级LIN收发器,集成了85mA LDO,可以直接为MCU供电,无需额外增加LDO。

  • 2024-06-26
  • 发表了主题帖: LIN总线在汽车灯光控制系统的应用硬件设计

      LIN是CAN总线系统的子网,也叫“局域子系统”。汽车上LIN总线控制的所有系统之间的数据交换,必须通过CAN总线控制单元才能实现。       LIN总线作为CAN总线的一种有益补充,可以更为经济、有效地完成车辆功能。LIN结构比较简单,只有一根数据线,也只能用于传感器和执行器之间的简单数据传输。它与CAN总线不同,LIN总线上的控制单元分主、从的,主控制单元与CAN总线连接,控制着LIN总线上的其他从控制单元,也就是说,只有主控制单元发送信息结束后,从控制单元才能进行数据信息的发送。     一、LIN总线应用       LIN总线被称为数据循环总线,是一种单总线,是指数据信息不管有没有要求或者有没有变化,总是在总线上反复重新循环发送和传递,以利于传感器和执行器在任意时刻都可以接收总线上的数据信息。           LIN总线通过使用简单的电子设备节省了结构空间,最大传输速率为20kbit/s,由于多家汽车制造商将标准公开化,促进了LIN总线在汽车灯光控制系统及一些简单系统的开发,使得CAN总线系统不仅没有被取代,反而得到了扩展,单主/多从原理确保了安全性。LIN总线系统应用的方案简单,传输速率较低,适合应用在一些对时间要求不那么严格的场合,比如舒适娱乐系统、汽车香薰系统,汽车灯光控制系统、门锁系统、氛围灯控制系统、自动空调系统、后视镜控制系统、电子辅助转向系统、天窗控制系统、自动雨刮控制系统和洗涤系统等传输上。   二、LIN总线特点       LIN总线是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统,是一种基于UATR数据格式,主从结构的单线9-10.5V总线通信系统,主要用于智能传感器和执行器的串行通信。     LIN总线在结构上,采用成本低的单线连接、传输速率最高位20kbit/s,其媒体访问采用单主/多从的机制,不需要像CAN总线一样进行仲裁,在节点中不需要晶体振荡器二能进行自同步,现在LIN芯片也不算贵,所以,仅是LIN部分的话 ,减少了硬件平台开发的成本。       其主要目的是为现有车辆网络CAN提供辅助功能,目标就是低端系统(这里主要指速率要求低),无需CAN总线的性能、带宽以及复杂性,可以说,LIN总线是一种辅助型总线网络。     LIN总线系统一般由一个主控制单元和最多16个从控制单元组成,LIN总线主控制单元请求从控制单元发送数据,并发出操控指令。为了与汽车上的其他控制单元进行通信,主控制单元连接在其他总线上。LIN总线主控制单元在汽车诊断检测中有地址码,由其负责对所连接的从控制单元进行诊断。例如一路CAN上,连接2个LIN控制单元A、B,LIN控制单元A控制空调、空气鼓风机、风窗玻璃加热(再分左右)、B控制单元控制车顶模块中的天窗、车灯、电机等。还可以包括车灯控制系统中的灯的水平位置调整(远近光灯)、车门、车锁、电子制动、空调、巡航控制、座椅、仪表、暖气、尾灯、后视镜电子装置、后视镜水平调整电机。       三、灯光控制设计方案       在特斯拉、宝马、比亚迪、福特、凯迪拉克等灯光控制系统上,通过加装灯光控制系统单元来集中控制,主控单片机结构原理图如下:           这个灯光控制系统包括了远光旋转开关接口、车灯变光接口,左前照灯LIN总成控制接口、右前照灯LIN总成控制接口,转向柱电子装置控制单元、数据总线诊断接口,预留了CAN位置,可以外接组合仪表控制面板单元,车载电网控制单元几BMS等器件。可以控制变光开关、左右灯的远近光控制,双闪状态和示廓灯状态等等。原理是通过灯光旋转或者接收到控制单元信号,灯光控制系统内部接通远光灯控制器触点,随机接收到远光开启的模拟信号,汽车灯光控制系统将这个模拟信号转换成数字信号,通过CAN总线将数据发送给车载ECU控制单元和仪表板控制单元。       当任何时候转向变光信号过来时,灯光控制系统内部接通超车灯控制触点,随即控制系统用原车LIN协议向车灯发送超车灯开启的模拟信号,以驱动原厂车灯闪烁。这套灯光控制系统组件,不仅可以驱动原厂车灯,也可以驱动副厂车灯件和改装车灯件。       四、汽车LED       为了更加炫酷和增加远光灯与超车灯亮度,后装和改装车灯总成大多采用LED模块照明方式。LED是当电子与空穴复合时能辐射出可见光,在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示,砷化镓发红光、磷化镓发绿光、碳化镓发黄光、氮化镓发蓝光。