自動駕駛的中流砥柱 聊傳感器激光雷達(dá)

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前幾天我們報(bào)道了百度Apollo把無人物流車開進(jìn)武漢（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）醫(yī)院的消息。有網(wǎng)友評論說這款車型值得推廣，也有網(wǎng)友問無人駕駛車身上的圓柱形零件是什么?？吹竭@，我想起之前有網(wǎng)友在文章里問過我相關(guān)問題，尤其是不知道自動駕駛車頂?shù)摹按蟾住笔钦l。有鑒于此，我們將在這篇文章中為大家做一個科普，并談?wù)劅o人駕駛汽車上最重要的傳感器，整篇文章。

在本文中，您將看到:

1)無人傳感器的類型；

2)分鐘了解激光雷達(dá)的詳細(xì)分類；

3)寬腦洞的傳感器有哪些排列？

1.無人駕駛汽車如何“看見”周圍環(huán)境？

感知，你需要知道無人駕駛汽車會有哪些傳感器。無人車的外形看似各有特點(diǎn)，但本質(zhì)是通過一系列不同的傳感器作為眼睛和耳朵來觀察外界，而這些傳感器確實(shí)是無人駕駛研究的重要組成部分。

從感知類型來看，大致可以分為視覺類、感知類和定位類。

從近到遠(yuǎn)，它們分別是超聲波雷達(dá)-激光雷達(dá)-毫米波雷達(dá)，而在這些不同種類的雷達(dá)中，激光雷達(dá)顯然有著非常重要的地位。雖然毫米波雷達(dá)可以判斷更遠(yuǎn)的障礙物，但它顯然有很大的局限性，比如路標(biāo)、紅綠燈，或者貨車過馬路。毫米波雷達(dá)無法有效識別不同層面的物體。但是，激光雷達(dá)沒有這個問題。其優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確獲取前方物體的三維位置信息，不受光線等環(huán)境因素影響。因此，激光雷達(dá)是高精度識別的必備產(chǎn)品。

這張地圖將與云中的高精度地圖匹配定位車輛，同時識別沿途的行人、車輛、車道線、車輛和環(huán)境，因此激光雷達(dá)在整個無人車的傳感器中發(fā)揮著重要作用。

這些不同的傳感器有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，科技公司在開發(fā)無人駕駛汽車或自動駕駛系統(tǒng)時，通常會使用各種傳感器的組合，最終的顯示形式就是我們現(xiàn)在在電視上看到的。

第二，最昂貴的傳感器——激光雷達(dá)

在我們面前，我們已經(jīng)概述了無人駕駛車輛的基本傳感器組件。讓我們來看看這些傳感器中最重要、最昂貴的部分:激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)可以根據(jù)不同的功能進(jìn)行分類。目前主要是根據(jù)汽車領(lǐng)域有無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件來分類。一般有帶旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。

1)機(jī)械激光雷達(dá)，成本高，輸出有限

機(jī)械式激光雷達(dá)由光電二極管、MEMS發(fā)射鏡、激光發(fā)射器和接收器等組成。所謂“機(jī)械式”是指可以360°旋轉(zhuǎn)并控制發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。

但是，機(jī)械式激光雷達(dá)的缺點(diǎn)也很明顯:首先，機(jī)械式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對精度和可靠性要求很高，硬件內(nèi)部的每一條線都是由一對激光發(fā)射器和接收器組成。為了保證精確測距，需要保證發(fā)射的激光剛好在完成100-200米的距離后，能夠被一對接收器接收到，這就給產(chǎn)品帶來了難度；目前訂單量少，激光雷達(dá)全部手工制作，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊需要精密的光學(xué)對準(zhǔn)裝配，復(fù)雜、工作量大，難以大批量生產(chǎn)。

