應(yīng)用于機(jī)器人3D感知的高精度LiDAR與電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案

機(jī)器人想要進(jìn)行自主移動(dòng)，便需要擁有3D感知（3D perception）功能，必須利用各種的傳感器來(lái)實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人在空間中的位置，其中以LiDAR（激光雷達(dá)）能夠提供高精度的位置傳感，最受到業(yè)界的重視。此外，機(jī)器人也需要通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，來(lái)執(zhí)行自身或四肢的精準(zhǔn)移動(dòng)。本文將為您介紹LiDAR技術(shù)的發(fā)展，以及由ROHM推出的LiDAR與電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。

激光雷達(dá)帶動(dòng)新服務(wù)的創(chuàng)新

近未來(lái)的AI機(jī)器人是指通過(guò)給自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）增加3D感知功能，使機(jī)器人能夠在三維空間中判斷自己的位置并識(shí)別自身的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)自主移動(dòng)和各種運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器人。AMR要進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)控制，不僅需要確認(rèn)自身所處位置，還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)3D感知數(shù)據(jù)處理（比如對(duì)周邊物體進(jìn)行分類、進(jìn)行物體跟蹤等），因此使用LiDAR和攝像頭的技術(shù)架構(gòu)已經(jīng)成為業(yè)界主流。

隨著實(shí)時(shí)3D感知數(shù)據(jù)量的不斷增加，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型已經(jīng)成為當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。由于深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)環(huán)境通常是處于理想條件下的，因此能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行狀態(tài)推斷。然而，在機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境中，難免要面對(duì)不完整的傳感器信息和復(fù)雜的移動(dòng)控制等問(wèn)題。

機(jī)器人用的LiDAR模塊對(duì)LD（激光二極管）的分辨率要求很高，因此對(duì)所用LD的性能主要有以下兩項(xiàng)要求，首先光源的尺寸要盡量小，其次則是光束的發(fā)散角要盡量小。通常，從半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光具有一定的發(fā)散角，因此，需要使用準(zhǔn)直透鏡將光變?yōu)槠叫泄猓▓D1）。

圖1：光源大小對(duì)光斑尺寸的影響

然而，準(zhǔn)直透鏡并不能將半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光完全轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄狻Ｍǔ?，從透鏡射出的光束具有一定的發(fā)散角（θ），該發(fā)散角是由光源尺寸和透鏡焦距這兩個(gè)參數(shù)所組成的關(guān)系式（公式1）決定的。

公式1：θ～ d / f

（d表示光源大小，f表示透鏡焦距）

要想實(shí)現(xiàn)高分辨率，就需要進(jìn)一步減小從透鏡射出的光束的發(fā)散角（圖1中的θ）。關(guān)于LD的光源尺寸，因?yàn)閺耐哥R射出的光束的發(fā)散角（θ）和LD的光源尺寸（d）呈正比例，所以如果d減小50%，則θ也會(huì)減小50%。關(guān)于光束發(fā)散角，從公式1可以看出，焦距越長(zhǎng)，從透鏡射出的光束的發(fā)散角越小，因此，最好選用發(fā)散角小的LD。

圖2是表示LD光束發(fā)散角為20deg和25deg時(shí)的焦距差異的示意圖。在透鏡直徑相同的情況下，如果使用光束發(fā)散角為20deg的LD，則可以選擇焦距長(zhǎng)約25%的透鏡。這樣，從透鏡射出的光束的發(fā)散角（θ）也可以減小20%左右，光斑尺寸也能縮小20%。

圖2：光束發(fā)散角與焦距的關(guān)系（20deg和25deg時(shí)的比較）

可實(shí)現(xiàn)自主工作的AI機(jī)器人

高精度LiDAR解決方案

針對(duì)這些實(shí)際工作環(huán)境問(wèn)題，ROHM推出了LiDAR解決方案，由具有優(yōu)異的邊緣檢測(cè)能力且可輸出高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的激光二極管、可以高速驅(qū)動(dòng)激光二極管的GaN HEMT、以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)GaN HEMT的柵極驅(qū)動(dòng)器IC構(gòu)成，通過(guò)能夠獲取穩(wěn)定的3D感知數(shù)據(jù)的端到端模型，可實(shí)現(xiàn)自主工作的AI機(jī)器人。

