自動車LiDAR技術の概要
(viksnewsletter.com)- 自動運転車向けの LiDAR は周囲を高速に3D認識する中核センサーだが、大衆的な普及には数千ドル規模の機器価格を大幅に下げる必要がある
- 代表的な波長である 905nm と 1550nm は、コスト・出力・検出器感度・眼球安全性・太陽光干渉・湿潤条件においてそれぞれ異なる長所と短所を持つ
- APD、SPAD、SiPM などの 光検出器 の選択は、感度やコスト、信号処理の集積方式に直接影響し、SPAD は単一光子の到達時間をピコ秒単位で検出できる
- 現在はシンプルな dToF が多く使われており、商用レンジは 100〜200m 程度で、FMCW は距離と速度を同時に計算できるが実装の複雑さが高い
- 回転式の機械構造から MEMS、Flash、OPA へと進むにつれて、可動部品を減らして コスト・信頼性・キャプチャ速度 を改善しようとする流れが明確になっている
自動運転車でLiDARが担う役割
- LiDAR(Light Detection and Ranging) は、赤外線レーザーで遠隔物体までの距離を測定する技術
- これまで植生、都市地形、隠れた考古学遺跡、建築、拡張現実などで活用されてきており、自動運転車では周辺環境の精密な3D画像を高速に生成する「目」の役割を果たす
- レーダーと基本原理は似ているが、マイクロ波より短い波長のレーザーを使うため、より精細な画像を作ることができる
- Waymo や Cruise の自動運転タクシーですでに使われており、Level 4 自動運転でも有効な技術であることが確認されている
- 最大の制約は コスト
- 車両上部の回転式LiDARドームは数千ドル規模
- 光源、検出器、電子回路、機械部品が全体コストを押し上げる
- 広範な普及にはコストを少なくとも一桁以上下げる必要がある
- LiDAR 分野では 140 社以上のスタートアップが、コスト削減と商用化を目標に競争している
動作波長: 905nm と 1550nm
- 自動車向け LiDAR は主に可視光 380〜700nm の外側にある赤外線領域で動作し、代表的な波長は 905nm と 1550nm
- 波長の選択は、レーザー出力、検出器感度、自然光・人工光の干渉レベルによって左右される
- 太陽光は赤外線領域でも強い干渉源であり、特定波長で地表に到達する太陽光量は solar photon flux で測定される
- 905nm、940nm、1550nm 付近には上層大気中の水蒸気吸収による減衰帯があり、地上システムの干渉低減に役立つ
- 同じ吸収効果は、霧や雨のある道路環境では LiDAR 信号を弱める可能性がある
-
905nm の長所と短所
- 905nm は可視光に近く、眼球安全性と干渉の両方の問題が生じる
- 網膜に吸収されやすく、長時間露光で損傷を招く可能性があるため、厳格な眼球安全基準に従う必要がある
- 太陽光や車両ヘッドライトのような可視光近傍の干渉源が多く、システム性能が低下することがある
- 一方で、短波長では一般に光検出器の感度が高く、レーザー光源もより強力かつ安価
- Ouster は高い solar photon flux にもかかわらず 850nm を採用している
- 湿潤条件での視認性
- 光源と検出器の性能
- 環境干渉を除去するための特許アプローチが採用理由
-
1550nm の長所と短所
- 1550nm は太陽放射干渉が少なく、光が角膜までしか侵入しないため、網膜保護の観点から眼球安全性への懸念が小さい
- 眼球安全性が高いため、より長時間・より高出力で使用でき、より長い検出距離を提供できる
- 欠点は水蒸気による吸収が大きく、濡れた条件では使いにくいこと
光検出器: APD、SPAD、SiPM
- 自動車向け LiDAR で最も一般的に使われる検出器は Avalanche Photodiode(APD)
- APD は光電効果を利用する PN 半導体接合で、入射光子に反応して電子・正孔対を生成し、光子数に比例する電流を生み出す
- APD の材料によって波長応答とコストが変わる
- Silicon APD は NIR によく反応し、製造コストが低い
