一文看懂智能駕駛核心激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器。激光雷達(dá)，即光學(xué)雷達(dá)、光達(dá)（LiDAR），是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機(jī)器中的作用相當(dāng)于人類的眼睛，能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。

激光雷達(dá)通過測量激光信號的時間差、相位差確定距離，通過水平旋轉(zhuǎn)掃描或相控掃描測角度，并根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)建立二維的極坐標(biāo)系;再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息。

高頻激光可在一秒內(nèi)獲取大量（106-107數(shù)量級）的位置點(diǎn)信息（稱為點(diǎn)云），并根據(jù)這些信息進(jìn)行三維建模。除了獲得位置信息外，它還可通過激光信號的反射率初步區(qū)分不同材質(zhì)。激光雷達(dá)是產(chǎn)業(yè)鏈的核心，下游應(yīng)用于測繪和導(dǎo)航

激光雷達(dá)由發(fā)射器、接收器（感光元件和長焦鏡頭）、慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成。

實(shí)際上，產(chǎn)業(yè)鏈的上游制造元件成本不高，不是構(gòu)成成本的主要因素;且因?yàn)榧す饫走_(dá)是下游測繪、導(dǎo)航等應(yīng)用的核心部件，目前產(chǎn)能稀缺導(dǎo)致供不應(yīng)求，呈現(xiàn)賣方市場，對下游有很強(qiáng)的定價權(quán)，因此該產(chǎn)業(yè)鏈主要附加值在于激光雷達(dá)部分。

作為一種能夠獲取物體位置、形狀的信息的傳感器，激光雷達(dá)天生地適用于地形地圖測繪。常用于室內(nèi)建模、道路及設(shè)施數(shù)據(jù)采集、礦山采空區(qū)測量，或搭載于飛行器上進(jìn)行大范圍的電力巡線、林業(yè)普查、水利勘測等等，應(yīng)用廣泛。目前該領(lǐng)域硬件技術(shù)較為成熟，已有室內(nèi)、搭載于汽車、船舶、飛行器的解決方案，體積較大，精度較高，探測范圍較遠(yuǎn)。該領(lǐng)域軟件方面是大規(guī)模發(fā)展的瓶頸，尚未有成熟的處理大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)并建模的方案，目前市面上都是以非標(biāo)特制軟件為主，通用平臺式尚有待發(fā)展。

近年來，激光雷達(dá)被用于導(dǎo)航領(lǐng)域，如機(jī)器人、無人機(jī)的避障，和智能車的自動駕駛（包括輔助駕駛等不同級別）。由于應(yīng)用場景的不同，在導(dǎo)航領(lǐng)域要求激光雷達(dá)能夠快速掃描、動態(tài)處理數(shù)據(jù)并實(shí)時反饋，在精度方面相對要求較低，只需分辨清楚障礙物、行人、汽車等，垂直角分辨率一般在1°左右。

目前該領(lǐng)域高端硬件技術(shù)正在發(fā)展中，產(chǎn)品應(yīng)用于各類智能車的原型車上，低端技術(shù)如應(yīng)用于掃地機(jī)器人等低分辨慢響應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。軟件方面，由于目前各類無人車的研發(fā)公司均為互聯(lián)網(wǎng)巨頭或汽車巨頭，如谷歌、百度、大眾、寶馬等，各公司均有自研算法，壁壘較高，也有少量創(chuàng)業(yè)公司面向市場提供了包含算法邏輯的解決方案給客戶選擇，但是非?；A(chǔ)，也需要客戶進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。

近年來，受無人車和機(jī)器人需求的帶動，各激光老牌廠商（如Pioneer、北科天繪等）和創(chuàng)業(yè)公司（如Velodyne、速騰聚創(chuàng)等）均著眼于研發(fā)導(dǎo)航型激光雷達(dá)，集中針對該需求進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和突破。

且由于智能化是市場趨勢、汽車領(lǐng)域市場空間大，導(dǎo)航型激光雷達(dá)的未來市場空間將遠(yuǎn)大于測量型激光雷達(dá)，因此下文將著重與對導(dǎo)航型激光雷達(dá)進(jìn)行介紹。汽車智能化與網(wǎng)聯(lián)化是汽車主動安全的實(shí)現(xiàn)過程，主動安全的智能傳感系統(tǒng)（攝像頭和雷達(dá)）將進(jìn)入需求爆發(fā)階段。汽車主動安全設(shè)計，通過安裝在車身各部位的攝像頭和雷達(dá)傳感器感知車身周圍信息，對危險情況進(jìn)行識別，主動預(yù)警或控制，避免事故發(fā)生。

