激光雷達(dá)技術(shù)在自動(dòng)駕駛汽車中的應(yīng)用

在不斷發(fā)展的汽車技術(shù)領(lǐng)域，LiDAR（光探測(cè)和測(cè)距）傳感器——也就是“激光雷達(dá)”——已成為關(guān)鍵組件，隨著汽車行業(yè)向自主化邁進(jìn)，激光雷達(dá)傳感器在提供安全導(dǎo)航所需的實(shí)時(shí)3D地圖方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

激光雷達(dá)技術(shù)在自動(dòng)駕駛汽車中的集成增強(qiáng)了車輛的感知能力，從而可以在復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景中做出更好的決策，這一趨勢(shì)凸顯了LiDAR在自動(dòng)駕駛汽車開發(fā)和部署中的重要性?？梢哉f(shuō)，LiDAR的應(yīng)用徹底改變了車輛感知和與周圍環(huán)境互動(dòng)的方式。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的激光雷達(dá)應(yīng)用

休斯飛機(jī)公司于20世紀(jì)60年代發(fā)明了LiDAR技術(shù)，該技術(shù)在汽車中的商業(yè)應(yīng)用始于2010年代。從2020年開始，LiDAR在高端電動(dòng)汽車中越來(lái)越受歡迎。

LiDAR是一種類似雷達(dá)的探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)使用光波而不是無(wú)線電波來(lái)探測(cè)物體、描述其特征并確定其距離。對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言，沒(méi)有精確快速的物體檢測(cè)系統(tǒng)，車輛將無(wú)法行駛。每秒發(fā)射數(shù)百萬(wàn)個(gè)激光脈沖的連續(xù)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)系統(tǒng)使之成為可能。

通過(guò)集成激光雷達(dá)，智能汽車能夠更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)周邊動(dòng)態(tài)環(huán)境，為安全導(dǎo)航提供了所需的精度和可靠性。與傳統(tǒng)的相機(jī)和雷達(dá)系統(tǒng)不同，LiDAR提供高分辨率的環(huán)境3D映射，即使在惡劣的天氣和低光照條件下也能準(zhǔn)確檢測(cè)物體、行人和道路狀況，使得車輛能夠做出實(shí)時(shí)決策。

如果汽車上的LiDAR傳感器發(fā)出一千次或更多次激光脈沖，就會(huì)創(chuàng)建一張精確的周圍環(huán)境地圖，同時(shí)捕捉細(xì)節(jié)。Benewake公司的TF03-180是一款工業(yè)級(jí)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，其最大探測(cè)距離可達(dá)100米，具有針對(duì)室外眩光和其他干擾的集成補(bǔ)償算法，可以在強(qiáng)光環(huán)境和雨、霧、雪條件下工作，在車輛防撞和安全警告系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖：可用于智能駕駛系統(tǒng)的遠(yuǎn)程激光雷達(dá)TF03-180（圖源：Benewake）

盡管LiDAR系統(tǒng)具有大量的硬件組件，但其工作原理與雷達(dá)類似，即采用各種測(cè)距機(jī)制來(lái)確定與物體的距離。在實(shí)際應(yīng)用中，每種測(cè)距機(jī)制在精度、復(fù)雜性和性能方面都有各自的優(yōu)勢(shì)。

ToF（飛行時(shí)間）激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量激光脈沖擊中物體后返回所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算精確的距離，在夜間工作良好，且成本較低，但也存在著明顯的弱點(diǎn)，比如在明亮的白天，它經(jīng)常受到紅外范圍內(nèi)的陽(yáng)光的干擾，在接收信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的噪聲。

FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量頻率變化以確定距離和速度，由于系統(tǒng)已對(duì)光信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理，抑制了入射的背景輻射和干擾，因此該方法可有效提供更高精度的測(cè)距，不過(guò)它的成本較高，實(shí)施起來(lái)更復(fù)雜。

激光雷達(dá)中的核心技術(shù)

整個(gè)LiDAR子系統(tǒng)包括信號(hào)鏈、電源、接口、時(shí)鐘和監(jiān)測(cè)/診斷子系統(tǒng)等。其中的信號(hào)鏈的子系統(tǒng)主要包括發(fā)射系統(tǒng)（Tx）、接收系統(tǒng)（Rx）、控制系統(tǒng)以及數(shù)字處理系統(tǒng)等。受空間的限制，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用于系統(tǒng)中的模塊尺寸比較敏感，因此，激光雷達(dá)系統(tǒng)需要高密度的系統(tǒng)集成。

Texas Instruments公司提供的一系列放大器可與激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行有效集成。這些放大器包括用于基于ADC系統(tǒng)的LMH32401和LMH32404，以及用于基于TDC系統(tǒng)的LMH34400。所有器件均集成了高速TIA（跨阻放大器）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以及環(huán)境光消除、輸入過(guò)電流鉗位保護(hù)和多路復(fù)用器模式等功能。其中的環(huán)境光消除電路是專為節(jié)省布板空間并降低系統(tǒng)成本而設(shè)計(jì)，可使用該電路代替光電二極管（PD）或雪崩光電二極管（APD）與放大器之間的交流耦合。當(dāng)需要直流耦合時(shí)，環(huán)境光消除電路也可以被禁用。

圖：適用于LiDAR應(yīng)用的汽車級(jí)可編程增益差分輸出高速跨阻放大器（圖源：Texas Instruments）

Infineon的AURIX TC4x微控制器系列針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車中汽車激光雷達(dá)傳感器的集成進(jìn)行了優(yōu)化。AURIX TC4Dx是該系列的首款產(chǎn)品，采用了搭載500MHz TriCore六核處理器的多核架構(gòu)，所有核心均具有鎖步功能，可實(shí)現(xiàn)更高的功能安全性能，同時(shí)還有高達(dá)20MB的eFlash非易失性存儲(chǔ)器、10MB SRAM和豐富的連接功能，包括兩個(gè)5Gbps和四個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)接口。對(duì)于傳感器融合和集成平臺(tái)如車輛運(yùn)動(dòng)控制器等應(yīng)用，AURIX TC4Dx提供具有擴(kuò)展連接和AI功能的高性能，包括智能加速器。