- InGaAs は SWIR 波長に適するが高価
- Germanium も APD 材料として使われる
-
SPAD
- SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) は、従来の APD のような光量比例のアナログ信号ではなく、光子到達に近い二値応答を生成する
- 強い逆バイアスがかかった Geiger-mode で動作し、単一光子でも avalanche breakdown により大電流を生成する
- 光子到達時間をピコ秒、つまり 1 兆分の 1 秒単位の精度で測定できるため、高精度な距離測定に有利
- CMOS プロセスで実装可能なため低コスト化に有利で、検出器アレイのすぐ隣に大量の信号処理を統合できる
-
SiPM
- 905nm 領域では Silicon Photomultiplier(SiPM) が Silicon APD をかなりの範囲で置き換えている
- SiPM は SPAD と quenching 抵抗で構成されたマイクロセルアレイ
- avalanche 電流の流れを自己制限しながら高い光電ゲインを提供し、出力電流レベルに応じて入射光子数を精密に検出できる
距離測定方式: dToF と FMCW
-
Direct Time-of-Flight
- dToF(Direct Time-of-Flight) は、レーザーパルスを発射した後、反射信号が戻ってくる時間を測定する方式
- 送信から受信までの総時間は round-trip delay で、実際の物体までの時間はこの値の半分
- 距離は伝搬媒質中での光速を用いて計算する
- 測定可能な最小距離はタイミング電子回路の分解能によって制限される
- 近距離の物体は往復遅延が短すぎて検出器が識別できないことがある
- このため最小深度は通常数 cm 程度に制限される
- 最大距離は送信出力、検出器感度、自由空間伝搬損失によって決まる
- 反射信号が背景雑音と区別できなければ距離の解釈は不可能
- 商用 dToF システムの最大レンジは 100〜200m
- 現在の LiDAR システムの大半は、シンプルさから dToF を採用している
-
iToF と AMCW
- dToF とは異なる時間ベースのアプローチとして、連続波信号を使い、反射波の位相変化を検出する方式がある
- この方式は iToF(indirect ToF)、またはより具体的には AMCW(Amplitude Modulated Continuous Wave) と呼ばれる
- iToF はタイミングドリフトの影響を受けにくく、短距離測定により適している
-
FMCW
- FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR は、送信パルスの波長または周波数を変調する
- 1960年代から存在する技術で、自動車レーダーでも広く使われている概念
- 周波数変調された信号のまとまりは chirp と呼ばれ、反射信号は時間遅延のため送信信号と瞬時周波数差を持つ
- この beat frequency をミキサーでダウンコンバートすることで、物体の距離と速度を同時に計算できる
- 実装の複雑さは dToF より高い
- 変調用の周波数可変レーザー光源が必要
- 送受信信号から情報を抽出するための追加電子回路が必要
- 利点も明確
- 時点ごとに周波数が異なるため、周囲の LiDAR システム間での干渉が少ない
- ToF より低いレーザーピーク電力で済み、特に 905nm では眼球安全基準に影響する
機械式LiDARとMEMSミラー
-
回転式スキャニングLiDAR
- 機械式 LiDAR は、赤外線レーザーをブラシレス DC モーターに搭載し、センサーを回転させる方式
- 水平方向に 360° の視野角を提供して死角をなくすが、垂直方向の視野角は約 90〜95° に制限される
- Waymo の Laser Bear Honeycomb は機械式スキャニング LiDAR の例で、Waymo の自動運転車上部に搭載された姿でよく見られる
- モーターと精密駆動部品が部品コストを高め、繰り返し使用による摩耗の対象にもなる