2)固態(tài)激光雷達(dá)強(qiáng)勢崛起

固態(tài)激光雷達(dá)和機(jī)械式最大的區(qū)別就是取消了機(jī)械相關(guān)的機(jī)構(gòu)，自然形狀會變小，對于量產(chǎn)意義重大。此外，固態(tài)激光雷達(dá)的掃描結(jié)構(gòu)被小型化，并且與機(jī)械型相比，其穩(wěn)定性被提高。成本方面，以美國著名公司Quanergy為例。他家的固態(tài)激光雷達(dá)S3目前售價(jià)約250美元，但訂單量超過1萬臺就可以降到100美元以下。這是機(jī)械激光雷達(dá)無法比擬的價(jià)格。

三叉固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械激光雷達(dá)的技術(shù)路線比較簡單，但固態(tài)激光雷達(dá)就不一樣了。我整理了三條市面上常見的技術(shù)路線，供大家了解。

○相控陣固態(tài)激光雷達(dá)

說到相控陣?yán)走_(dá)，喜歡軍事的朋友一定很熟悉。比如前段時間下水的055驅(qū)逐艦就使用了相控陣?yán)走_(dá)，綽號“飛電”的F35也使用了相控陣?yán)走_(dá)。

優(yōu)點(diǎn):相控陣固態(tài)激光雷達(dá)優(yōu)勢明顯，主要包括三點(diǎn)。第一，掃描速度快，這也是繼承軍事應(yīng)用的特點(diǎn)，開機(jī)后可以立即使用。二是掃描的指向精度極高，目前可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位的精度。第三，光束容易控制。簡單來說，你可以掃描任何你想要的區(qū)域，只需要通過電信號控制光源。

缺點(diǎn):該技術(shù)路線雷達(dá)最大的問題是加工難度太高。同時，相控陣激光雷達(dá)對材料的要求也很高。研制耐激光的電光材料比較困難，相應(yīng)的成本也會比較高。這些問題目前限制了相控陣激光雷達(dá)的發(fā)展。

○3閃光固態(tài)激光雷達(dá)

3Dflash固態(tài)激光雷達(dá)是一種非掃描雷達(dá)，可以在短時間內(nèi)直接發(fā)射出覆蓋探測區(qū)域的大塊激光，然后用高靈敏度的接收器完成周圍圖像的繪制，聚焦在二維或三維圖像上。

優(yōu)點(diǎn):這種類型的激光雷達(dá)具有良好的穩(wěn)定性和成本優(yōu)勢。

缺點(diǎn):探測距離短是其主要缺點(diǎn)之一，技術(shù)成熟度不高。

○微機(jī)電系統(tǒng)固態(tài)激光雷達(dá)

上面我已經(jīng)給大家介紹過MEMS了。我們說它是機(jī)械激光雷達(dá)的一個組成部分，但其實(shí)固態(tài)激光雷達(dá)中也有這個技術(shù)路線，這也是很多網(wǎng)友經(jīng)?；煜牡胤?。這種雷達(dá)可以看作是機(jī)械激光雷達(dá)的進(jìn)化。

優(yōu)點(diǎn):MEMS固態(tài)激光雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。同時，由于取消了旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了雷達(dá)的成本。從大規(guī)模生產(chǎn)的角度來看，其組件成熟，易于大規(guī)模生產(chǎn)。

缺點(diǎn):目前缺點(diǎn)還在技術(shù)難度上，對MEMS微振鏡的透徹理解還是非常困難的。

以上三種是目前固態(tài)激光雷達(dá)的主要類別，除此之外，還有一些目前看似神秘或小眾的技術(shù)，比如Cepton的MMT微動技術(shù)。

這種類型的激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)是“小”。有多小？這種形式的激光雷達(dá)可以集成到車燈中，而Cepton也透露，這種雷達(dá)的內(nèi)部元器件目前都是市場上量產(chǎn)的產(chǎn)品，所以成本較低。

以上內(nèi)容是現(xiàn)階段所有類型的激光雷達(dá)。根據(jù)專業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，目前固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)展迅速，2021年將達(dá)到量產(chǎn)，但技術(shù)路線格局仍不明朗。當(dāng)然，雖然激光雷達(dá)的路線還處于百家爭鳴的局面，但已經(jīng)有了一些實(shí)際的量產(chǎn)應(yīng)用。例如，大陸首款激光雷達(dá)SRL1于2021年用于沃爾沃的City Safety主動安全系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了AEB功能，但水平較低。

