LiDARナビゲーション解説：基本原理から高度なアプリケーションまで

LiDARナビゲーションシステムのコアコンポーネント

LiDARナビゲーションシステムは、周囲の環境を正確に感知し解釈するために、4つの不可欠なハードウェアコンポーネントを必要とします。これらのコンポーネントは、ロボットナビゲーションや自律システムのための正確な空間マップを作成するのに役立つ特殊な機能を持っています。

レーザー発振器と受光器技術仕様

レーザー光源は、すべてのLiDARシステムの中核に位置し、環境をマッピングするためのエネルギーパルスを生成します。ほとんどの地上型LiDARシステムは960-1550nmの近赤外線波長を使用し、水中型システムは水を透過するために可視光532nmの光源を必要とする。

受信機サブシステムには、光子を電流に変える検出器が含まれている。今日のLiDARナビゲーションシステムは、主に3つの検出器技術を使用している：

• アバランシェフォトダイオード（APD）：ブレークダウン電圧以下ではリニアモードで動作し、標準的な検出を行います。
• 単一光子アバランシェ・ダイオード（SPAD）：ブレークダウン電圧以上のガイガーモードで動作し、個々の光子を極めて高い感度で検出します。
• シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）：複数のSPADを並列に接続し、総光子数を検出する。

検出器の感度はS/N比と最大航続距離に関係する。システムは、航行障害物までの距離を決定するために、高感度光子検出と対になった正確なタイミング電子機器を必要とします。

スキャンメカニズム：メカニカルLiDARとソリッドステートLiDARの比較

メカニカルLiDARシステムは、回転ミラーやアセンブリ全体のような可動部品を使用して周囲をスキャンします。このような可動部品により、水平方向に最大360°の広範でダイナミックなスキャンが可能になり、広い範囲を詳細に捉えることができます。一方、ソリッドステートLiDARは電子的な方法だけでレーザービームを誘導するため、可動部品がなくなり信頼性が向上します。

主なソリッドステート技術には次のようなものがある：

1. 1.MEMS（微小電気機械システム）：環境をスキャンするために動く小さなミラーを使用し、自動車用アプリケーションで一般的。
2. 2. OPA（光フェーズドアレイ）：これは、物理的な動きを伴わずに光の位相を調整してビームを導く、真のソリッド・ステート・ソリューションである。

ハイブリッドLiDARシステムは両方の技術を組み合わせている。ハイブリッドLiDARシステムは、電子的なステアリングを使用して迅速なカバレッジを実現する一方で、機械的な要素を追加して範囲を拡大し、解像度を向上させます。ソリッドステートシステムはより信頼性が高くコンパクトですが、詳細な環境マッピングが必要な場合は、機械式LiDARの方がより優れた範囲と詳細を提供します。

リアルタイムナビゲーション用信号処理ハードウェア

信号処理アーキテクチャはLiDARナビゲーションにとって極めて重要である。最新のシステムは、CPU、システムオンチップ（SoC）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を組み合わせて、飛行時間計算を処理し、点群を作成します。これらの処理サブシステムは、信号のクロストーク、飽和、ノイズフィルタリング、サンプリングレートの制限などの重要な課題に取り組んでいます。

ナビゲーション・アプリケーションでは、即時の意思決定が必要です。処理アーキテクチャは、ガウス曲線フィッティング、波形平均化、デジタル・フィルタリング、デコンボリューションを実行する高度なアルゴリズムを実行し、意味のある環境データを抽出する。自律走行車は、運用速度で安全に航行するために、この処理を迅速に行う必要がある。

電力と熱管理に関する考察

熱管理は、LiDARナビゲーション・システムにおける大きな課題である。レーザーは約10％の効率で動作し、入力エネルギーの90％は光ではなく熱に変わります。この熱負荷は、いくつかのシステム構成要素に影響を与えます：

• レーザーダイオードの性能：熱が高すぎると、波長シフト、出力低下、劣化が早くなる。
• 検出器機能：熱ノイズがS/N比と精度を低下させる
• 光学部品：温度変化がビームを歪ませ、ミスアライメントを引き起こす

優れた熱管理には、予防法と伝達法の両方が用いられる。予防は、慎重な筐体設計と材料選択に重点を置き、伝達は、熱源から外部表面への伝導経路を作る方法です。ソリッドステートLiDARシステムは、単純な強制空冷でビームスキャンを最適化することにより、最大温度上昇を約20%抑えることができます。