激光雷達產(chǎn)業(yè)為無人駕駛添磚加瓦

曾經(jīng)貴為“天子”，如今難為“草夫”沒錯！曾經(jīng)，激光雷達的應用可謂高大上！作為雷達和激光“孕育”的產(chǎn)物——激光雷達（以下簡稱LiDAR）起源于20世紀60年代早期，首次應用是在氣象學中，國家大氣研究中心用它來測量云層。但走入公眾視野，則是在1971年阿波羅執(zhí)行15號任務期間宇航員采用一種LiDAR設備——激光高度計來繪制月球表面圖。由此，LiDAR的精準度和用處得到了證明。50多年過去，LiDAR技術從最簡單的激光測距技術開始，逐步發(fā)展出激光跟蹤、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術，同時，LiDAR應用領域也逐漸拓展。此前的幾十年，LiDAR在軍事領域廣受歡迎，作為一種能夠抵抗電子戰(zhàn)、反輻射導彈、超低空突防和隱身的高靈敏雷達，可以探測和跟蹤目標，獲得目標方位、速度等信息，即使身價不菲，但仍不能阻擋不了各國軍事部門矢志不渝地對其精益求精的追求。LiDAR作為無人駕駛的核心部件，而無人駕駛有望在未來五年內(nèi)正式上路，因此汽車行業(yè)是LiDAR市場增長的主要貢獻者。Yole在其近期發(fā)布的《汽車MEMS和傳感器市場及技術趨勢-2017版》報告中預測，汽車LiDAR市場將在未來五年獲得巨幅增長，其市場規(guī)模將從2017年的3億美元增長至2022年的14億美元，到2027年更是有望快速增長到44億美元。

Yole對激光雷達、雷達以及圖像傳感器市場的預測或許大家還記得谷歌在2012年推出的無人駕駛汽車頂上的“全家桶”——造價高達7萬美刀的LiDAR系統(tǒng)！Word天，這個“全家桶”價格燙手，在美國足以買部中端汽車了。

谷歌在2012年推出的無人駕駛汽車LiDAR想從高大上的應用走入尋常百姓家，在保證安全性的同時，通過技術革新走價格親民路線是必須的！否則，消費者不會為如此高昂的功能買單。據(jù)Technavio推測，到2020年，一套LiDAR設備的價格有望將至100美元。

LiDAR設備價格預測（單位：美元）LiDAR技術流派LiDAR，全稱為Light Detection and Ranging，即激光探測和測距。LiDAR的工作原理：飛行時間法（ToF），就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標與自己的相對距離。激光光束可以準確測量視場中物體輪廓邊沿與設備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別。

LiDAR的工作原理：飛行時間法（ToF）LiDAR能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離，甚至連車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。眾所周知雷達技術已經(jīng)在許多具有先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的量產(chǎn)車上裝配使用。但是為了進一步提高汽車的環(huán)境感測精度和運行可靠性，可以說在嚴苛的無人駕駛系統(tǒng)中，LiDAR將成為一種不可替代的傳感器。

LiDAR技術為無人駕駛保駕護航LiDAR的分類方式有很多種。按線束數(shù)量的多少，LiDAR可分為單線束LiDAR與多線束LiDAR。顧名思義，單線束LiDAR掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無法區(qū)別有關目標物體的3D信息。多線束LiDAR掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細分可分為2.5DLiDAR及3DLiDAR。2.5DLiDAR與3DLiDAR最大的區(qū)別在于LiDAR垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達到30°甚至40°以上。按有無機械旋轉部件分類，包括機械LiDAR、混合固態(tài)LiDAR、全固態(tài)LiDAR。固態(tài)？難道LiDAR還跟水的三態(tài)一樣，分固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)不成？當然不是！如果您對硬盤的機械式、混合固態(tài)、固態(tài)早有耳聞，那么理解LiDAR的三種技術流派就沒那么費力了！LiDAR的固態(tài)主要跟激光發(fā)射裝置是否存在機械旋轉部件有關，固態(tài)LiDAR中是沒有機械旋轉部件的，取而代之的是電子部件來實現(xiàn)發(fā)射激光束的轉動。機械LiDAR通過不斷旋轉發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光束從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光（即32或64線雷達），形成多個面，達到動態(tài)3D掃描的目的。但其有“大、重、貴”的缺點，確實讓人難以接受，想必大家都不喜歡車頂上頂著偌大個“金球”吧！

圖中最大個是Velodyne公司第一代機械LiDAR：HDL-64E，也是谷歌無人駕駛汽車車頂?shù)摹叭彝啊痹?016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3DLiDAR——混合固態(tài)超級冰球（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），這款產(chǎn)品為32線束LiDAR，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時價格低廉，未來在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，其目標價格可降至500美元，性價比較高。所謂混合固態(tài)LiDAR，是外形上不存在可見的旋轉部件，但是為了360全視角其內(nèi)部實際上仍然存在一些機械旋轉部件，只是這套機械旋轉部件做的非常小巧可以內(nèi)藏而已，如采用微機電技術制作的MEMS掃描鏡。為了將這樣的產(chǎn)品概念和傳統(tǒng)“固態(tài)”概念區(qū)分開來，因此引入了“混合固態(tài)”的稱呼。