法雷奧是真正意義上的激光雷達(dá)制造商。法雷奧的激光雷達(dá)與Ibeo合作，2010年研發(fā)了4線激光雷達(dá)，2021年正式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2021年上市的奧迪A8（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）成為首款搭載量產(chǎn)4線激光雷達(dá)的車型。

第三，和大蘑菇站在一起太難看了。未來會有哪些傳感器布局方案？

解決了激光雷達(dá)的問題后，自動駕駛汽車的基本傳感器布置是通過將其他傳感器布置成一個圓圈來完成的，但這種看起來像科幻小說的汽車在工程師眼中并不完美。

目前看來各大廠商的思路都是想盡一切辦法將這些暴露的傳感器隱藏起來。有兩種常見的方法。

1)屋頂布局

首先是屋頂布局，但這里的屋頂并不是指向外凸出，而是集成在屋頂上。這個方案是由偉巴斯特提出的。偉巴斯特認(rèn)為車頂是自動駕駛汽車傳感器布置的最佳位置。對于沒有天窗的車輛來說，在制造過程中提前增加傳感器必然是可行的方案，但對于未來的車輛來說，幾乎不可能有天窗，因此天窗與傳感器的集成勢在必行。

傳感器的定位和全天候穩(wěn)定工作對感知環(huán)境非常重要。因此為了應(yīng)對惡劣天氣對傳感器的干擾，還增加了偉巴斯特最新的高壓水清洗系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。

2)前后布局

前布局是目前比較常見的方法，比如奧迪A8和奧迪A6的激光雷達(dá)隱藏在前格柵，這也是未來的一種布局方式，但是隨著激光雷達(dá)的小型化，現(xiàn)在有了大燈內(nèi)部布局的方案。

這個方案來自上面提到的Cepton。在他們的設(shè)計(jì)中，一輛汽車將配備四個激光雷達(dá)，兩個在前，兩個在后。

目前，日本最大的汽車大燈制造商Koito Automotive已經(jīng)確定了將Cepton的激光雷達(dá)集成到LED大燈中的計(jì)劃，未來似乎很可能會出現(xiàn)在雷克薩斯品牌上。

四.摘要

近三年全球?qū)す饫走_(dá)的投資已超過10億美元，其投資公司多為供應(yīng)商，如法雷奧、博世、中國等老牌企業(yè)。他們通常收購初創(chuàng)公司或進(jìn)行固定投資，或合作開發(fā)并牢牢掌握激光雷達(dá)的核心技術(shù)。

全球領(lǐng)先的谷歌Waymo也非常重視自主研發(fā)的激光雷達(dá)。雖然威力登被用作測試車的傳感器，但它仍在開發(fā)自己的雷達(dá)。2021年，研制了三種激光雷達(dá)。

國內(nèi)廠商在激光雷達(dá)領(lǐng)域正在快速追趕，并沒有落后太多。何塞科技、麗笙智能、華大杰克等廠商在各類激光雷達(dá)上都有自己的產(chǎn)品。主要限制在芯片領(lǐng)域。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心芯片還比較薄弱，飛信科技等廠商在這方面投入較多。

最后，我們來看看應(yīng)用前景。目前，激光雷達(dá)的成本仍然很高，尤其是機(jī)械激光雷達(dá)。目前整體市場規(guī)模不大，高成本使得其市場滲透率較低。幸運(yùn)的是，各大汽車公司和供應(yīng)商都加大了對激光雷達(dá)的投資，而外部資本對這一領(lǐng)域仍然非常感興趣。根據(jù)威力登的預(yù)測，未來激光雷達(dá)市場將每年翻一番，IHS預(yù)測2025年全球車載激光雷達(dá)市場規(guī)模為25億美元。另一方面，國內(nèi)廠商也在加快研發(fā)步伐。當(dāng)中國市場變得更加活躍，依托龐大的市場，有望降低激光雷達(dá)的整體成本。