在汽车大灯总成结构中,包括了壳体、转向信号灯模块、日行灯模块、驱动LED电源模块、远近光LED单元、远近光和LED电源模块,转向灯日行灯LED模块,近光LED单元,电路堆砌上就是一堆电路和MOS管来管理。       一般都用超高亮的LED,把他们做成汽车远光灯、近光灯、制动灯、行车灯、转向灯、矩阵灯、也可以用于仪表照明和车内照明,比如氛围灯。LED具备耐振动、省电、寿命长的特点,具备一定优势,用作制动灯时,响应时间为60ns,比一般白炽灯或者LED灯的140ns要快许多,为此,在典型的高速公路上行驶,会增加4-6米的安全距离。             五、功能及过程   打造的这款汽车灯光控制系统,也对其他数据进行了管理,例如蓄电池电压、点火状态、发动机转速、发电机DFM信号,实现了外部灯光控制、舒适性灯光控制、雨刮器控制、清洗泵控制、指示灯控制、负荷管理、车内灯光控制、后风窗加热、端子控制、燃油泵预供油控制及控制、管理状态监测等功能。至于速锐得内部软件上,可以根据不同的车型、应用场景、业务需求来实现软件的定制开发。       汽车灯光控制系统接收到原车LIN报文或者模拟原车LIN报文信号后,分别接通左前、右前汽车大灯总成控制信号,所有灯可以实现状态及控制。       组合仪表接收到汽车灯光控制系统信号后,点亮仪表板上的远光指示灯,提示驾驶人灯光状态。       驾驶人操控将变光开关向上拉动时,开关内部接通超车灯控制触点,随即汽车灯光控制系统接收到超车灯开启的模拟信号。汽车灯光控制系统将这个模拟信号转换为数字信号,通过舒适CAN将数据发给车载ECU控制单元和组合仪表控制单元。             汽车灯光控制系统接收到此信号后,分别接通左右前大灯总成,给出控制信号,所有远光灯点亮。组合仪表板控制单元接收到汽车灯光控制系统的信号后,点亮仪表板上的远光指示灯,提示驾驶人灯光状态。   六、发展及痛点       目前国内汽车大灯正由功能车灯时代,走向智能车灯时代,汽车电子化、智能化带动了车灯行业的发展使得车灯承载了传统照明意外更多的功能,例如辅助驾驶、信号传输、技术上也在不断延伸,ADB、DLP、HD等等,随着单车价值量更高的智能车灯渗透,车灯行业也将迎来新一轮的加速增长。       照明不足、配置过低、远光灯炫目灯问题也严重影响了车辆安全,也是夜间车辆事故高发的直接原因,为了解决以上问题,依托LED技术的智能灯应运而生。相比传统车灯,智能灯增加了感知、决策和执行架构,系统更为复杂,照明功能越强大,价格也将再次成倍提升。   这款灯光控制系统,是偏向于底层的,基于LIN数据、CAN数据的交互做的 一套可以多重变化的控制器,是未来智能灯控制器的弥补,也是当下改装件、副产件的必要终端,基于对LIN总线及CAN总线的理解以及场景下的应用逻辑,做好了执行机构控制、处理单元的编译、传输通路的桥接及传感器组的数字信号输入。       随着车载网络技术的飞速发展,汽车上采用的总线节点越来越多,网络的复杂程度和成本也随之增加,汽车灯光控制系统也越来越发达,采用速锐得控制系统实现网络节点升级和改进具备可操作性、能落地、速度快等多方面的实际意义,也是对车载灯光照明网络系统进行分级管理的开端。

  • 2024-06-24
  • 发表了主题帖: 车用氛围灯设计要点研究、应用实例及发展趋势分享

    近几年,氛围灯作为一种装饰汽车和烘托气氛的产品,逐渐从高端车型向中档车型普及。我们为什么要在车内安装氛围灯?氛围灯的发展趋势都有哪些呢?我们一起来看一下!   氛围灯产品发展趋势   氛围灯的设计 客户输入的确认     氛围灯的布局(隐藏式) 1、氛围灯评价视角 - 门板布局考虑本侧眼椭圆视角、对称侧眼椭圆视角、平视(为光学均匀度的主要测量方向); 2、氛围灯评价视角 - IP和CNSL布局考虑本侧眼椭圆视角、平视(为光学均匀度的主要测量方向) 、迎宾状态; 3、同时也要考虑到前排氛围灯对后排乘员的影响,如前排光导后排是否会直接可视等; 4、氛围灯点亮光带宽度(D1)尽可能>10,推荐15; 5、接收面的材质尽可能采用漫反射材质,不要采用高光材质; 6、漏光的考虑(客户要求和接受程度)。   氛围灯的布局(直显式) 1、氛围灯评价视角 -视觉效果主要考虑眼椭圆视角、对称侧眼椭圆视角、发光面法向三个视角; 2、发光宽度(D1)推荐为1~3mm; 3、散射层的材质厚度(D3) 依据材料的选择建立合适的设计标准; 4、外观面与周边件的间隙(D2)单边建议<0.3mm。   氛围灯的光学设计 光学设计的三个阶段: 1、光导(不带齿)阶段的模拟,用于校核光导转弯处亮点的产生; 2、正式的光学设计; 3、模具分型断差、胶口位置设定后的模拟。   氛围灯的光学设计-光学报告的体现形式 1、多视角 2、多种颜色(体现亮度与均匀度的差异) 3、能量分布的体现形式   氛围灯的热学设计-仿真模型   氛围灯的热学设计-仿真结果(85℃, No wind, Steady state)   氛围灯的光热学设计-模拟仿真对比   来源于网络,文中观点仅供分享交流。

