虹科自动驾驶:激光雷达传感器的核心——MEMS技术

“基于MEMS技术的激光雷达传感器通常价格较低,但其性能不足以用于自动驾驶车辆。”我们经常听到这样的说法。本文将说明我们的传感器如何使这一假设失效,我们如何为激光雷达开发MEMS技术,如何为激光雷达找到理想的镜面尺寸以及决定因素。

汽车应用所需:高性能和可量产

激光雷达应用在自动驾驶车上,必须满足两个基本要求:一方面,提供高性能,包括远距离和宽视野。另一方面,必须具有可量产性,以便能够生产和安装在数百万辆汽车上。激光雷达制造商想了一系列的办法来应对这些挑战。机械式激光雷达系统是目前最常用的系统,电机转动从而带动光束偏转单元。尽管机械式激光雷达拥有广阔的视野和远距离探测的特性,但它们的机械装置需要定期维护,而且体积大、重量大、生产成本高。总体来说,机械式激光雷达只满足高性能这一个要求。

另一种应对这些挑战的是MEMS(微电子机械系统)技术。这种技术,组件是用硅来制造的,具有可量产的优势:由于这项技术经过多年的应用和测试,所有组件均可以以经济高效的方式大量生产。

基于MEMS技术的激光雷达是如何应对高性能这一挑战的呢?

选择合适激光源,实现远距离探测

要想让自动驾驶车能够高速安全行驶,它们必须能够“看见”并感知周围的世界——不仅是近处,而且在更远的距离也应如此。在高速公路上行驶时,这一点尤为重要,因为车辆行驶速度很快,因此必须要可靠地检测到远距离的物体、弯道和其他车辆,以便能够及时作出反应。因此,传感器需要检测到远距离才能在高速公路上实现自动驾驶。

为了使激光雷达传感器达到这个探测距离,发射器或探测器都需要专门针对这一应用进行优化。首先可能调整的是激光源。通常,应用到激光雷达传感器的激光源波长有两种。一些雷达制造商采用波长为1550纳米的光纤激光器。人眼视网膜不会聚焦这种波长的激光,因此即使在高能量水平下,也符合人眼安全标准。这类型激光雷达的激光源能量越高,探测距离也就越长。然而,这种类型的激光源也有一个致命的缺点:1550nm的激光器体积大、制造复杂,导致激光雷达外壳尺寸较大并且成本很高。

故此,许多激光雷达应用都使用激光脉冲发射波长为905nm的激光二极管。它们的显著优点是体积很小,并且很早之就已经在其他领域广泛应用。实际上,这些二极管价格低廉,能够在市场上大量购买。然而,人眼安全法规要求二极管的光束强度要低于1550nm激光器的光束强度,因此在发射极侧的优化受到限制。

为镜片寻找合适的尺寸

那么如何优化探测器呢?孔径在实现远距离探测中起着重要作用。在基于MEMS的设计中,孔径与镜面尺寸相对应。为了捕捉尽可能多的光,需要一个大的光圈——换句话说,就是一个尽可能大的镜子。然而,镜片的尺寸也受到某些因素的限制,因此有必要结合考虑这些因素,计算出镜片的最佳尺寸。这些因素包括:接收光子数、准直、偏转角、共振频率。

光子数

一方面,在激光雷达中使用的镜片的大小取决于必须发射多少光子才能有足够数量的光子返回,从而探测到目标。可以根据链路估值精确计算最小光子数。这一测量需要考虑通过这段距离和通过低反射表面损失光子数、光的均匀散射以及探测器的效率。通过这种方法,就有可能计算出必须发射多少光子,或者孔径多大,才能再次检测到最小数量的光子。除此之外,传感器采用同轴设计,这意味着只有从发射的同一方向返回的光才能被重新捕获。对于传感器来说,这是有利的,可以防止捕获到其他的干扰光信号。

激光准直

为了获得高分辨率数据,可靠地识别小目标,激光必须准直地击中目标。这是通过在激光器前面放置一个透镜来实现的。现在,镜片的尺寸又起作用了:镜片必须足够大,足以偏转所有被透镜准直的光。

