LiDAR による真の自律走行の実現

LiDAR技術は近年、自律走行の分野における主要なツールの1つとなっています。レーザー光を放射して反射信号を受信し、距離を測定して高精度な3Dマップを生成するセンサーとして、LiDARは比類のない環境認識能力を提供します。本記事では、自律走行におけるLiDAR応用の発展とonsemiが展開する関連ソリューションについて紹介します。

従来のカメラやレーダーと比較して、LiDARはさまざまな照明や天候条件の下でも周囲環境の詳細を正確に捉えることができます。この特徴は、真の自動運転機能を実現する上で重要な要素となっています。距離を正確に測定し物体を識別することで、LiDARは車両のナビゲーションや障害物回避能力を向上させるだけでなく、全体的な運転の安全性と信頼性も高めます。

自律走行アプリケーションにおけるLiDARの開発軌道は、初期の探索段階から広範な導入段階へと進化しました。当初、LiDARシステムは主に地形のマッピングやターゲット検出などの科学研究や軍事目的で使用されていました。技術が進歩するにつれて、LiDARは徐々に自律走行分野に導入されました。初期には、LiDARは主に概念の検証や実験環境でのテストに使用されていました。

初代のLiDARシステムは主に高価で大型の機器で構成されており、通常は車両の屋根に取り付けられていました。これらのシステムは回転ミラーまたは回転レーザーを使用して360度の視野をカバーし、車両周囲の点群データを生成していました。しかし、初期のLiDARシステムは高コスト、大型、高い電力消費のため、大規模な商業化が難しい状況にありました。

技術の進歩により、LiDARセンサーのコストは徐々に下がり、そのサイズは小型化し、性能は継続的に向上しています。ソリッドステートLiDARの登場は重要なマイルストーンでした。この技術は機械部品の使用を減らし、システムの複雑さとコストを削減すると同時に、信頼性と耐久性を向上させました。さらに、Microelectromechanical Systems（MEMS）LiDARやOptical Phased Array（OPA）LiDARなどの新しい技術も登場し、自動運転におけるLiDARの応用をさらに促進しています。

技術が成熟するにつれて、大手自動車メーカーやテクノロジー企業は、大規模な道路テストと検証を実施し始めました。Waymo、Uber、Teslaなどの企業は、実際の道路状況下でのLiDARシステムの性能と信頼性をテストするために多大な投資を行いました。これらのテストは、複雑な交通環境でのLiDARのセンシング能力を検証するだけでなく、自動運転アルゴリズムの進歩と最適化を促進しました。

近年、LiDAR技術は徐々に商業用途へと移行しており、自律走行車両や先進運転支援システム（ADAS）がLiDARセンサーを採用するケースが増えています。Velodyne、Luminar、Innovizなどの主要なLiDARメーカーは、大量生産車両に適した複数のLiDAR製品を発売しました。これらの製品は、安全性の向上、車両の環境認識能力の改善、そして高度に自動化された運転の実現において重要な役割を果たしています。

LiDAR技術が進化し、コストがさらに低下するにつれて、LiDARは自律走行車においてますます重要な役割を果たすと期待されています。将来のLiDARシステムは、よりコンパクトでコスト効率が良く、高性能になり、他のセンサー（例えばカメラやレーダー）と連携して、より包括的で信頼性の高い環境認識を実現します。これにより、完全自律走行の実現に向けた道が開かれ、自動車業界に大きな変革をもたらすでしょう。

LiDARアプリケーション市場での需要を認識し、onsemiは自動車用LiDARの主要メーカーであるInnovizと提携し、InnovizOneを発表しました。これは、自動車市場を対象としたInnoviz初の商用LiDAR製品です。InnovizOneはLiDARセンシング技術を利用した製品であり、カメラやレーダーなどの他のセンサーモダリティと組み合わせて、乗用車での真のハンズフリー・アイズオフ自動運転を実現することができます。

InnovizOneは、onsemiのArrayRDM-0112、12チャンネルシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）アレイを組み込み、戻ってくるレーザーパルスを検出し、周囲環境までの距離を測定することで、業界にとって重要な進展を示しています。SiPM技術は大規模量産に対応したCMOSシリコンファウンドリプロセスに根付いており、1550 nm短波赤外LiDARで使用される高コストの検出器に比べて明確な利点があります。SiPMは非常に高いゲインを活用して単一の光子を検出するため、LiDARの距離測定を制限する低感度のアバランシェフォトダイオード検出器より優れています。

Innovizは、主に自動車OEMによる広範な採用を可能にするため、可能な限り低コストで高性能なLiDARを提供することに注力しています。これは、905 nmベースの近赤外線直接飛行時間（dToF）LiDARアーキテクチャの使用によって実現されています。

2018年に、BMWとMagnaは将来の乗用車プラットフォーム向けのLiDAR技術プロバイダーとしてInnovizOneを共同で選定しました。数年にわたる開発を経て、InnovizOneは2023年に量産を開始しました。BMWはフラッグシップモデルである7シリーズ（i7など）の車両にLiDARを搭載し、BMW Personal Pilotを実現しました。これにより、本物のレベル3「目を離してもよい」自動運転が可能となり、2024年春にドイツでローンチされました。最近、InnovizはBMWがInnovizOneを中国市場の主力である5シリーズ車両にも拡張すると発表しました。このエキサイティングな展開は、LiDARが高級車だけでなく主流モデルにも適する技術になりつつあることを示し、安全な自動運転センサーを大衆市場にも提供する可能性を示しています。