  • 2024-06-22
  • 发表了主题帖: 汽车照明模式的转换

    一、简介         近100年来,反射器件在汽车照明中发挥了重要作用。汽车前照灯通过反射表面将光线反射到路面。目前很多LED大灯、矩阵式大灯和激光大灯不再使用反射器件,而是在光的传播路径上使用透镜和光学元件。如今灯具制造商所面临的主要问题是:光传播过程中的能量损耗、透镜光晕等。     二、模式转换         对于很多最新一代先进照明解决方案来说,反射率不再重要,例如:矩阵式大灯,DLP大灯和激光大灯等。他们主要是通过透镜和光学元件对光传播起作用。这是一种模式转换,还是一种颠覆性的创新?我们通过以下例子进行说明。 奔驰的多光束LED大灯和欧司朗的Smartrix矩阵照明模块,如下图所示。       图1:奔驰多光束LED大灯和欧司朗Smartrix矩阵照明模块   A.这些方案潜在的挑战是什么? 1)光线传输损耗; 2)光晕; 3)灯光边缘颜色不一致。 B.这些挑战的根源是什么? •当光从空气传播到玻璃或塑料等光介质中,一定数量的入射光会被反射,因此光在传播过程中会有损耗。同理,光从玻璃或塑料等光介质传播到空气中时亦是如此。反射光的数量取决于光的特性以及透镜的材料特性。如果车大灯的设计方案中要求在光的路径上设置多个透镜,那么光的整体损耗就会相应增加。   •光线在入射角很小的情况下照射到透镜表面,然后经多个透镜表面的多次反射而产生光晕。   •造成灯光边缘颜色不一致的原因主要是光线在入射角很小的情况下照射到透镜表面,以及透镜曲率变化较大。   C.解决方案 减少上述效应最有效的两种解决方案是使用AR抗反射涂层和蛾眼抗反射超表面结构,这两种技术都是基于真空的工艺,具体内容如下。   1)抗反射 我们大多数人都将抗反射涂层与眼镜或高端相机镜头上的介电涂层联系在一起,这两种用法都是正确的。抗反射涂层通常由多层材料组成,如硅和金属氧化物等,通过电子束蒸发器对这些材料进行蒸发涂覆(见图7)。 当我们设计一个多层的抗反射层时需要考虑的主要因素如下:每一层涂层的物理厚度、光学厚度、涂层的折射率、入射光的波长和透镜的折射率。这样的涂层使得大部分入射光首先通过涂层,然后再通过透镜的两个界面。典型结果如下图所示。       图2:不同入射角下抗反射涂层的反射率   对于包含5个透镜的光学系统,透镜无涂层时的光输出损耗为33.5%,采用如上所述的抗反射层后可以将的整体光输出损耗降到5.2%。 2)蛾眼结构 蛾眼具有显著的抗反射能力,这对其在夜间活动时的视力至关重要。蛾眼效应是基于对该现象的观察得来的。蛾眼效应是当材料表面次微米结构尺度小于光波长时,将使得光波无法辨认出该微结构,于是在材料表面的折射率沿深度方向呈连续变化,可减小折射率急剧变化所造成的反射现象。该结构表面的抗反射性能与入射角的关系不大,在不同的入射角下均能起到很好的作用。典型结果如下图所示。   图3:AR-plas结构的PMMA透镜       图4:不同AR结构的表面性能 3)真空镀膜机 这两种技术的真空镀膜机已在世界各地投入使用,并进行批量化生产。真空镀膜机如下图所示。     图5:SYRUSpro 1510真空镀膜机    图6:基底制作和移动的三种典型示例 4)处理技术 在光学涂层工业中,涂层的工艺技术和来源是众所周知的。涂层源的典型实例及示意图如下图所示。     图7:电子束蒸发器   图8:电子束蒸发器APS等离子体源示意图,APS等离子体照片 5)最新需求 最近又有一项技术要求引起了几家设备制造商的注意:增强银层堆叠。在汽车照明行业之外,尤其集中于光伏领域。与铝层堆叠相比,银层堆叠的光反射率上升,如下图所示。       图9:银层堆叠于铝层堆叠的反射率对比图 三、总结和展望   •PVD和等离子技术可以使铝层反射率提高到94%。 •AR技术或表面结构可以使透镜:透射率显著增加、尽量减少不必要的反射率、光晕减少等。 •增强型银层堆叠可以使反射率达到98%。

  • 2024-06-21
  • 发表了主题帖: 释放智能车灯的性能