共振频率

MEMS反射镜以一定的谐振频率振荡。它们由集成执行器触发,因此不需要电机或任何其他机械装置。这是一个明显的优势,因为电机和运动部件很快就会磨损,需要定期维护。如果振荡是由集成执行器触发的,则不会出现这些问题。反射镜的共振频率取决于反射镜的尺寸和安装方式。为此,我们开发了一种嵌入反射镜的专有技术,以便能够使用特别大的镜面尺寸。由于直径非常大,大量的光子直接进入周围环境并返回到探测器上。这使得激光雷达传感器能够实现精确的远距离探测。此外,由于尺寸较大,这些镜片比直径只有几毫米的传统产品更耐用。虹科激光雷达中使用的反射镜因为其结构轻巧,具有很高的谐振频率,这确保了尽可能多的光子返回探测器:如果反射镜振荡过快或者过慢,因为同轴结构的存在,探测器依然能够接收到足够数量的光子。

专为激光雷达应用定制设计的MEMS技术

总之,镜片的尺寸是由一系列因素决定的。为了制造基于MEMS的高性能激光雷达,必不可少需要对反射镜组成成分、尺寸和嵌入方式等方面进行研究。只有将MEMS技术与激光雷达应用结合起来,才能实现远距离、宽视场和高分辨率的要求。

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虹科方案:雷诺Kangoo电动汽车充电故障

全球道路上的电动汽车不断增长,虽然电动汽车消除了很多典型的内燃机故障,但并不是没有缺陷。这次,我们就来看看雷诺Kangoo的充电问题以及诊断此类故障会遇到哪些障碍。

在开始之前,我们必须声明有关电动汽车诊断的安全事项,尤其是诊断充电故障方面:第一,请不要将此案例研究用于培训或工作指导,它仅用于让您了解虹科Pico汽车示波器相关产品在电动汽车上的一些可能应用;第二,用于诊断充电式电动汽车的任何测量工具和附件所需的CAT额定值取决于充电站与市电配电网的连接情况。这是因为我们很可能触碰到瞬态电压或短路电流,和您要测的是高压系统(HV)还是12 V低压系统无关。

通常情况下,主电网会先接一个建筑物中的主配电板/断路器/接线盒,然后再把充电站接在主配电板上。因此,在测试连接到此类充电站的电动汽车时,测量工具的CAT等级应为III或IV。但是,如果将充电站直接连接到主电网,测量工具必须为CAT IV等级。如果不知道充电站是如何与主电网相连的,应该使用CAT IV等级的测量工具。在本文的案例中,充电站是通过主配电板和主电网相连的。因此,我们可以安全地使用CAT III额定差分探头测试高压系统和12V低压系统。

在英国,雷诺和日产是生产纯电动汽车时间最长的OEM。随着车龄的增长,故障开始出现。2014款雷诺Kangoo ZE是一辆纯电动汽车,电池安装在底盘下方。车辆充电接口在前格栅的车标后面(图1),是Type 2接口类型。该车不支持快速充电,这意味着充电需要通过车载充电机(OBC)来完成,也意味着充电速度不快,使用3kW家用电源充满电需要11个小时。

客户反馈到,他不知道故障是从什么时候开始出现,因为他通常都是夜间充电。平时行程短而且充了一晚上的电,因此只有在电池持续耗尽时故障才变得明显。这辆车已经去过很多家修理厂,上一家修理厂说底盘处可能有线路腐蚀,需要更换OBC和逆变器。

当您在发动机盖下检查线缆时,并没有那么容易!首先要从视觉上进行检查,以确保我们免受线路腐蚀和任何潜在危险的影响,特别是一些暴露在外的高压电缆。检查线路一切正常,下一步就是确认故障。我们使用了客户提供的家用充电线,连接到电源插座开始充电。充电指示灯按预期点亮,没有故障报告。当充电器连接到车辆充电接口时,闩锁闭合,说明车辆检测到插入了充电器,仪表板的指示灯也验证了这一点。

通常我们将供电设备连接至车辆时,会听到接触器闭合的“喀哒”一声。在某些情况下,开始充电后您还会听到冷却风扇或冷却系统运转的声音。但是当我们将供电设备连接到这辆Kangoo时,什么声音也没听到。我们断开了充电器,去DTC列表检查故障代码。组合仪表上唯一的警告是电池电量不足。我们发现故障代码与HV高压电池有关,但是并没有指向具体是什么问题。通过查看实时数据,我们确认了高压电池SOC为3%(剩余容量占电池容量的比值)。

从图3中可以看出,3%说明电池即将达到最低容量。对于HV电池来说,这非常危险,当您连接到供电设备时,很有可能无法充电,因为电池到了一个临界状态。如果继续下降到更低的容量,则必须卸下电池才能给HV电池充电。如果HV电池已完全放电,我们是可以使用一些工具卸下电池,但是如果可以避免走到这一步,对维修人员和车主才是最好的!

