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

自動(dòng)駕駛為基于光子學(xué)的傳感器帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛汽車需要激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭、雷達(dá)和超聲波等許多類型的傳感器，預(yù)計(jì)每年數(shù)百萬的自動(dòng)駕駛汽車將為這些傳感器帶來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。

自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器必須解決溫度、照明、反射、導(dǎo)航甚至網(wǎng)絡(luò)安全等多種性能挑戰(zhàn)。

攝像頭和激光雷達(dá)必須高可靠地生成安全導(dǎo)航所需要的數(shù)據(jù)，在各種溫度、照明水平和目標(biāo)反射率下運(yùn)行多年。并且，還需要在低成本下提供這種性能，好比以消費(fèi)類產(chǎn)品的價(jià)格，提供航天產(chǎn)品的質(zhì)量。

上圖激光雷達(dá)圖像中的顏色編碼反映強(qiáng)度，很容易看到車輛的黑色輪胎。這種性能對(duì)于自動(dòng)駕駛很重要，因?yàn)榈缆飞蠒r(shí)常會(huì)出現(xiàn)車輛需要避讓的散落輪胎

因此，激光雷達(dá)和攝像頭供應(yīng)商正在不斷創(chuàng)新。如果自動(dòng)駕駛汽車能夠在近年內(nèi)成功在大眾市場(chǎng)閃亮登場(chǎng)，激光雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步功不可沒。

Yole技術(shù)和市場(chǎng)分析師Alexis Debray指出，對(duì)多種傳感器的需求，源于這些不同技術(shù)的不同基本功能?！皵z像頭具有良好的空間分辨率，但缺乏深度信息，”他說，“雷達(dá)具有良好的深度感知，但受限于橫向空間分辨率。而激光雷達(dá)能夠以中等分辨率實(shí)現(xiàn)兩者兼具?！?/p>

Debray稱，攝像頭相比雷達(dá)可以提供100倍的空間分辨率。而落在兩者之間的激光雷達(dá)，其分辨率約為雷達(dá)的20倍，攝像頭的五分之一，填補(bǔ)了覆蓋范圍的空白。

自動(dòng)駕駛使用多種類型的傳感器，還有另一個(gè)原因?！澳蔷褪前踩?，需要從多個(gè)傳感器獲取自動(dòng)駕駛需要的冗余信息，”Debray說。

因此，激光雷達(dá)和雷達(dá)都用于提供有關(guān)物體距離的信息，以及物體之間距離變化的速度信息。攝像頭可以捕捉物體的顏色和其他特征。這些傳感數(shù)據(jù)可用于將物體分類，例如被風(fēng)吹起的塑料袋，或者需要避讓的行人或其他車輛，這些對(duì)于自動(dòng)駕駛來說至關(guān)重要。攝像頭還可以捕捉街道交通標(biāo)志、探測(cè)車道標(biāo)記。

激光雷達(dá)已經(jīng)首次裝配在量產(chǎn)汽車中進(jìn)入大眾市場(chǎng)，盡管目前有些系統(tǒng)的覆蓋范圍和探測(cè)距離仍有限。然而，自動(dòng)駕駛應(yīng)用的激光雷達(dá)系統(tǒng)需要足夠高的分辨率和足夠遠(yuǎn)的探測(cè)距離，以精確感知車輛的周圍環(huán)境。美國加州的激光雷達(dá)領(lǐng)導(dǎo)廠商Velodyne LiDAR首席技術(shù)官Anand Gopalan表示，這些要求對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。Velodyne公司參與了全球許多自動(dòng)駕駛汽車項(xiàng)目。

峰值功率

假設(shè)一輛自動(dòng)駕駛汽車正以120公里／小時(shí)的速度在高速上行駛，在前方幾百米處出現(xiàn)了黑色的破損輪胎。據(jù)Gopalan介紹，輪胎的反射率約為10％，在這種情況下，激光雷達(dá)投射在輪胎上的數(shù)十億光子，只有數(shù)百個(gè)能反射回來。

“我們需要在激光器上獲得高峰值功率，”Gopalan說，“因?yàn)樗梢栽诿看螠y(cè)量距離的脈沖中發(fā)射盡可能多的光子。而探測(cè)器需要高靈敏度和低噪音。”