ROHM用于LiDAR的半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)品陣容非常豐富，其中包括實(shí)現(xiàn)業(yè)界超小光源尺寸（35μm ×10μm）的RLD90QZWA、以及光源尺寸為270μm ×10μm的大功率RLD90QZW8等多種產(chǎn)品（表1）。

表1：用于LiDAR的ROHM LD產(chǎn)品陣容

將產(chǎn)品用在機(jī)器人應(yīng)用中時(shí)，其關(guān)鍵在于對(duì)周邊10~20m左右的環(huán)境的準(zhǔn)確感知。對(duì)于需要進(jìn)行近距離精準(zhǔn)測(cè)距的機(jī)器人應(yīng)用，推薦采用2022年投入量產(chǎn)的產(chǎn)品RLD90QZWA，這款產(chǎn)品的光源尺寸達(dá)到了業(yè)界超小水平，只有35μm×10μm大小，而且光束發(fā)散角（快軸方向）為20deg。與以往產(chǎn)品RLD90QZW5（光源尺寸70μm×10μm，θ⊥=25deg）相比，其透鏡出射光束的發(fā)散角縮小了60%。選用這款RLD90QZWA，不僅可以選擇焦距更長(zhǎng)的透鏡，還能夠獲取更高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

提升開(kāi)發(fā)速度的GaN HEMT

激光驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

通常，LiDAR多采用ToF（Time of Flight，飛行時(shí)間）方式的測(cè)距方法。ToF方式是通過(guò)測(cè)量從光源發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)目標(biāo)物反射后返回至接收器所用時(shí)間，再計(jì)算出距離的一種測(cè)距方法。如果脈沖寬度過(guò)大，則接收器接收到的光脈沖信號(hào)容易混疊在一起，這樣就難以區(qū)分距離接近的兩個(gè)以上的目標(biāo)物了。因此，要提高分辨率，就需要降低脈沖寬度。ROHM為了構(gòu)建能夠通過(guò)窄脈沖信號(hào)獲得更高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出將激光二極管驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵 — GaN HEMT（EcoGaN?）與GaN HEMT驅(qū)動(dòng)用的單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器IC相結(jié)合的參考設(shè)計(jì) ―“REFLD002”，并已在ROHM官網(wǎng)上公布了相關(guān)的設(shè)計(jì)信息。

圖3：GaN HEMT激光驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)“REFLD002”

要想充分激發(fā)出GaN HEMT可高速驅(qū)動(dòng)的特性，就必須使用高速柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ROHM開(kāi)發(fā)的GaN HEMT驅(qū)動(dòng)用的單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器IC“BD2311NVX-LB（工業(yè)設(shè)備用）/-C（車載用）”已經(jīng)開(kāi)始提供樣品。該款產(chǎn)品采用的驅(qū)動(dòng)方式在保持高轉(zhuǎn)換速率的同時(shí)，還可以減少10%左右的過(guò)沖，領(lǐng)先于業(yè)內(nèi)的同類產(chǎn)品。此外，普通GaN HEMT的柵極-源極間耐壓為6V，而ROHM的EcoGaN? 則達(dá)到了8V。基于這些產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，用戶將不必再擔(dān)心驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)時(shí)的過(guò)沖所造成的破壞，電路設(shè)計(jì)將會(huì)變得更加容易。

圖4：激光二極管“RLD90QZWA”的驅(qū)動(dòng)波形

另外，ROHM官網(wǎng)上還公開(kāi)了一款免費(fèi)仿真工具“ROHM Solution Simulator”，并配有相應(yīng)的仿真電路，用戶可以利用該仿真工具輕松地確認(rèn)不同電路常數(shù)下的波形變化情況，這對(duì)于前期的設(shè)計(jì)研究會(huì)有很大幫助。