接下来给大家介绍下充电器连接到车辆时会发生什么。大多数电动汽车遵循SAE J1772标准,在正式开始充电前,车辆和供电设备都会使用该标准进行通信并发出状态信号,后面出现的IEC 61851标准中也是一样。有些车辆和供电设备则不是这样,例如CHAdeMO和Tesla,他们的专用连接器通讯方法是不一样的。Type 2充电接口是通过PWM信号以及一系列控制电气的电阻器和晶体管与车辆进行通信的,供电设备和车辆通过PP和CP电路进行通信,PP会通知车辆是否接上了充电器以及充电器最大可提供多大的电流。虽然供电设备可以输出更大的电流给车辆,但是为了避免过热,车辆只能承受充电器的额定电流。正如我在文章开头提到的,本文案例不适用于培训,我建议所有人都要获得相关认证才可以去诊断检测混合动力汽车和电动汽车。

CP电路波形揭示了车辆在充电过程的各个阶段。在没有将充电器连接到车辆时,CP端子一直发出+12 V的恒定电压信号,一旦连接上充电器,由于多个电阻的作用,+12 V下降至大约9V。这个时候由于供电设备已与车辆成功连接,CP端子发出的信号从之前的12V恒定电压变成1 kHz的±12V  PWM信号。该PWM信号非常重要,占空比决定了充入车辆的电流量,该电流仍受到充电器额定电流的限制。一旦车辆的充电条件满足,电阻会发生变化,+9V信号下降至大约+6 V,此刻正式开始充电。根据车辆的功能不同,电压水平可能不同。

在采取所有必要步骤以确保自己和设备安全的同时,我将有源差分探头连接至车载充电机(OBC)上的CP电路。从车辆上拔下钥匙,以确保测试环境和客户所描述的相同,并将充电器插入车辆充电插口。

①供电设备已连接至车辆

②开始发出PWM信号,电压下降至约8.5 V

③等待充电正式开始的时间

④PWM信号频率为1kHz

⑤数学通道计算出负占空比为17%

从图5我们可以看到车辆在哪个时刻识别到连接了供电设备,并且可以看到1 kHz的PWM信号开始发出。充电器的闩锁也说明了PP电路肯定是正常的,这是因为PP端子是第一个建立连接的端子,如果PP端子出现任何问题,我们将看不到PWM信号。您可能会对波形显示+9 V和+6 V但仍显示-12 V产生疑问。供电设备产生的是一个±12 V的方波,该方波沿着CP电路传输,在OBC内部有一个二极管截取了方波的负部分信号。但是我们测试时差分探头是接在OBC外部,所以示波器会同时采集到信号的正和负两个部分。

我们持续采集信号波形,按预期PWM信号的电压应该会下降,下降说明车辆已连接上充电器并且HV电池上的接触器闭合,这样OBC才可以为电池充电。但是,我们在这辆Kangoo上从未见过这种电压的下降,是什么原因阻止了接触器闭合?供电设备和车辆之间的通讯似乎一切正常,因此可怀疑的故障原因只剩下车载充电机(OBC)和电池管理系统(BMS)之间的通信了。开来维修车间时车辆是没有任何警告灯出现的,驾驶性能正常。

接下来的诊断过程中运气帮了我不少,我重新连接了扫描工具,以仔细检查DTC是否有任何变化。检查DTC的时候打开了点火开关,但是我似乎忘记了供电设备还连接在车辆上,这是非常不正确的操作。但是我们发现这个时候出现了“喀哒”一声,并且CP电路信号电压下降了(图6)。这不在我们的预料之中,但应该是合乎情理的,打开车辆点火开关会使得接触器闭合。然后我取下供电设备,将点火开关转到ON,再连接上供电设备,CP电路波形正常变化了。

如图7所示,我添加了一个电流钳,证明了充电电路确实存在电流流动。

在保持点火开关打开和连接充电器的情况下,我们可以看到电流从电源流向OBC。保持一段时间后,电池SOC从3%上升到了12%,在此过程警示声也不再响了,并且电池SOC不断上升。我们把测试的位置告诉给了客户,似乎是OBC与BMS之间的通信问题,导致连接充电器时接触器保持打开状态。