激光雷達(dá)市場(chǎng)趨勢(shì)

汽車激光雷達(dá)傳感器是自動(dòng)駕駛汽車生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。它們?yōu)榘踩叫?、事故避免和物體檢測(cè)提供了必要的數(shù)據(jù)，使其成為未來(lái)交通不可或缺的技術(shù)。推動(dòng)車輛激光雷達(dá)傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素包括對(duì)自動(dòng)駕駛汽車需求的增加和對(duì)車輛安全的日益重視。

此外，人工智能（AI）算法增強(qiáng)了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理能力，實(shí)現(xiàn)了更好的目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和分類，這對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航至關(guān)重要。未來(lái)，人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步將成為車輛激光雷達(dá)傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要推手。

據(jù)Precision Business Insights的預(yù)測(cè)，2023年，LiDAR汽車市場(chǎng)規(guī)模為4.665億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到17.866億美元，2024-2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為22.3%。

在預(yù)測(cè)期內(nèi)，3D汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)將有更大的增長(zhǎng)。這是因?yàn)椋?D LiDAR不僅重量輕，還可以掃描100到150米的區(qū)域范圍，視場(chǎng)角（FoV）在水平或垂直方向上均為360度，智能汽車可憑借3D LiDAR來(lái)獲得更寬廣的視野和更高的精度。隨著價(jià)格的不斷下降，加上汽車行業(yè)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的偏好增加，以及對(duì)L2+、L3、L4和L5自動(dòng)駕駛的日益關(guān)注，3D LiDAR的部署將會(huì)越來(lái)越多。

自動(dòng)駕駛中的激光雷達(dá)應(yīng)用之爭(zhēng)

從技術(shù)角度看，人們通常認(rèn)為L(zhǎng)iDAR技術(shù)是智能和自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的基石，為安全導(dǎo)航提供了所需的精度和可靠性。然而，激光雷達(dá)真正進(jìn)入乘用車市場(chǎng)卻花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間。

首先是安全因素。安全是汽車行業(yè)的首要任務(wù)。盡管一些汽車制造商一直在積極推進(jìn)自動(dòng)駕駛功能，但他們需要在道路上部署新的ADAS技術(shù)之前實(shí)施嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。隨著汽車行業(yè)向L4和L5方向邁進(jìn)，激光雷達(dá)提供精確距離測(cè)量和創(chuàng)建詳細(xì)環(huán)境模型的能力變得不可或缺，它克服了其他傳感器技術(shù)的局限性，確保車輛擁有更高的安全性和效率。通過(guò)集成激光雷達(dá)，智能汽車能夠更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境，為未來(lái)道路事故最小化、自動(dòng)駕駛成為常態(tài)化鋪平道路。

其次是價(jià)格因素。車輛激光雷達(dá)傳感器市場(chǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是它的高成本，這在很大程度上阻礙了它們?cè)谲囕v中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)于自動(dòng)駕駛汽車的傳感系統(tǒng)，業(yè)界目前有兩種流派：一是使用激光雷達(dá)、雷達(dá)、超聲波和攝像頭或這些傳感器的融合。二是僅使用攝像頭，不使用其他任何傳感器。

雖然激光雷達(dá)市場(chǎng)正在經(jīng)歷顯著增長(zhǎng)，但關(guān)于自動(dòng)駕駛汽車是否需要激光雷達(dá)的爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。支持者認(rèn)為，激光雷達(dá)對(duì)安全至關(guān)重要。它在低光照條件或惡劣天氣下檢測(cè)物體的能力，再加上其360°視野，提供了一定程度的冗余，提高了自主系統(tǒng)的可靠性。

一些專家認(rèn)為，激光雷達(dá)、攝像頭和雷達(dá)這三者的結(jié)合將提供最安全、最可靠的自動(dòng)駕駛體驗(yàn)。不過(guò)，高昂的初始成本、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、監(jiān)管限制和集成問(wèn)題將對(duì)行業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生較大阻力，尤其是相機(jī)和雷達(dá)技術(shù)的不斷改進(jìn)最終可能會(huì)減少對(duì)激光雷達(dá)的需求。

然而，這些挑戰(zhàn)并非不可克服。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，人工智能、小型化和成本降低方面的創(chuàng)新將有助于克服這些障礙。綜合來(lái)看，盡管激光雷達(dá)目前在自動(dòng)駕駛汽車中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但未來(lái)汽車有可能僅依賴于特定的傳感器組合來(lái)導(dǎo)航，最終的方案走向?qū)⑷Q于成本、安全性和技術(shù)進(jìn)步之間的平衡。

本文小結(jié)

很明顯，LiDAR技術(shù)正在逐漸成為汽車行業(yè)的變革力量。激光雷達(dá)能夠創(chuàng)建詳細(xì)的環(huán)境3D地圖，這使其有別于雷達(dá)和相機(jī)等其他傳感器，尤其是在具有挑戰(zhàn)性的天氣條件下。

隨著自動(dòng)駕駛汽車的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)目前仍是確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全性和效率的關(guān)鍵技術(shù)。在不斷創(chuàng)新和對(duì)提高安全性和效率的承諾下，汽車LiDAR傳感器市場(chǎng)將推動(dòng)汽車行業(yè)走向互聯(lián)、自主和可持續(xù)移動(dòng)的新時(shí)代。