在激光雷達(dá)圖像中顏色編碼反映強(qiáng)度，車道標(biāo)志會(huì)“浮現(xiàn)”出來

這些返回的信息需要組合成距離數(shù)據(jù)的點(diǎn)云，然后對(duì)其進(jìn)行解讀。系統(tǒng)可能只有一秒的時(shí)間來執(zhí)行這些操作并采取某種行動(dòng)，因?yàn)樵诟咚偕闲旭偟钠嚨膭x停距離可能需要近百米或更長。

Gopalan說，業(yè)內(nèi)廠商已經(jīng)開始為第一波自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)行規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2022年將推出幾十萬輛自動(dòng)駕駛汽車。他補(bǔ)充說，自動(dòng)駕駛所需要的傳感器在性能、可擴(kuò)展性和成本方面，到時(shí)已經(jīng)能夠滿足行業(yè)的初期要求。他預(yù)測(cè)，隨著銷量的增加，這些傳感器的成本將進(jìn)一步下降。

將傳感器捕捉的數(shù)據(jù)通過汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回中央處理單元需要能耗，而分析這些數(shù)據(jù)需要更多的能耗和計(jì)算資源。因此，降低成本的一種途徑是使傳感器變得更智能，提高邊緣計(jì)算處理能力。

先進(jìn)的CMOS圖像傳感器可以提供適用于新一代駕駛輔助和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的分辨率，這些圖像傳感器有助于對(duì)象的分類，從而實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航。

滿足自動(dòng)駕駛車輛需求的另一種方法是推出新技術(shù)。美國加州的激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司Quanergy Systems便提供了一個(gè)案例。Quanergy Systems首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada稱，該公司的核心專長在于光學(xué)相控陣技術(shù)。

通過數(shù)千個(gè)光學(xué)天線元件之間的干涉，該公司的芯片可以在不使用任何運(yùn)動(dòng)部件的情況下形成并偏轉(zhuǎn)光束。據(jù)Eldada稱，Quanergy的激光雷達(dá)產(chǎn)品比同等性能的機(jī)械式激光雷達(dá)更小、更可靠。并且，這種系統(tǒng)功耗更低，可以用高幀率的低強(qiáng)度激光覆蓋周圍環(huán)境。

“這是一種紅外激光束。我們的工作波長為905 nm，因?yàn)槲覀兿Ｍl(fā)射器和接收器等所有芯片都采用硅材料和工藝，”Eldada說。

多激光雷達(dá)組合應(yīng)用

Eldada指出，每輛車上可能需要多個(gè)激光雷達(dá)。自動(dòng)駕駛汽車必須能夠精確地“看到”周圍的一切，汽車制造商希望刷新率能夠達(dá)到50 fps，而單個(gè)激光雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn)。如果激光雷達(dá)傳感器的安裝位置不影響車身設(shè)計(jì)，則意味著車輛本身將會(huì)阻擋傳感器的部分視線?！耙虼?，每輛自動(dòng)駕駛汽車將需要3～5個(gè)激光雷達(dá)，”Eldada說，“其中，4個(gè)是最優(yōu)的組合。因而每個(gè)激光雷達(dá)的價(jià)格需要降到數(shù)百美元區(qū)間?！?/p>

加拿大激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司LeddarTech則帶來了另一種達(dá)到成本和性能目標(biāo)的方案。LeddarTech總裁兼首席執(zhí)行官Frantz Saintellemy表示，該公司開發(fā)了自己的核心傳感技術(shù)，并為客戶提供如何為汽車應(yīng)用構(gòu)建激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整解決方案。

LeddarTech基于信號(hào)采集和處理技術(shù)，可以使返回脈沖捕捉更多信息。據(jù)Saintellemy介紹，這可以用更低的成本獲得可接受的產(chǎn)品性能。例如，該公司的參考設(shè)計(jì)能夠使用905nm激光器和探測(cè)器達(dá)到數(shù)百米的探測(cè)距離，該波長的激光器和探測(cè)器比1550nm器件性能低，但成本低得多。

“今天我們選擇專注于905nm波長，因?yàn)檫@是目前更實(shí)際可行的技術(shù)方案，”Saintellemy說，“隨著1550nm技術(shù)變得更加標(biāo)準(zhǔn)化，我們可以通過選擇1550nm技術(shù)方案來顯著提高我們的產(chǎn)品性能。但是，現(xiàn)在我們并不需要利用它來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所需要的性能。”