我需要做进一步的测试以确定故障原因,但是客户决定带着我们的测试结果去另一个修理厂,他们更换了OBC但问题依旧存在。我们都忽略了一件事,一些汽车制造商制定了电池租赁计划。如果不支付电池租赁费,汽车制造商可以远程禁用HV电池充电,而这恰恰就是这辆车存在的问题。当前的车主不是原始车主,他们在购买车辆时,没有认真了解关于电池租赁的信息。这导致雷诺没有告知当前车主,没过几日便远程禁用了HV电池充电。不过奇怪的是,车辆没有任何指示或串行数据出现,以告知您电池已被禁用充电。从售后维修的角度来看,如果您遇到了电动汽车充电问题,却不知道电池可能会被远程禁用,很可能会平白无故地花费大量时间和金钱。

正如我在文章刚开始就提到的,请不要将本文案例用于培训。我特意没放连接图和一些技术信息,希望诊断电动汽车的人都提前经过批准和受过正确的培训,希望本文有助于解决我们在电动汽车上工作时必须面对的一些新障碍。

本文用到的检测设备是虹科Pico示波器4425A 新能源车测试套装

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虹科Pico技术论坛用户的老朋友,13年Pico示波器资深玩家;在一线维修行业20多年的“老师傅”,一本行走的汽车诊断案例百科全书,名副其实的汽修专家。现兼任TG诊断学院资深讲师。

2.     杨霄

四维汽修学院创始人,首席金牌讲师。毕业于西华大学汽车系,理论知识储备扎实深厚。曾就职于大众Jeep、标致等多个汽车品牌4S店技术总监。广菲克特聘厂家精英技术总监。授人以渔式教学,授课生动易懂,擅长复杂的理论通俗化讲解,在快手拥有12+万固定粉丝。

3.     泰州贾钰

高级维修技师、大众奥迪和宝马认证维修技师、TG学院汽车诊断师、《汽车与驾驶维修》杂志签约作家。现任泰州启晨汽车服务技术经理,擅长发动机大修技术、示波器诊断和电子电路诊断维修。

4.     郑州任贺新

从事汽车维修十余年,曾任奥迪4S店和大型连锁综合汽修厂技术总监,长期在一线诊断疑难故障,擅长汽车电子电路,示波器免拆诊断,发动机的机械故障诊断等。个人荣誉:汽车免拆诊断技术专家、《汽车维护与修理》杂志特邀作者、《汽车维修与保养》杂志编委会委员、奥迪全国十佳技术培训师、中国汽车诊断师大赛专家评委

5.     关于TG学院

Tech Gear 是一家行业内领先的汽车维修技术培训机构。

针对汽车故障类型本身进行研究,从而开发出更有效的诊断方法,TG的独门法宝就是波形诊断,能跨越车型的障碍,对各种车型进行支持。无论你是奔驰宝马,还是通用大众,波形所能呈现的都是最根本的控制和执行状态。TG擅长使用组合波形的分析方式,进行理论教学,控制逻辑分析,疑难故障诊断等。

6.     关于广州虹科

英国Pico公司,全球先进的汽车示波器诊断方案领导者。全球30+个品牌汽车主机厂选用Pico示波器和振动异响(NVH)套件为专用工具。

广州虹科,国内唯一致力于示波器诊断思维和技术的推广者和领路人;经过10多年的耕耘,让汽修业内从不知道示波器诊断,到现在享受虹科Pico示波器带来的高效维修,我们获得业内的高度认可。

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虹科 | 如何减少城市拥堵?——利用激光雷达技术实现智能交通

对于我们个人来说,因交通堵塞浪费掉了宝贵的时间,这是一件令人烦恼的事情,还会影响到我们的生活质量。对于国家来说,这给经济带来了相当大的影响,造成巨额的经济损失。员工们因为交通堵塞耽误上班时间,导致生产力下降。此外,由于燃油消耗量增加,二氧化碳排放量增加,环境污染愈加严重。拥堵是世界各地都面临的一个难题,将激光雷达传感器集成到基础设施中可以借助其精确的3D数据优化交通流。