Velodyne公司混合固態(tài)超級冰球全球領先的固態(tài)LiDAR傳感器和智能傳感解決方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽車級固態(tài)LiDAR系統(tǒng)。通過發(fā)射器、接收器和信號處理器三個主要組件的交互，S3每秒生成五十萬個數(shù)據(jù)點。激光器在水平120°內(nèi)發(fā)射平行光脈沖，光接收器探測反射光脈沖。信號處理器計算每個光脈沖的飛行時間。通過在各個方向掃描，S3在車輛周圍創(chuàng)建出實時3D視圖，以檢測、分類和跟蹤場景中的對象。所謂固態(tài)，指無論是宏觀還是微觀尺度上都沒有可動部件或振動部件，保證了最高水平的性能、可靠性、壽命和成本效益。這也是未來的LiDAR技術趨勢！

Quanergy Systems發(fā)布全球首款汽車級固態(tài)LiDAR系統(tǒng)而關于機械LiDAR、混合固態(tài)LiDAR、全固態(tài)LiDAR三種技術流派的細節(jié)，我們將后續(xù)系列文章中逐個詳談。無人駕駛LiDAR融合技術趨勢無人駕駛的傳感器方案之爭一直是個經(jīng)久不衰的話題，此前，包括Mobileye聯(lián)合創(chuàng)始人Amnon Shashua、特斯拉CEO馬斯克在內(nèi)的一眾大佬曾公開宣誓對攝像頭傳感器的“孤注一擲”，但如今聲音也開始變得不一樣，Amnon Shashua在公開演講的口徑已經(jīng)開始傾向于表達多傳感器冗余的必要性。的確，多數(shù)汽車ADAS或無人駕駛都有賴于三類傳感器的融合進行環(huán)境感知：攝像頭、毫米波雷達、LiDAR。而隨著傳感器和環(huán)境感知技術的重要性日漸增強，目前業(yè)界普遍持有的觀點是，傳感器融合將提供魯棒性更強的自動化系統(tǒng)。多LiDAR耦合多LiDAR耦合是指多個LiDAR經(jīng)過合理設計布局，通過LiDAR聯(lián)合標定以及數(shù)據(jù)同步處理，達到自由組合LiDAR點云密度變化的目的。以速騰聚創(chuàng)的多LiDAR耦合方案為例， 4 個標準版 16 線LiDAR耦合，相比于單個64線激光雷達，價格會便宜四分之三；同時在性能上能夠實現(xiàn)高速自動駕駛實際使用所需的相同點云密度，其測量距離達到 150 米；另外，多激光雷達耦合方案，可以根據(jù)客戶不同需求進行拆裝組合，適用不同場景。

多LiDAR耦合應用效果演示LiDAR和攝像頭融合在無人駕駛應用中，攝像頭價格便宜，但是受環(huán)境光影響較大，可靠性相對較低。LiDAR探測距離遠，對物體運動狀態(tài)判斷精準，可靠性高，但是價格仍居高不下。攝像頭可以完成的工作有：車道線檢測，障礙物檢測和交通標志的識別；而LiDAR完成的任務有：路沿檢測、動態(tài)和靜態(tài)物體識別，定位和地圖創(chuàng)建。對于動態(tài)的物體，攝像頭能判斷出前后兩幀中物體或行人是否為同一物體或行人，而LiDAR則得到信息后測算前后兩幀間隔內(nèi)運動速度和運動位移是多少。

攝像頭和LiDAR分別對物體識別后再進行標定對于安全性要求100%的無人駕駛，LiDAR和攝像頭融合將是未來互補的方案。隨著LiDAR技術的進步，價格的下降，我們有望看到兼?zhèn)涿烂埠透咝阅艿腖iDAR以親民的價格，在無人駕駛時代大有作為！LiDAR和毫米波雷達融合作為ADAS不可或缺的核心傳感器類型，毫米波雷達從上世紀起就已在高檔汽車中使用，技術相對成熟，價格親民。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點，且其引導頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。此外，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，彌補了激光雷達的“軟肋”。但毫米波雷達受制于波長，探測距離非常有限，也無法感知行人，并且對周邊所有障礙物無法進行精準的建模。這恰恰是激光雷達的強項。激光雷達和毫米波雷達，不僅可以在性能上實現(xiàn)互補，還可以大大降低使用成本，這樣一來可以為無人駕駛的開發(fā)提供一個新的選擇。此外，美國初創(chuàng)公司Aeva剛剛發(fā)布了一款集激光雷達和雷達于一身的新型傳感器，既可確定周圍物體的位置，也可確定物體速度。該傳感器的連續(xù)波將比現(xiàn)有激光雷達提供更廣的探查范圍和更高分辨率的圖像，并且能更好地應對天氣變化及如橋欄桿這樣的高度反光物體，并避免干擾其它光學傳感器。LiDAR、攝像頭、毫米波雷達等多傳感器融合其實要想準確可靠地識別車輛周圍的情況，多傳感器融合必不可少！多傳感器融合的目標是：組合使用特點不同的多種傳感器，在所有場合提高對車輛周圍的識別精度。日本電裝、中國馭勢科技等企業(yè)都希望通過采用高度可擴展的多傳感器融合框架，融合多種傳感器數(shù)據(jù)，比如攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、超聲波傳感器等，做出智能可靠的智能駕駛解決方案。據(jù)麥姆斯咨詢報道，位于德國斯圖加特的Vector Informatik公司還發(fā)布了ADAS及無人駕駛應用的多傳感器融合開發(fā)工具。該工具提供成熟的傳感器數(shù)據(jù)可視化、圖形配置及整合。最重要的一點，該工具提供了一個可擴展的數(shù)據(jù)記錄儀產(chǎn)品方案，可應對并及時處理當下ADAS系統(tǒng)多傳感器（攝像頭、雷達、激光雷達）產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，流量超過1GB/秒。