    数字化车灯正在成为汽车生态系统中越来越重要的一个方面,具有提高视觉吸引力和交换信息的双重功能,可以提高车灯的性能和行车安全性。   车灯功能正在发生重大转变,车企不断地探索汽车数字化照明系统的新趋势和新技术。   能够为边灯、刹车灯、尾灯、转向灯等不同功能的车灯创造个性化的交互式灯光图案是数字化照明的一大优点,这不仅能够增强汽车的视觉吸引力,还有助于提高车辆在路上的辨识度,让道路上其他使用者更容易发现车辆。   除了美观作用外,数字照明系统还通过多功能方法交换信息,例如,数字LED 和OLED面板可以向其他道路使用者发送车况和路况的预警信息,这将大大提高汽车的行驶安全性,有助于预防交通事故。     智能驾驶     智能驾驶系统在车载数字照明监控方面发挥着关键作用,这些复杂先进的智驾系统配备一套先进的功能,确保照明系统具有详细的诊断、精确的灯光调节和全面的安全保护功能,显著提高车辆照明的质量,改善驾驶体验。   在汽车照明系统设计中,选对驱动器是一个重要的产品选型决策,特别是,恒流驱动器和恒压驱动器之间的选择尤为重要。   LED车灯开发者通常优选恒流驱动器,因为恒流驱动解决方案能够让车灯亮度均匀、不闪烁,而恒压驱动器难以控制电流波动,无法精确控制电流,导致LED车灯使用寿命缩短。此外,恒压系统通常需要增加整流元器件,增加器件将会降低系统能效。相比之下,恒流驱动器是一个自给自足的解决方案,不再需要额外增加任何器件,有助于提高LED照明系统的能效。恒流驱动器虽然初始成本较高,但长期积累的能效证明这一初始投资物超所值。   OLED显示技术显然需要恒流驱动器。OLED采用直流电源才能发挥更高的性能,而且对电流方向非常敏感。考虑到潜在的电流变化,恒压驱动解决方案可能会影响OLED面板的性能和寿命。OLED面板的电压-亮度响应曲线陡峭,而电流-亮度响应曲线相对平坦,这意味着它们的光输出与工作电流成正比。因此,电流的任何波动都会导致亮度明显变化。   因此,我们推荐使用OLED专用驱动器,因为这些产品是专门设计的,电流控制精确度更高,输出电流纹波很小,提供瞬态过冲保护,精确的PWM调光可以实现亮度动态控制,具有诊断通信和短路保护功能。   意法半导体的L99LDLH32可以给车企带来很多好处,这个尺寸紧凑的芯片采用7mm x 7mm四方扁平48引脚(QFN)无铅封装,尺寸虽小,但智能强大。它是为管理车规OLED面板和LED车灯专门设计,符合ISO 26262的汽车安全完整性等级(ASIL B)的严格要求,确保汽车照明系统达到高标准的安全要求。   L99LDLH32是一款有32个稳流源的高边配置线性稳流器,如图1所示。       ▲图1:智能照明驱动器框图   L99LDLH32的每个输出通道都有单独的电流源,能够将电流从1 mA调整到15 mA。这种电流调节功能是通过每个通道专用的8位数模转换器(DAC)实现的。电流设置参数保存在芯片的非易失性存储器内,这样设计有利于动态重新配置电流输出,以满足实时电流需求。此外,L99LDLH32能够在内存中保存单个灯串的设置,从而实现一致且可重复的光输出,这对于整个车辆照明系统保持均匀亮度至关重要。亮度均匀一致不仅是出于美观的目的,对于需要精确控制亮度的安全相关功能也很重要。   独立电流设置功能使L99LDLH32驱动器能够单独控制LED灯和OLED面板的每个像素,精确校准面板上各个区域的亮度,根据具体需求定制灯光图案和光影效果。这种精细控制提供了卓越的调节精确度和自适应性,这对于复杂的照明设计至关重要,对动态显示应用特别有用。   对于需要微调亮度的动态显示屏(包括具有3D动画的显示面板),L99LDLH32非常有用。该芯片的亮度调节非常灵活,是想要开发先进的响应灵敏的照明系统的车企的理想选择。这些照明系统不仅让汽车更加吸引人的目光,还有助于提供更安全、更具吸引力的驾驶体验。   总之,L99LDLH32为汽车行业开发复杂的定制化照明系统提供了一个多用途的功能强大的解决方案,能够轻松处理复杂的照明场景。在下一代车辆设计中,照明在功能性和美观性方面都发挥着重要作用,L99LDLH32将成为下一代车辆设计的宝贵资源。     深入分析性能     通过动态调节单个灯串的光强和亮度,L99LDLH32可以管理数字灯光配置,实现动画效果。光强精确控制是通过预设高频脉宽调制(PWM)技术和为每个灯串单独设置高分辨率电流来实现的。PWM调制技术与特定电流设置的双重控制方法可实现复杂的灯光图案和效果,让设计人员能够灵活地创造各种视觉体验。高分辨率电流控制方法确保每个灯串发射符合亮度要求的光线,同时高频PWM技术提供平滑的光强过渡和变化,这个特性对于提高汽车照明和显示器的质量至关重要。   L99LDLH32的高频PWM调光功能不仅可以创造多样化的照明效果,而且在提高驱动器能效方面也发挥着重要作用。通过调整PWM信号的占空比,可以在不改变电流的情况下控制每个灯串的亮度,让照明系统保持高能效运行。   这种调光方法可以最大限度地降低耗散功率,PWM高频工作确保人眼无法察觉光强变化,带来既舒适又美观的无闪烁体验。   