掌握更加全面的交通状况

为什么会导致交通拥堵?这是因为人们都偏向于采用自己认为最方便的方式来驾驶车辆。例如,他们可能会超车,或者改变车道——在他们看来这些是最快到达目的地的最佳方式。由于道路使用者不了解他们是如何影响周围交通的,司机们自己并不知道一辆车停下,可能会引发三公里内交通堵塞。

在交通规划和控制中,必须平衡每个人的行为,以优化交通流,这是我们必须要意识到的一个点。解决方案是以一种先发制人、分布式的方式来管理交通,即预先全面了解交通状况。

通过GPS、摄像头和其他传感器获得一个完整的交通状况

可以结合各种技术来获取完整的交通状况。但是,如果你仔细思考一下,你会发现其中一些技术不太适用于智能基础设施:

全球定位系统(GPS:

GPS可以通过追踪道路使用者的移动情况。这种技术可以非常可靠地报告交通堵塞。然而,行人和自行车骑行者并不配备GPS。

摄像头和其他传感器可以集成到道路基础设施中来监控交通状况,不需要像GPS那样,需要道路使用者配备设备才能收集相关信息。这样就可以将这些设备安装在交通灯、路灯或交通标志上,以采集周围环境信息。但也存在明显的优缺点:

摄像头:

例如,摄像头可以记录彩色图像,但在黑暗环境下无法正常采集到环境信息。此外,摄像头一般只捕捉二维数据,采集三维数据具有一定的难度与挑战。在记录和存储个人数据方面,也可以发现摄像头在数据隐私保护方面存在不足。

雷达:

雷达主要用于速度监控,也可用于交通监控。然而,雷达只能提供一个非常粗糙的图像,虽然这项技术能够识别物体,但由于缺乏细节部分数据,它无法对物体进行分类。例如,雷达数据无法可靠地区分行人和骑自行车的人。

激光雷达精准捕捉道路使用者并保有匿名性

激光雷达技术可以非常精准地区分所有不同道路使用者。这类传感器提供了详细可靠的三维信息,便于区分不同的道路使用者。可以识别3D点云是行人还是骑行者,但无法识别个人身份,这就很好地保护了道路使用者的隐私。

此外,即使在恶劣的天气和环境条件下,激光雷达传感器也能够可靠地收集信息。黑暗、灰尘和多雾等情况下不会对其检测造成影响。除了位置和目标信息,传感器还可以记录速度信息,这有助于分析交通流或交通堵塞的原因。 

固态技术成为当今激光雷达问题的解决方案

高科技传感器目前主要用于自动驾驶领域,但它们面临着一个重大挑战:目前可用的激光雷达传感器价格昂贵,而且容易出现故障。固态技术解决了这些问题。在固态激光雷达中,激光偏转扫描环境的运动部件被免维护部件所取代。因此,传感器更加坚固耐用,成本也更低,可以广泛应用于基础设施中。

捕获交通信息有助于采取切实可行的措施

安装在基础设施中的激光雷达传感器可以实时提供当前交通状况的信息:交通是流动还是停滞?是发生事故还是道路施工?红绿灯处或人行横道上的人流量如何?

有了这些信息,可以实时采取以下措施,并根据交通情况进行调整,以优化交通流:

·红绿灯相位调整

·速度限制调整

·显示交通堵塞警告

· 提供重新规划路径的建议

·标识危险位置

在未来,我们甚至会更进一步:自动驾驶车辆将利用这些动态信息自动地调整他们的时间表和路线,以适应交通状况。

以人为中心的城市交通

在许多城市,“汽车友好型城市”模式的影响至今仍清晰可见。城市规划与汽车畅通无阻的目标相一致,但城市中的许多交通理念仍然以机动化个人交通为导向。城市和交通规划必须更多地关注人。居民、通勤者和其他道路使用者必须是最核心的,交通规划需要尽可能安全和简单。人行横道的设计必须更加安全;必须避免转弯事故;必须为骑自行车的人创造足够的空间……这样的措施还有很多。在智能基础设施的帮助下,智能交通控制成为可能,而激光雷达技术是其核心。

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摄像头:

例如,摄像头可以记录彩色图像,但在黑暗环境下无法正常采集到环境信息。此外,摄像头一般只捕捉二维数据,采集三维数据具有一定的难度与挑战。在记录和存储个人数据方面,也可以发现摄像头在数据隐私保护方面存在不足。

雷达:

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