Mechanisch scannende Lidar-Systeme

So lässt sich ein 360°-Sichtfeld erzielen

8. Juni 2022, 8:30 Uhr | Autor: Isaac Hsu, Redaktion: Irina Hübner
Bild 1. Autonomes Fahrzeug mit Lidar-Technik.
Bild 1. Autonomes Fahrzeug mit Lidar-Technik.
© AdobeStock | WFM

Typische Lidar-Module kommen auf ein Sichtfeld von 120°. Für das autonome Fahren ist das unzureichend. Durch das mechanische Scannen mittels eines BLDC-Motors ist ein 360°-Sichtfeld jedoch realisierbar.

Die Lidar-Technik fungiert gewissermaßen als die »Augen« autonomer Fahrzeuge. Sie liefert präzise Bilder dessen, was sich in der Umgebung des Fahrzeugs befindet. Lidar-Systeme nutzen eine Lichtquelle und einen Lichtsensor zum Detektieren von Objekten. Das Sichtfeld (Field of View, FOV) eines Lidar-Systems ist für die beim autonomen Fahren verwendeten Entscheidungsalgorithmen von zentraler Bedeutung, weil von ihm die Breite der vom Lidar-System erfassten Bilder abhängig ist.

Verschiedene Möglichkeiten bieten sich an, um das Sichtfeld zu vergrößern, und eine dieser Möglichkeiten ist das mechanische Scannen mithilfe eines Motors. Auf diese Weise ist ein Sichtfeld von 360° realisierbar. Wegen ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer geringen Geräuschentwicklung haben es bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC, BLDC) in solchen Anwendungen zu großer Beliebtheit gebracht.

Bild 2. Beispiel eines Lidar-Moduls.
Bild 2. Beispiel eines Lidar-Moduls.
© AdobeStock

Autonomes Fahren mit mechanisch scannendem Lidar

Ein typisches, aus einer Lichtquelle und einem Sensor bestehendes Lidar-Modul kommt auf ein Sichtfeld von 120°, was für das autonome Fahren leider unzureichend ist. Um Abhilfe zu schaffen und das Sichtfeld auf volle 360° zu vergrößern, bietet sich ein mechanisch scannendes Lidar-System an. Lichtquelle und Sensor sind hier auf einer rotierenden Plattform angebracht und können das Fahrassistenzsystem des Fahrzeugs deshalb mit Informationen über das gesamte Umfeld des Fahrzeugs versorgen. Die Plattform rotiert so schnell, dass das Lidar-System einen Winkel von insgesamt 360° abtastet, wobei stets präzise Rückmeldungen über die Bildpositionen geliefert werden. Wegen der geringen Masse der Plattform reicht ein Motor mit einer Leistung von circa 40 W aus.

Wie bereits erwähnt, eignen sich BLDC-Motoren sehr gut als Antrieb für solche rotierenden Plattformen. Die Kommutierung von Motoren dieser Bauart kann mithilfe von Halleffekt-Sensoren erfolgen. Bild 3 zeigt das Blockschaltbild eines mechanisch scannenden Lidar-Systems.

Bild 3. Blockschaltbild eines mechanisch scannenden Lidar-Systems.
Bild 3. Blockschaltbild eines mechanisch scannenden Lidar-Systems.
© Texas Instruments

Wie wird der BLDC-Motor angesteuert?

Für die Ansteuerung eines BLDC-Motors mit etwa 40 W Leistung bieten sich verschiedene Methoden an. Zum Beispiel kann ein Mikrocontroller (MCU) mit einem Trapez-Kommutierungsalgorithmus zusammen mit einem integrierten Drei-Phasen-BLDC-Gatetreiber und externen MOSFETs eingesetzt werden.

Wenn die Anwendung nur begrenzten Platz auf der Leiterplatte benötigt und nach keiner hohen Motorleistung verlangt, kommt auch ein Drei-Phasen-Gatetreiber mit integrierten MOSFETs wie der DRV8316 in Betracht. Dieser Baustein kann mit einem Mikrocontroller zum Verarbeiten des Kommutierungs-Algorithmus sowie drei Halleffekt-Sensoren für die Positionsrückmeldung kombiniert werden. Der DRV8316 verfügt über integrierte High-Side- und Low-Side-MOSFETs mit einem Gesamt-RDS(on)-Wert (HS+LS) von 95 mΩ und ist mit umfassenden Fehlerdiagnose-Features ausgestattet.

