Um lidar híbrido giratório de longo alcance (em cima) detecta objetos longe o suficiente para que haja espaço suficiente para um carro autônomo chegar a uma parada lenta e controlada. Observe as diferenças na distância de parada nessas ilustrações. O lidar não-giratório de menor potência não detectará o obstáculo até que haja menos espaço para parar; portanto, é necessária uma parada muito mais rápida para evitar uma colisão. Mas mesmo se não houver colisão, paradas rápidas correm o risco de ferir os passageiros.

Motores sem escovas, sem moldura e adequados para os Lidares automotivos

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Compreendendo os diferentes lidar (conceitos de detecção e alcance da luz) é importante ao projetar subsistemas Lidar para o setor de automóveis e caminhões. Eles são semelhantes aos radares, mas usam lasers em vez de ondas eletromagnéticas na faixa de RF para quitar alvos. Existem duas abordagens principais para lidar: dispositivos de estado sólido e versões de fiação híbrida.

Estado sólido

O termo “lidar em estado sólido” abrange qualquer dispositivo não giratório. Por exemplo, um método de estado sólido usa uma matriz em fases para orientar o feixe de laser no horizonte. Este método não usa partes móveis. Outro método, o flash lidar, não usa um raio laser em movimento para escanear os arredores. Ilumina toda a cena em um único flash a laser e, em seguida, detecta a luz retornada com um conjunto bidimensional de sensores semelhantes aos CCDs usados ​​nas câmeras digitais. Outro método de estado sólido conta com um pequeno espelho para direcionar o raio laser.

Com poucas partes móveis, cada um desses métodos de estado sólido fornece uma maneira potencialmente barata de construir lidares. Todos os componentes eletrônicos estão em um chip, incluindo laser, circuitos de direção de feixe, detector para retorno de sinal e suporte à alimentação do computador.

Parece ótimo, mas ter um único chip nem sempre é a melhor escolha. Existem fatores que afetam a operação e o ciclo de vida das unidades de estado sólido, incluindo preocupações ambientais como calor, frio, umidade, chuva e substâncias corrosivas. As preocupações do consumidor incluiriam custos de reposição se o chip falhar. O custo também influencia os fabricantes que podem oferecer opções de menor custo, nas quais componentes individuais podem ser substituídos, substituindo a montagem inteira.

Mais importante, os lidares de estado sólido fornecem um campo de visão único e fixo no local, geralmente de 120 graus. ou menos. Seriam necessárias no mínimo três unidades, dependendo das precisões disponíveis para cada dispositivo. Além disso, de acordo com as regras de segurança, os lasers devem ter saídas suficientemente baixas para que, se uma pessoa olhasse para o dispositivo por um número especificado de segundos, o laser não danificaria os olhos.

Um lidar híbrido giratório de longo alcance (em cima) detecta objetos longe o suficiente para que haja espaço suficiente para um carro autônomo chegar a uma parada lenta e controlada. Observe as diferenças na distância de parada nessas ilustrações. O lidar não-giratório de menor potência não detectará o obstáculo até que haja menos espaço para parar; portanto, é necessária uma parada muito mais rápida para evitar uma colisão. Mas mesmo se não houver colisão, paradas rápidas correm o risco de ferir os passageiros. Um lidar híbrido giratório de longo alcance (em cima) detecta objetos longe o suficiente para que haja espaço suficiente para um carro autônomo chegar a uma parada lenta e controlada. Observe as diferenças na distância de parada nessas ilustrações. O lidar não-giratório de menor potência não detectará o obstáculo até que haja menos espaço para parar; portanto, é necessária uma parada muito mais rápida para evitar uma colisão. Mas mesmo se não houver colisão, paradas rápidas correm o risco de ferir os passageiros.

Híbridos de Estado Sólido

A principal vantagem dos lidares com um raio laser giratório para empresas de automóveis é que elas podem facilmente digitalizar 360 graus. Também elimina pontos cegos que podem ser causados ​​por lacunas ou sobreposições na cobertura, um problema inerente aos projetos de estado sólido. Esse campo de visão nos lidares híbridos é contínuo e repetitivo.

Além disso, para aderir às regras de segurança relativas aos lasers, é permitido que as fontes móveis de laser emitam em níveis de energia mais altos que os estacionários. Maiores saídas a laser se traduz em muito maiores intervalos de detecção. Isso é importante, pois significa que as paradas rápidas para objetos na estrada são menos prováveis. Quanto menor a parada, maior a possibilidade de lesões, mesmo que a parada dos pneus possa ter evitado um acidente.

Os primeiros lidares híbridos eram altamente mecânicos, grandes e volumosos. Muitas pessoas ainda imaginam grandes torres giratórias montadas no topo de carros, como os primeiros protótipos de veículos autônomos, quando pensam em lidar. No entanto, os lidares de estado sólido levaram a versões menores e mais leves. Essa tendência continuará à medida que os engenheiros projetam lidares cada vez menores e mais leves. Isso facilita a montagem, economiza espaço e provavelmente consome menos energia. O peso reduzido e os requisitos de energia reduzidos também dariam aos veículos – especialmente veículos totalmente elétricos – faixas mais longas.