此外,这种先进的照明控制功能可以降低热应力和功耗,有助于延长照明元件的使用寿命,从而降低维护成本,在整个车辆寿命内,可以提高照明解决方案的可持续性。   总之,L99LDLH32的高频PWM调光技术结合高分辨率电流控制方法,为汽车照明系统带来一个先进的高能效的解决方案,让开发者能够自由地设计超前的灯光效果,同时确保系统的工作能效、安全性和可持续性。   除了这些功能之外,L99LDLH32还配备了先进的安全保护功能,为驱动器和照明组件提供重要的安全保护,包括负载内开路或短路等任何异常检测机制。在发现潜在问题时,这些保护功能可以及时发出提示信号。   该芯片还能监测温度,发出过热警告,并主动处理过热风险。如果超过安全温度限值,L99LDLH32会根据外部负温度系数(NTC)热敏电阻和内部温度传感器的测量值自动介入干预,关闭系统,降低输出电流,启动热降额安全保护。   这些保护功能为汽车照明应用提供了一个全面的安全解决方案,防止潜在的电气危险和过热危险危害照明系统。   L99LDLH32具有故障安全和跛行模式。在发生故障时,故障安全模式可以保护系统和用户的安全。故障安全功能使系统进入安全状态,防止故障损坏系统,避免可能导致人身伤害或损坏的严重故障。   在检测到故障时,跛行回家模式会减少系统功能数量,把照明亮度维持在一定程度上,这种做法比完全关闭系统更好。在这个模式下,尽管出现故障,照明亮度仍会调整到安全水平。   故障安全和跛行回家功能对于OLED屏和LED照明系统至关重要,在安全方面发挥着关键作用。这两个功能也是满足ISO 26262标准要求的关键所在。     多用途和灵活性     作为LED灯串和OLED面板驱动器,L99LDLH32的双重控制功能使其成为汽车照明和显示领域的多功能组件。该器件的精准电流控制可以提供LED和OLED发出亮度均匀的光线所需的电流,管理瞬态浪涌电流,并保持车辆电气系统的功能完整性。   电磁干扰也是汽车照明系统设计的一个重要方面,L99LDLH32专门设计了电磁干扰(EMI)抑制机制。   该器件引入了一种照明通道开通轻微延迟方法。驱动器是按顺序开启每条照明通道,而不是同时开通所有通道。本文提供了通道0至7顺序开通的演示波形示例,这些图示说明输出电压与输出电流行为一致(参见图2)。       ▲图2:采用逐渐延迟开通方法的通道输出电压上升沿测量值   只用一个专用数据位即可启用或禁用所有通道的延迟开通功能,使设计人员能够根据每个应用的特定要求灵活地定制照明系统的性能。该功能减少了同时开关全部通道导致的潜在电磁能量浪涌,从而降低了电磁干扰影响其他车载电子系统的风险。   除了能够管理输出电压的上升沿之外,L99LDLH32还能够以相同的精准度调节下降沿。图3描述了这种均衡的电压过渡控制方法。       ▲图3:采用延迟开通方法的通道输出电压下降沿的测量值   此外,L99LDLH32还确保输出电压在通道开关期间平稳过渡。此功能有助于减轻系统承受的电应力,并且有助于增强EMI性能。然而,为了有效地利用此功能,需要更高的数据带宽。先进的CAN(控制器局域网)FD(灵活数据速率)照明协议支持高达1Mbit/s的数据带宽,可以满足这一要求。   此外,该器件内部还集成了时钟抖动功能,以提高EMI抑制效果。具体来说,这个技术在嵌入式20 MHz振荡器上应用三角波,如图4所示。       ▲图4:振荡器抖动曲线   三角波形对振荡器频率产生抖动效应,将噪声分散在更宽的频率范围内,把基频和高阶谐波能量分布在更宽的带宽上,可以降低在任何单一频率时产生的噪声峰值振幅。抖动技术有助于过滤噪声并有效降低芯片的整体EMI影响。     抗静电性能     在设计汽车LED照明系统时,抗静电性能是一个重要的考虑因素。LED属于半导体器件,对静电放电(ESD)很敏感,静电放电可能会导致器件损坏或性能下降,引起使用寿命缩短问题。   车辆可能会受到各种静电源的干扰,防ESD静电对于保证汽车LED系统的可靠性和使用寿命至关重要,特别是刹车灯和转向灯等安全功能所用的LED灯具,因为它们的连续稳定的工作对于行车安全十分重要。因此,通常会采取措施增强汽车 LED的抗静电能力,以确保它们在整个车辆使用寿命期间保持正常和安全的工作状态。   L99LDLH32驱动器采用全面的防静电放电(ESD)保护设计,以确保其在汽车应用中的耐用性和可靠性。该器件包括针对多种类型ESD设计的保护功能,每种防护功能都是模拟不同的放电场景专门设计的静电放电防护功能。   人体模型(HBM)静电防护是模拟人体可能积累和释放的静电,防止人接触器件时静电放电损坏器件。在车间组装和维护过程中,人接触电子部件是很常见的现象,因此,在器件中集成这种类型的静电防护功能至关重要。   