InnovizOneは、特に自動車メーカーやロボットタクシー、シャトル、配送サービスに関与する企業向けに設計された、固体式LiDARセンサーソリューションです。スケーラブルな生産と信頼性の高い運用を目指し、自動運転アプリケーションに対応します。この自動車グレードのセンサーは、堅牢、低価格、信頼性、高性能、軽量、低消費電力という特性を備えており、レベル3～5の自動運転車両にシームレスに統合されることで、乗客や歩行者の安全性を確保します。

InnovizOneは、日光や天候条件に適応し、最大250メートルの距離で豊富な3Dポイントクラウドを提供します。Innovizの認識ソフトウェアと組み合わせることで、このセンサーは優れた物体検知、分類、追跡を実現し、比類のない角度分解能を発揮します。

InnovizOneは、認識ソフトウェアとシームレスに統合されており、自動車業界の最高基準を満たすよう設計および開発されています。InnovizOneは、ISO 9001:2015認証やISO 26262（機能安全）の初期実装を含む必要な認証および承認を取得しており、これらはASIC、検出器、MEMSなどのコンポーネント、LiDARハードウェアおよびソフトウェアシステムに適用されています。また、Innovizはサプライチェーン全体でIATF 16949要件を満たす製造業者を選定し、ソフトウェア開発に対してASPICE基準を遵守しています。

InnovizOneは、0.1°x0.1°（HxV）の角度解像度をサポートし、10または15 FPSの事前設定されたフレームレートと、1mから250mの検出範囲を備えています。最大視野角（FoV）は115°x25°（HxV）を提供し、45x111.4x97.9 mm（HxWxD）のサイズで、ISO 26262 ASIL B(D)規格に準拠しています。

InnovizOneは、LiDARの視野の中心に事前設定された注目領域（ROI）を備えています。ここでは、レーザーエネルギーが集中されて検出範囲が拡張されます。ROIは20°x8°（縦x横）の測定範囲で、データインターフェースの帯域幅、解像度、またはフレームレートに影響を与えることはありません。InnovizOneはピクセルごとに複数の反射を返すことが可能で、3D環境内の複数のポイントを記録および保存します。これは、レーザーパルスが雨滴、雪片、または経路上の複数の物体に当たる場合に重要です。

継続的なピクセル機能により、InnovizOneのLiDARスキャンパターンには隙間がなく、安全な自律走行車の認識システムを構築する上で重要です。これがなければ、衝突や3D点群データ内の隙間に位置する人間に関連する路面上の小さな物体を見逃してしまうことがあり、壊滅的な結果を招く可能性があります。

InnovizOneは、均一に分布された垂直方向の視野角（FoV）を提供し、垂直方向の視野全体にわたって一貫した解像度を維持します。この機能により、中央（水平線）のみに集中して端部のデータを失うセンサーに比べ、より多くのデータを取得することが可能です。InnovizOneの垂直方向の視野には、取り付け許容範囲や車両の負荷などの異なる運転条件をサポートするパンニング機能も備わっています。また、直射日光、対向車両からのまぶしい光、雨などの悪天候を含むさまざまな環境光条件に対応し、すべての周囲光源に適応できるよう設計されています。InnovizOneは、消費者向け車両、ロボットタクシー、シャトル、配送サービス、トラック輸送、物流、人行道配送、産業用ドローン、重機など、多岐にわたる分野での応用が可能です。

onsemiは、自動車用NIR強化LiDARアプリケーション向けに特別に設計されたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）であるArrayRDM-0112A20-QFNを発表しました。SiPMは、可視光から近赤外線波長までの光を検出できる、高ゲインで単一光子感度を持つセンサーです。ArrayRDM-0112A20-QFNは、市場をリードするRDMプロセスに基づいて開発されたモノリシックな1 × 12 SiPMピクセルアレイであり、LiDARおよび3D直接飛行時間（dToF）測距アプリケーションで一般的に使用される905/940 nmのNIR波長で高い光子検出効率（PDE）を達成するために特別に開発されました。

ArrayRDM-0112A20-QFN アレイは堅牢なQFNパッケージで提供され、12個の個別ピクセルにアクセスできます。自動車用LiDARアプリケーションの要件を満たすため、この製品はAEC-Q102規格に準拠します。ArrayRDM-0112A20-QFNは高い利得と検出効率を備え、自動車標準を満たします。905 nmでPDEが16%の1 × 12ピクセルアレイフォーマットを採用し、30 Vのバイアス電圧で動作します。ピクセルサイズはわずか0.47 mm × 1.12 mmで、QFNパッケージ（10 mm × 5.2 mm）に収められています。

製品開発を加速するために、onsemiはこの製品用の評価ボード（ArrayRDM-0112A20-GEVB）も開発しました。ArrayRDM-0112A20-QFNは、3D測距とセンシング、自動車用LiDAR、産業用LiDAR、コンシューマー向け3Dイメージング、ロボティクスに適用でき、一般的なエンド製品はスキャニングLiDARシステムです。

自動運転におけるLiDARの開発は、技術革新と市場の需要の相互推進を示しています。初期の高コストな実験装置から現在の量産型アプリケーションに至るまで、LiDARは技術的なボトルネックを次々と突破し、真の自動運転の実現を力強く支え続けています。onsemiは、自動車向けNIR（近赤外線）強化LiDARアプリケーションに適したSiPM技術を導入しました。この技術は、自動運転技術の応用コストを下げ、LiDARの性能を向上させ、他の車両システムとの統合を改善することができます。したがって、自動運転アプリケーションの開発にとって理想的な選択肢です。