Os lidares híbridos podem ser reduzidos de outra maneira: equipando-os com motores DC sem escova (BLDC). Esses motores vêm em vários tamanhos e formas. Os engenheiros estão familiarizados com os padrões de tamanho NEMA, como NEMA 17 ou 23. Geralmente, os motores BLDC estão prontamente disponíveis e podem fornecer um ótimo ajuste pronto para uso. Essa abordagem renuncia à possibilidade de criar algo menor, já que é mais uma abordagem de tamanho único, especialmente ao tentar minimizar o tamanho do sensor geral.

Os motores CC sem escova oferecem muitos benefícios aos engenheiros que constroem os mais recentes lidares.Os motores CC sem escova oferecem muitos benefícios aos engenheiros que constroem os mais recentes lidares.

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Um caminho para motores BLDC menores e mais leves é eliminar componentes desnecessários. Quando se trata de motores, as versões BLDC se prestam a esse processo. Por exemplo, a maioria dos motores BLDC prontos para uso é estrutural e mecanicamente autossustentável, com o rotor suspenso dentro do estator pelas tampas nas duas extremidades. Porém, se as tampas das extremidades forem eliminadas, o motor ainda poderá ser conectado no que é chamado de motor sem moldura.

Motores sem moldura eliminam mais do que apenas as tampas. Eles também não precisam de suportes, placas ou suportes de montagem. Todos os suportes estruturais e mecânicos necessários podem fazer parte do lidar. Nesse projeto, o estator e o rotor podem ser perfeitamente acomodados, reduzindo o tamanho sem sacrificar o desempenho.

Motores sem moldura reduzem o desperdício e a redundância, eliminando a necessidade de suportes, placas e suportes de montagem adicionais.Motores sem moldura reduzem o desperdício e a redundância, eliminando a necessidade de suportes, placas e suportes de montagem adicionais.

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A aerodinâmica e o estilo visual também desempenham papéis importantes no design de veículos. Para engenheiros e designers automotivos, é muito mais fácil incorporar uma forma mais larga e plana no exterior de um carro ou caminhão do que uma forma alta e estreita. Os motores BLDC sem moldura se prestam a perfis finos, tornando-os adequados para um veículo aerodinâmico. Portanto, um motor sem moldura pode ter um diâmetro grande para compensar a altura mais baixa e ainda obter o mesmo desempenho de um motor BLDC mais alto. O transmissor e o receptor a laser, que estarão girando, podem ser montados dentro do rotor com alguns de seus componentes no interior do estator do motor. Ambas as opções reduzem a altura do lidar para uma forma mais aerodinâmica.

O benefício adicional de um design sem moldura é que os motores de tamanho padrão não são mais uma restrição. Isso significa que os designers têm maiores oportunidades de explorar várias formas e tamanhos de motores. Por exemplo, o motor pode ser projetado para se ajustar ao aplicativo em vez de forçá-lo a se ajustar ao motor. Isso oferece aos engenheiros a liberdade e flexibilidade para projetar lidares com as menores dimensões possíveis.

Outra vantagem é que os sensores de estado sólido da Lidar são leves, portanto os motores não têm tanta massa para girar e os requisitos de torque do motor são reduzidos. Tudo isso significa que um motor menor é necessário para fazer o trabalho.

Obtendo o melhor desempenho

O objetivo principal do motor lidar é girar de maneira confiável a uma velocidade constante. Os motores BLDC podem ser projetados para girar em uma faixa estreita de rpms. Enquanto os motores prontos para uso geralmente precisam ter uma ampla faixa de desempenho, os motores personalizados e semi-personalizados podem ser ajustados com intervalos mais estreitos de torque e velocidade. Isso significa que os enrolamentos do motor podem ser otimizados para esses parâmetros de desempenho.

Com enrolamentos otimizados, o tamanho do estator pode ser reduzido. Isso significa que as ressonâncias (vibrações indesejadas) na velocidade alvo podem ser reduzidas ou eliminadas. O consumo de energia e outros parâmetros do motor também podem ser aprimorados sem sacrificar o desempenho.

Os lidares giratórios híbridos permitem que robôs e veículos autônomos “vejam” 360 graus. Isso os torna críticos para a segurança de passageiros e pedestres. Não há muita margem para erros, especialmente quando se trata de veículos totalmente autônomos. As falhas do Lidar nos veículos em movimento essencialmente os tornam cegos. E quando se trata de lidares de estado sólido híbridos, o motor BLDC pode se tornar um ponto de falha em potencial. Portanto, é importante tomar todas as precauções para minimizar esses riscos. Os projetistas podem fazer isso garantindo a qualidade do motor.

Também é importante escolher o parceiro de fabricação certo para o fornecimento de peças. Existem vários fabricantes que podem produzir motores sem moldura; no entanto, há poucos que podem garantir a consistência e a qualidade de seus motores. Uma coisa é fabricar motores que atendam às especificações exigidas, mas outra é fabricar 100.000 motores que oferecem a mesma consistência e confiabilidade.

O melhor tamanho e desempenho para o motor escolhido começa com o design. Inúmeros fatores afetam o desempenho do motor, incluindo o estator, o intervalo de ar entre o estator e o rotor, o medidor e a taxa de preenchimento do fio do ímã e a magnetização adequada do rotor. Essas questões, e mais, só podem ser dominadas com anos de experiência.

Bart Pichola é gerente de marketing da Lin Engineering, www.linengineering.com.

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