带电设备模型(CDM)静电防护功能用于处理器件本身可能因为摩擦或与其他材料接触而带电,随后在与导电表面接触时放电的情况。CDM防护功能在自动化生产过程中尤其重要,生产线上的工件可能会带电,然后快速放电,这可能会造成工件损坏。   机器模型(MM)静电防护功能旨在防止制造设备或机械产生的能量更高的放电现象。机器模型(MM)ESD事件可能比通常由人类接触引起的事件更为严重,如果没有充分防范,可能会造成特别严重的损失。   L99LDLH32具有HBM、CDM和MM ESD三种静电防护机制,证明其设计有很高的稳健性,能够耐受从生产到实际使用可能遇到的各种静电放电风险。车规零部件必须承受恶劣工况,全面的ESD保护措施是必备的基本功能。在这种情况下,如果ESD静电防护功能失效,造成的潜在后果是非常严重的,不仅会引起经济损失,更严重的是影响乘员的安全。   通过比较L99LDLH32与主要竞品,我们可以看到ST驱动器的ESD防静电性能防更为出色(表1)。       ▲表1:ESD性能比较   比较分析表明,虽然L99LDLH32及其市场同类产品的所有引脚都符合HBM的± 2 kV水平的基准ESD保护,但L99LDLH32的输出引脚将ESD电压提高到± 4 kV,因此表现出色。这种卓越的保护对于汽车 LED灯和OLED面板特别有利,它们对于刹车灯、转向灯和其他信号装置等汽车安全功能至关重要。L99LDLH32输出引脚强大的抗ESD静电放电能力是一项重要功能,可防止ESD导致过早的灯光故障或功能异常,从而确保这些重要组件的可靠性。   对于汽车工程师和设计师来说,L99LDLH32的先进的ESD防护功能是一个重要的考虑因素,在担心有ESD问题的汽车环境中,它可以为汽车照明系统增加一道耐用性和可靠性保障。     结论     先进的功能和产品优势使L99LDLH32成为高级汽车照明系统满足现代车辆的视觉美学和安全要求必不可少的元器件。优异的LED灯光和OLED面板管理功能,结合优化的EMI防静电性能,对于生成可定制的交互式灯光图案至关重要,这不仅可以提高车辆的视觉吸引力,还可以增强行驶安全性。   全面的ESD静电放电防护是L99LDLH32的一个非常突出的产品亮点,确保汽车照明系统具有非常高的可靠性。卓越的ESD稳健性,尤其是输出引脚的防静电放电功能,对于刹车灯、转向灯等关键的安全相关照明组件维持正常功能至关重要。   总之,L99LDLH32为汽车行业开发先进的定制照明体验提供了一种灵活有效的解决方案。在未来的汽车设计中,照明系统是功能实用和美学设计的一个关键要素,出色的驾驭复杂照明场景的能力使L99LDLH32成为未来汽车设计的一个宝贵资源。   作者: Giusy Gambino Vincenzo Ferraro Filippo Scrimizzi STMicroelectronics   参考文献   [1] P. Horsky, J. Plojhar, J. Daniel, "Adaptive peak average current control LED driver for automotive lighting", IEEE Solid-State Circuits Letters (Volume: 2, Issue: 9), Sep. 2019. [2] Z. Liu, H. Lee, "A current-accuracy-enhanced wide-input-range DC–DC LED driver with feedforward synchronous current control", IEEE Transactions on Circuits and Systems I (Volume: 65, Issue: 11), Nov. 2018. [3] J. Barthel, F. Rennig, M. Sanzà, D. Tagliavia, "CAN FD Light - A novel communication bus supporting digitalization and customization of automotive lighting for the broad market", AEIT International Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automotive (AEIT AUTOMOTIVE), 02-04 July 2019. [4] F. Rennig, "CAN FD light – A network protocol to control lighting", Driving Vision News (DVN) Workshop, Munich, 27-28 Feb. 2024.