- このためスキャニング LiDAR システムは大型で高価
-
MEMS ミラーLiDAR
- MEMS ミラー LiDAR は、レーザー光源やセンサー自体を直接動かす代わりに、可動式の微小電気機械ミラーでレーザーを反射させる
- MEMS ミラーを一定速度で往復振動させることで、LiDAR を 3D 空間全体にわたって走査できる
- 駆動方式は 3 つに分かれる
- 静電駆動: 電場のみを使用
- 電磁駆動: 電場と磁場を使用
- 熱駆動: 熱を使用
- 設計上の重要なトレードオフは ミラー重量とスキャン速度
- 重いミラーはスキャン速度が低い
- 2D MEMS ミラーは低速軸と高速軸を持ち、一方向に高速移動してラスタースキャンを行う
- 垂直方向にはより低速で動き、新しい高速スキャンのための静的位置移動を作る
- MEMS ミラーはレガシー CMOS ファウンドリの back-end-of-line プロセスで製造でき、成熟した技術と見なされている
- この特性はスキャニング LiDAR を低コストで実装するのに有利
ソリッドステートLiDAR: Flash と OPA
-
Flash Lidar
- Flash lidar は 3D 空間を走査せず、前方空間を一度に照らす、写真撮影に近い方式
- レーザー光源として VCSEL を使い、拡散光で対象空間を照らした後、反射信号を SiPM アレイで検出する
- 最大毎秒 30 フレームの LiDAR フラッシュを取得し、リアルタイムの 3D 空間レンダリングを提供する
- 回転式機械式 LiDAR より視野角が小さく、解像度はデジタルカメラのように所定面積に何ピクセル入れられるかで制限される
- スキャニング方式と比べると 信号対雑音比 が低い
- 限られたレーザー出力をアレイ内の全ピクセルに分散しなければならない
- レーザーと同波長の環境背景雑音が検出感度を制限する
- 信号対雑音比は Flash lidar の検出レンジを最終的に制限する要因
- 文献では最大 100m の検出距離と cm 単位の解像度が報告されている
- 一部企業は multi-beam アプローチを採用している
- 検出器が情報を探す環境の一部だけを照らす
- より少数の関連ピクセルにより大きな光出力を送れるため、信号対雑音比を高められる
- スキャニング LiDAR と Flash lidar の組み合わせに近い
- 可動部品がないためシステム信頼性が高く、振動の影響に強く、データ取得速度が高い
-
Optical Phased Array Lidar
- OPA(Optical Phased Array) LiDAR は、シリコンフォトニクスを使ってチップ上でスキャニング LiDAR を実現しようとする方式で、まだ研究段階にある
- 概念はフェーズドアレイアンテナに由来し、アンテナ配列内の各信号位相を調整して放射ビームを走査する方式に似ている
- OPA では統合光導波路や統合ヒーターを使って位相変化を実装する
- ヒーターは thermo-optic coupling によって光を遅くする
- 位相変化に応じて放射波面の方向を 3D 空間で走査できる
- 利点は電子制御と可動部排除による高いスキャン速度
- 300mm シリコンウェハ上で純粋な集積方式として実装できる点は、コストと信頼性の面で魅力的
-
OPA の技術課題
- 光周波数をフェーズドアレイに適用すると、別種の難題が生じる
- 熱管理: チップ上の多数のレーザー光源から発生する熱を効果的に放熱する必要がある
- 素子間隔: フェーズドアレイでは素子間隔を半波長にする必要があり、1550nm レーザーでは各光源を 1 マイクロン未満の間隔で配置しなければならない
- スキャン角度: 最も品質の高いビームは配列正面の boresight で得られ、中心から 60° 以上外れると grating lobe がビーム幅を劣化させる
- Analog Photonics は MIT 発のスピンオフ企業で、Prof. Michael Watts が設立し、OPA 技術の商用化を進めている
1件のコメント
Hacker Newsの意見
基本的な概説としては妥当。