Angeboten werden darüber hinaus Motortreiber mit integriertem Ansteueralgorithmus für BLDC-Motoren, wie etwa der MCT8316Z. Dieser Baustein verfügt über integrierte Funktionen für die sensorgesteuerte Trapez-Kommutierung und macht damit die Entwicklung einer Motor-Ansteuerungssoftware überflüssig. Der MCT8316Z ist ebenfalls mit integrierten High-Side- und Low-Side-MOSFETs ausgestattet, deren kombinierter RDS(on)-Wert wie beim DRV8316 95 mΩ beträgt. Ein externer Housekeeping-Mikrocontroller kann mit dem MCT8316Z kommunizieren, um die Konfigurations-Parameter einzustellen und einfache Dreh-Kommandos (beispielsweise Drehzahl und Drehrichtung) vorzugeben.

Der MCT8316Z ist mit einem integrierten DC/DC-Abwärtswandler ausgestattet, der den Housekeeping-Mikrocontroller sowie weitere Schaltungen auf der Leiterplatte mit Strom versorgen kann. Eine solche Konfiguration trägt dazu bei, den Bedarf an Leiterplattenfläche für den Motortreiber eines mechanisch scannenden Lidar-Systems zu reduzieren. DRV8316 und MCT8316Z können mit Spannungen von 4,5 V bis 35 V betrieben werden und eignen sich daher für den Einsatz am 12-V-Bordnetz von Kraftfahrzeugen. Indem sie die Bestromung der Motorwicklungen mit bis zu 8 A unterstützen, ermöglichen die Treiber eine Motorleistung von bis zu 70 W bei 24 V Versorgungsspannung, was eine hinreichende Antriebsleistung für die rotierende Plattform eines Lidar-Systems darstellt.

Der MCT8316Z ist über sein Serial Peripheral Interface (SPI) weitreichend konfigurierbar, auch wenn sich Systemdesigner möglicherweise für die Hardwareinterface-Option entscheiden, um die gängigsten Einstellungen ohne SPI vorzunehmen. Eine detaillierte Fehlerdiagnose ist mithilfe interner Register des Treibers möglich, die per SPI ausgelesen werden können und Hilfestellung beim Einkreisen etwaiger Fehler im Antriebsmotor der rotierenden Plattform leisten. In Bild 4 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anwendung mit dem MCT8316Z zu sehen.

Bild 4. Beispiel einer Motorsteuerungs-Lösung mit dem MCT8316Z.
Bild 4. Beispiel einer Motorsteuerungs-Lösung mit dem MCT8316Z.
© Texas Instruments

Autonome Fahrzeuge, die mit mechanisch scannenden Lidar-Systemen ausgestattet sind, stellen eine interessante Entwicklung auf dem Automobilsektor dar. Das Plus an Komfort, das von autonomen Fahrzeugen geboten wird, kommt sowohl den Autofahrern selbst als auch den übrigen Fahrzeuginsassen zugute.

 

Literatur

Weitere Informationen sind im Application Brief »Brushless-DC Made Simple – Sensored Motor Control« zu finden.


 


 

Isaac Hsu, Texas Instruments.
Isaac Hsu, Texas Instruments.
© Texas Instruments

Der Autor

Issac Hsu
ist Produktmarketing-Ingenieur für die Produktlinie Brushless DC Motor Driver bei Texas Instruments. Er ist verantwortlich für das Management und die Ausarbeitung von Aktionsplänen, die dazu beitragen sollen, dass das weltweite Automotive-Geschäft des Unternehmens weiter wächst. Auch ist er für die Definition neuer Produkte in Zusammenarbeit mit dem System Engineering Team zuständig. Hsu kam 2004 als Powermanagement-Analogschaltungs-Ingenieur zu TI. Seit 2012 ist er Marketing-Ingenieur.


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