不僅如此，ROHM的官網(wǎng)上還公開(kāi)了產(chǎn)品單體的應(yīng)用指南、仿真模型（SPICE模型、Ray數(shù)據(jù)）以及PCB庫(kù)數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)直接使用參考設(shè)計(jì)，并有效利用參考設(shè)計(jì)的電路仿真及相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以大幅削減設(shè)計(jì)工時(shí)和評(píng)估工時(shí)，大大縮短相關(guān)產(chǎn)品導(dǎo)入市場(chǎng)的周期。

小型高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案

機(jī)器人應(yīng)用與電機(jī)驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)，由ROHM推出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案中，包括了由機(jī)器人自主移動(dòng)相關(guān)的輪系和機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中不可或缺的MOSFET，以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器IC構(gòu)成，具有小型、高效的特點(diǎn)。

對(duì)于用電池驅(qū)動(dòng)的自主移動(dòng)機(jī)器人而言，主流的電源方案為DC24～72V電源，而對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，則主要使用DC48V電源。隨著AI、傳感（圖像識(shí)別）以及驅(qū)動(dòng)能力提升等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的功能不斷升級(jí)，相應(yīng)地，就需要消耗更多的電力。在這種背景下，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的問(wèn)題日益凸顯，并已成為亟待解決的課題，而AI機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的功率轉(zhuǎn)換效率也成為一項(xiàng)至關(guān)重要的因素。

ROHM通過(guò)將可驅(qū)動(dòng)外置Nch MOSFET、非常適用于DC48V應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、耐壓為100V的高低邊柵極驅(qū)動(dòng)器IC“BD2320UEFJ-LA”與采用了銅夾片結(jié)構(gòu)、封裝小巧、功率損耗低的Nch MOSFET“RS6xxxxBx/RH6xxxxBx系列”相結(jié)合的解決方案，降低了開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，非常有助于提高應(yīng)用產(chǎn)品的工作效率。

圖5：ROHM的柵極驅(qū)動(dòng)器IC和Nch MOSFET產(chǎn)品封裝示意圖

舉個(gè)例子，當(dāng)在工業(yè)設(shè)備用的電源評(píng)估板上比較電源效率時(shí)，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的輸出電壓范圍內(nèi)，RS6xxxxBx/RH6xxxxBx系列的電源效率在峰值時(shí)高達(dá)95.01%。

圖6：RS6xxxxBx/RH6xxxxBx系列與普通產(chǎn)品的效率比較

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人搭配3D感知的LiDAR解決方案，再結(jié)合上AI技術(shù)，將使機(jī)器人應(yīng)用邁向新的世代。ROHM針對(duì)AI機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的高級(jí)自主移動(dòng)和各種運(yùn)動(dòng)控制所用的LiDAR模塊，推出了ROHM LiDAR解決方案，通過(guò)將擁有業(yè)界超小光源尺寸的激光二極管和可高速驅(qū)動(dòng)激光二極管的GaN HEMT（EcoGaN?），以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)GaN HEMT的柵極驅(qū)動(dòng)器IC組合起來(lái)，助力構(gòu)建能夠獲得更高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

另外，ROHM還推出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，通過(guò)將非常適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高低邊柵極驅(qū)動(dòng)器IC與采用了銅夾片結(jié)構(gòu)、封裝小巧、功率損耗低的Nch MOSFET相結(jié)合，助力應(yīng)用產(chǎn)品進(jìn)一步提高工作效率。不僅如此，ROHM還在官網(wǎng)上公開(kāi)了相關(guān)的參考設(shè)計(jì)以及免費(fèi)的仿真工具“ROHM Solution Simulator”，有效利用這些資源可以幫助用戶削減設(shè)計(jì)工時(shí)和評(píng)估工時(shí)，大大縮短相關(guān)產(chǎn)品導(dǎo)入市場(chǎng)的周期，將會(huì)是相關(guān)機(jī)器人應(yīng)用的理想選擇。