回転式スキャナーがまだ使われているのは驚き。Velodyneが最初に作ってからもう20年が経っていて、動作は悪くないが高すぎる。フラッシュLiDARやMEMSミラーが置き換えるものと思っていたが、Continentalは10年以上前に先進的なフラッシュLiDAR企業を買収したものの、大手部品サプライヤーが必要とするほどの大規模市場は結局生まれなかった。
Waymoは車両の角にある小型センサーにも依然として回転式LiDARを使っている。あちらは長距離測定の必要性がやや低いので、安価で車体に埋め込める代替品が必要になる。その位置はあまりに脆弱。Fiberglas製ボディパネルの裏に取り付けるミリ波フェーズドアレイレーダーのようなものが可能かもしれない。WaymoはNew Yorkに進出する前にこの問題を解決する必要がある。
屋根上のLiDARは問題ではないのかもしれない。「車らしく見えるべきだから無くすべきだ」というのは、自動車が馬車の形をしているべきだと言い張るのに近い。初期の自動車は馬車のような見た目だったが、長くは続かなかった。
パルスLiDARが連続波方式より大きく優れている点は、同一機器間の干渉問題がずっと小さいこと。デューティサイクルが非常に小さく、1パルスの往復データは1マイクロ秒もかからずに収集される。パルスのタイミングに少しランダム性を入れれば、何度も連続して衝突する事態はなくなる。
昔のVelodyne機器は、2台をすぐ隣で継続的に動かすと損傷に弱かった。GPS時刻を使って似た装置同士の回転をすべて同期し、互いに向き合わないようにしようという提案も聞いたことがあるが、実際には大きな問題には見えなかった。
自動車向けLiDARの大半もすでに「光子不足の領域」で動作しており、1回の反射あたりおよそ200〜300個の光子レベルである[0]。これをシーン全体に広げると、信号対雑音比は急速に悪化する。
そのため1550nmを使う必要があり、1550nmでの大規模検出器アレイと高出力レーザーは非常に高価。
MEMSは少し前の話だが、視野角/操舵角の範囲、操舵速度、最大ビーム出力にまで懸念があったと記憶している。
LiDARをやっている友人のJakeが教えてくれたが、開口径もMEMSの問題だという。開口が小さいと集められる光が減り、信号対雑音比が下がる。
[0] https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/si...
回転式レーザーがなぜ理にかなうのかを理解するには、LiDARについていくつか知る必要がある。
まず、円錐状に光を出すあらゆる装置は逆二乗減衰を受ける。距離が2倍になれば、単位面積あたりに届く光は1/4になる。夜のフラッシュ撮影で最もわかりやすいが、LiDARにも当てはまる。自動車では理想的には100m先の物体を検知する必要があるので、全体を照らすよりレーザースポットを当てるほうがはるかに現実的。
次に、どんな光源であれ目に安全でなければならない。赤外線には可視光より安全上の利点があるが、100m先の物体を照らせるほど明るい光源を安全に作るのは、赤外線の利点を考慮しても非常に難しい。スキャン式レーザーは1点に長く留まらないため、より強い強度を安全に使える。
3つ目に、どんな光源であれ太陽と競合しなければならない。太陽が低い位置にあるとセンサーを直接まぶしくさせることもあるし、検知したい同じ物体を照らしてもいる。だから弱い光源と逆二乗減衰を巧妙な信号処理だけで補うことはできない。
最後に、こうした自動車メーカーは道路上のすべての車両がこの技術を使う未来を想定している。すると異なる車両の反射信号が干渉する危険もある。回転式LiDARにも脆弱性はありうるが、フラッシュLiDARは特にそれに弱い。
一方で自動車会社は可動部品を恐れてはいない。自動車にはすでに回転部品が多くあり、何千時間も回り続けられるものを作る技術は十分に蓄積されている。
角は最大限の視認性を得るための最適な取り付け位置だ。中央取り付けセンサーでは不可能な形で、実質的に車が角の向こうを見られるようにしてくれる。
WaymoがNew Yorkの前にこれを解決しなければならないというのが、なぜなのかわからない。破壊行為のせいだろうか?