  • 2024-06-19
  • 发表了主题帖: 一辆新能源汽车需要用到多少个芯片? ​

    每辆汽车需要的芯片数量都不一样, 少则可能会有几十到上百个,多则可能会有上千甚至是几千个。随着汽车智能化的发展,芯片种类也从40种上升至150多种。   汽车芯片就像人类的大脑,按功能可以分为计算、感知、执行、通信、存储与能源供应五大类。再细分点,可以分为控制芯片、计算芯片、传感芯片、通信芯片、存储芯片、安全芯片、功率芯片、驱动芯片、电源管理芯片九大类。   汽车芯片九大类   1.控制芯片:MCU、SOC   认识汽车电子的第一步, 必须先了解的就是电子控制单元(Electronic Control Unit, ECU)。   一个ECU可以说就是一台嵌入式计算机,用来控制汽车的各大系统。其中车载MCU就可以称得上是汽车ECU的运算大脑,负责各种信息的运算处理。   根据德邦证券的数据,通常汽车中- -个ECU负责-个单独的功能,配备- -颗MCU,如恩智浦的S12P MCU在一-个点火控制的ECU中;也会出现一个ECU配备两颗MCU的情况,如博世MG 7.9.8 ECU。一辆汽车中所使用的半导体器件数量中,MCU占比约30%,每辆车至少需要70颗以上的MCU芯片。   2.计算芯片:CPU、GPU   CPU通常为SoC芯片上的控制中心。其优点在于调度、管理、协调能力强。但CPU的计算单元较少,无法满足大量并行的简单运算任务。因此,自动骂驶SoC芯片上通常需要集成除CPU之外的一个或多个XPU来完成AI运算。   去年的9月20日,英伟达推出了Thor芯片,这是一-块拥有770亿颗晶体管的车载中央计算芯片,算力达到了2000TOP.(这里的TOPS是计算机的算力单位,1TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次(10^12]操作。)   3. 功率芯片:IGBT、碳化硅、功率MOSFET   功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。   以功率MOSFET为例,据数据显示,在传统燃油汽车中,中低压MOSFET单车用量约100个。而在新能源汽车中,中高压MOSFET单车平均用量提升至200个以上。未来中高端车型中MOSFET单车用量将有望增至400个。   4. 通信芯片:蜂窝、WLAN、LIN、直连V2X、UWB、CAN、卫星定位、NFC、蓝牙、ETC、以太网等等   通信芯片可分为有线通信和无线通信。   有线通信,主要用于车内设备之间的各种数据传输。无线通信,可以实现车与车互连,车与人、车与设备、车与周边环境互连等。   其中can收发器数量较大,据行业数据显示,平均一辆汽车应用的CAN/LIN收发器至少在70-80颗,一些性能车可达100多颗,甚至超过20颗。   5. 存储芯片:DRAM、NOR FLASH、EEPROM、SRAM、NAND FLASH     汽车的存储芯片,主要用于存储汽车各种程序和数据。     据海力士对智能驾驶汽车的DRAM需求量的判断,一辆车预估DRAM/NAND Flash需求最高分别可达151GB/2TB, 车内显示类、ADAS自 动驾驶系统对存储芯片使用量最大。   6. 电源/模拟芯片:SBC、模拟前端、DC/DC、数字隔离、DC/AC   模拟芯片是连接物理现实世界和数字世界的桥梁,主要是指由电阻、电容、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理连续函数形式模拟信号(如声音、光线、温度等)的集成电路。   据Oppenheimer统计,模拟电路在汽车芯片中占比29%,其中53%为信号链芯片,47%为电源管理芯片。   7. 驱动芯片:高边驱动、低边驱动、LED/显示、门级驱动、桥接、其他驱动等   在汽车电子系统中,负载的驱动有两种基本方法:低边驱动和高边驱动。   高边驱动通常用于座椅、照明和风扇等。   底边驱动用于电机、加热器等。以Tesla Model3为例,仅前车身域控制器就配置了21颗高边驱动芯片,整车用量超过35颗。   8. 传感芯片:超声波、图像、语音、激光、惯导、毫米波、指纹、红外、电压、温度、电流、湿度、位置、压力   汽车传感器可分为车身传感器和环境感知传感器。   在汽车运行中,汽车传感器能采集车身状态(如温度、压力、位置、转速等)和环境信息,并将采集到的信息转换为电信号传输至汽车的中央控制单元。根据数据显示,智能驾驶L 2级别的汽车预计会携带6个传感器,L5级别的汽车预计会携带32个传感器。   9.安全芯片:T-Box/V2X安全芯片、eSIM/eSAM安全芯片   汽车安全芯片是一种内部集成了密码算法并具备物理防攻击设计的集成电路。   如今,随着汽车逐渐向智能化发展,汽车中的电子设备数量也将不可避免地增加,与之带动的就是芯片数量的增长。   根据中国汽车工业协会提供的数据显示,传统燃油车所需汽车芯片数量为600-700颗,电动车所需的汽车芯片数量将提升至1600颗/辆,而更高级的智能汽车对芯片的需求量将有望提升至3000颗/辆。   可以说,现代汽车就像轮子上的一个巨型计算机。

  • 发表了主题帖: 面向数字化和智能化的灯光控制技术变革

    汽车行业的智能化变革正影响着汽车技术的发展,无论系统架构,还是软硬件设计,都在顺应未来需求而探索新的创新方向。围绕数字化和智能化,作为车辆照明系统重要组成的灯光控制技术,未来将有哪些新的趋势?大陆集团灯光控制系统亚太区研发总监戚冬生博士通过一场线上研讨会做了详细解读。   灯光控制器技术发展     在讨论灯光控制技术之前,我们先来看一下车灯光源的变化:从早期的煤油灯、乙炔灯,到卤素灯、氙气灯,再到现如今的LED灯和激光大灯,不同时代的光源应用,带来车灯技术的变革。   光源及控制系统的技术发展   此外,数字化、智能化和个性化趋势之下,车灯功能也在变化之中:从传统车辆照明(基本照明功能)、进阶车辆照明(自动远光、自适应防炫目),到数字化照明(360度高清投影、Car2X通讯和服务),以及面向未来的个性化照明控制(灯光功能和材料技术相融合)。   光源和照明功能的变化,推动着控制器技术的发展。具体来说可分为三个阶段:第一阶段,是面向煤气灯和乙炔灯应用的简单的物理和化学开关。此后,随着灯光技术进入电气化发展,灯光控制器也进入第二阶段,发展为机械开关和简单电气化开关。继电器和功率芯片的应用越来越广泛,目前在老款车上依然能看到。到第三阶段,LED大灯和激光大灯时代,简单的车灯控制逻辑已经不能满足要求,需要更复杂的控制、更好的软件算法,同时也要控制多点光源,这就需要用到独立控制器。     自适应防眩目和高清灯光应用     那么,新一代灯光控制器是如何工作的呢?以ADB(自适应防眩目)和HD(高清灯光)技术为例,这是两个与安全相关的照明功能。前者可以减少驾驶员的远光眩目,后者可以在道路上进行高清投影,如欢迎文字、倒车提示、开门警示、交通标识等,从而提高驾驶安全性,并满足个性化需求。   ADB (自适应防眩目)和 HD (高清灯光)照明控制   启动ADB和HD功能实现环境交互,需要三个层级的输入。首先来自驾驶员层面,驾驶员观察周围环境后手动打开车灯;然后来自车载传感系统,把来自摄像头、激光雷达、毫米波雷达的传感器数据,以及车身信号、地图信息进行融合。最后,需要用到外部数据,通过云端数据、V2V和V2X来实现车路协同。   就ADB功能而言,传感器收集到目标物体信息后,通过高速总线传递到灯光控制器,通过内置算法计算出防眩目区域,最后,灯光控制器控制头灯中的LED点阵形成防眩目区域。   一套ADB和HD照明控制系统架构,包括了灯光模块、灯光控制器和灯光算法。需要注意的是,ADB功能使用常规灯光控制器即可,而HD功能则需要用到高清照明控制器,两者在技术上有差异性。   具体来看,常规的灯光控制器如果用来实现ADB功能,获取的是目标物体信息,而高清灯光控制器为了投射高清、高分辨率图像,需要点阵图像信息。两者最大差异就是图像和视频信号处理能力。常规灯光控制器传输的是简单数字信号或者模拟功率控制,而高清灯光控制器传输静止图像或动态视频,必须有强大的灯光处理能力。   此外,常规的灯光控制器实现的主要是远近光、位置转向等功能,像素数目有限或者说是可数的。而高清灯光控制模块,产生的像素有数量级的变化。目前市面上有两种主流技术,一种是uLED,可以形成上千一直到万级的点阵。另一种是DMD技术,数字微镜技术对成像点数又有数量级的提升,可以形成百万级的投射。   HD高清照明控制器     未来趋势总结     戚冬生博士把下一代灯光控制技术的发展归纳为四个关键词:集成、自适应、网联、智能。而要实现这些关键词,离不开好的光源、稳健的电子控制系统,以及软件和算法。“只有把灯光与电子及软件相结合,并将其融入到车联网系统,才能使灯光变得更加自适应和智能。”戚冬生博士说道。   作为灯光控制器供应商,大陆集团目前能提供包括基础灯光控制器和高清灯光控制器在内的各类灯光控制器,采用创新控制方案,通过与整车功能和外部数据互联带来智能的灯光体验。其产品可集成自主研发的灯光控制算法或者第三方算法,并实现无线升级功能(OTA),使得灯光算法的迭代成为可能。   值得一提的是,为满足汽车照明的未来需求,大陆集团自研了一款名为Celsius摄氏度的LED驱动芯片,具有强大、高效率的驱动能力,且拥有足够的配置灵活性,能满足各个应用场景下的时效保护,系统成本也可以达到最优化。据悉,该芯片已于2021年量产上市,搭载在客户的量产项目上。  

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