数年前にHacker Newsへ投稿された興味深い「LiDAR gem」がある。
https://news.ycombinator.com/item?id=33554679
Torに流出したGitリポジトリから出てきたLiDAR障害物検知アルゴリズム。
2017年に自動運転車会社から流出したと思われるGitリポジトリで見つかった、走行可能領域マッピングアルゴリズムだ。このリポジトリは数年にわたり1つ以上のTor隠しサービスでアクセス可能だった。
LiDARコードはVelodyne HDL-32E向けに書かれたように見える。複数段階で動作し、各段階が前段の出力を精錬する。このアルゴリズムは第2段階にあり、他の手法は小さな改良を少し加える程度なので、主たる障害物検知手法となっている。
流出コードは点の列優先行列を使い、NaN、つまりリターンなしの点を明示的に処理していた。これをはるかにキャッシュ効率の高い行優先行列配置に書き直し、NaNの点を明示的なチェックなしで無視する条件分岐を使った。
単純さを考えると驚くほど効果的な障害物検知手法だ。
友人に聞いてくれと頼まれた。
市場にほとんど出なかった自動車向けFMCW LiDARに取り組んだことがある。すばらしい技術だが、コストを下げてスケールさせるのが難しく、自動車市場ではそれが非常に重要。その市場はマージンが非常に低い。
LiDARは他のドライバーや歩行者の目に危険か？
その等級は、目を近くで長時間まっすぐ向けても問題ないかを基準に付けられている
「周囲の高解像度画像をレーダーよりはるかにうまく生成できることが、LiDARの特別な超能力だ。」
これは本当か？ 自動車レーダーは固定式だ。似たようなLiDARも固定式で、レーザーn本に対して点n個を持つようなものだと思う
回転式レーダーなら周囲を連続解像度で見られて、LiDARはサンプリングしているだけではないのか？
LiDARの利点は精度と物体の高さの測定がより優れていることで、レーダーは視界を平坦化すると考えていた
Muskが嫌っている格好いい技術だ
1: https://www.youtube.com/watch?v=d6RndtrwJKE&t=1119s
自然界に似たものが存在しないのには理由がある
家に持ち帰って、iPhoneより高い解像度で家をスキャンできるLiDAR装置はあるか？
コンシューマー向けでは写真測量のほうがはるかに安いため、高い詳細度で所定の精度がどうしても必要でない限り、通常はこちらが好まれる。LiDARは現時点では産業・専門用途の文脈により適している。精度がより高いからだ。LiDARがより低コストな消費者レベルまで下りてこられるかどうかは大きな未解決の問題で、自動車での問題と本質的に同じだ
その「墓」に見えるものはおおよそ人間サイズで人の形をしており、地面がくぼんで沈み、中央が最も深く、グレープフルーツより少し大きい石で囲まれていた
墓だと疑う理由は、Utah州Tooele郡のMercur cemeteryという史跡で非常によく似たものを偶然見たことがあるからだ
LiDARで私の墓仮説を証明または反証できないだろうか？
関連記事: https://www.viksnewsletter.com/p/teslas-big-bet-cameras-over...
Teslaと同程度に見えるが、Waymoはそのレベルでは十分だと考えていないようだ
[1] https://www.forbes.com/sites/bradtempleton/2024/10/30/waymo-...
[2] https://arxiv.org/pdf/2410.23262
LiDARはなぜこんなに高価なのか？ まだ小型化も必要。それでも十分な工学的努力が注がれているので、時間が解決する問題のように見える
LiDARは民生用レーザーポインターでも目をくらませることができるが、敵対的攻撃やサービス拒否攻撃を防ぐシステムがあるのか気になる
誰かが安全システムを物理的に攻撃し始めたら、かなり長い懲役刑を受けることになるだろう
以前、大学で研究エンジニアとして働いていたとき、16ビームVelodyneが高級機材だった時代に触ったことがある
デモ当日に車に取り付け、3Dで点を描きながら障害物を赤色で表示していたのだが、夕暮れ時に明確に除去する方法のないアーティファクトが発生した
不思議なことに、その現象を再現することはできなかった。特定の大気条件のせいだったように思う