通過內(nèi)部視覺傳感器可以探知駕駛員是否瞌睡，進(jìn)而進(jìn)行瞌睡預(yù)警提醒;通過外部超聲波雷達(dá)和視覺傳感器可以輔助駕駛員完成泊車操作;而毫米波雷達(dá)及視覺傳感器可以探測車輛前方行人和車輛，對車輛的碰撞可能性進(jìn)行預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航和自動緊急制動等功能。智能汽車的發(fā)展過程是汽車駕駛從被動安全到主動安全、從信息孤島到全面互聯(lián)的過程，而未來的無人駕駛汽車也是建立在完備的智能感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。因此，主動安全的智能傳感系統(tǒng)（攝像頭和雷達(dá)）將進(jìn)入需求爆發(fā)階段。

激光雷達(dá)發(fā)展瓶頸短期內(nèi)在于成本，長期在于無人車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

目前的低級別自動駕駛，即輔助駕駛和部分自動駕駛領(lǐng)域中，主要的定位測距技術(shù)仍然是毫米波雷達(dá)和視覺傳感器。激光雷達(dá)與之相比成本過高，未能被車企接受。超聲波雷達(dá)目前單價約為150美元，激光雷達(dá)經(jīng)過近10年來雨后春筍般的發(fā)展，價格已從Velodyne獨(dú)占時期的逾10萬美元（機(jī)械式）驟降至Quanergy等創(chuàng)業(yè)公司聲稱的200-300美元（固態(tài)式）。而且這些公開售價的激光雷達(dá)均是16線以上、準(zhǔn)備運(yùn)用于高級別自動駕駛的產(chǎn)品，而根據(jù)Ibeo、北科天繪的說法，4線激光已可滿足輔助駕駛，簡版的激光雷達(dá)系統(tǒng)價格將能夠做到更低，并在短期內(nèi)在低級別自動駕駛領(lǐng)域開始對其他傳感器的替代。

奧迪新款A(yù)8已經(jīng)開始搭載Ibeo的Scala4線激光雷達(dá)，與毫米波雷達(dá)一起構(gòu)成最新的L3級別自動駕駛系統(tǒng)。此則新聞?wù)f明激光雷達(dá)成本下降已經(jīng)逐漸到位，并開始商業(yè)應(yīng)用。相信隨著未來工藝的進(jìn)一步成熟、量產(chǎn)帶來的規(guī)模效應(yīng)能夠使成本進(jìn)一步降低，將從高端至低端逐步滲透低級別自動駕駛領(lǐng)域。在高級別自動駕駛，即高度自動及完全自動駕駛領(lǐng)域中，激光雷達(dá)是目前各大無人車企（百度、谷歌、福特等）的唯一傳感器解決方案，在其競爭技術(shù)視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（主要由特斯拉開發(fā)）突破之前將持續(xù)獨(dú)占該地位。

2017年6月京東已將無人車投放至高校中進(jìn)行派件，表明目前的無人車已有能力在特定環(huán)境（低速、交規(guī)較簡單）實(shí)際運(yùn)作，將在一定程度上替代人力執(zhí)行任務(wù)。由于對安全的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，無人車產(chǎn)業(yè)目前仍在技術(shù)測試期。

2017年6月，百度公司的無人車已經(jīng)開上五環(huán)（交規(guī)未批準(zhǔn)），說明目前的技術(shù)水平已有能力處理非常復(fù)雜的交通狀況。

技術(shù)并不是無人車產(chǎn)業(yè)的唯一瓶頸，除此以外，未來無人車的發(fā)展還將取決于多個方面，缺一不可：取得更多的路測數(shù)據(jù)、政策交規(guī)的放開、安全性能的測試、關(guān)鍵部件的成本降低等等。一旦各方面時機(jī)成熟、智能汽車才能得到普遍運(yùn)用，激光雷達(dá)作為必備解決方案將迎來巨額爆發(fā)。谷歌無人車預(yù)計在2020年將實(shí)現(xiàn)商用，并在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

固態(tài)激光雷達(dá)是解決高昂成本和極端環(huán)境適應(yīng)的方案

作為汽車部件，低成本、小體積且能嵌入車身是必須的，因此未來固態(tài)激光雷達(dá)是應(yīng)用趨勢，既可降成本又符合車載需求。激光雷達(dá)作為更優(yōu)的技術(shù)，目前未能得到廣泛應(yīng)用的主要障礙是其低下的產(chǎn)能以及隨之帶來的高昂的價格。激光雷達(dá)在誕生之初采用的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式，即通過旋轉(zhuǎn)激光束來進(jìn)行水平360°的掃描，是我們在圖片中看見頂在各類無人車頭頂?shù)牟考?/p>

這種激光雷達(dá)由于有旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，光學(xué)元件的精度極高，對出廠調(diào)試有很高要求，低效率地調(diào)試裝配是主要的產(chǎn)能釋放和成本降低的瓶頸。根據(jù)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的龍頭公司Velodyne的介紹，該公司16年生產(chǎn)的激光雷達(dá)僅2萬個，交貨周期長達(dá)數(shù)月至半年。

年產(chǎn)2萬臺激光雷達(dá)要使用占地五千平米以上的廠房以及數(shù)十名熟練工人（培訓(xùn)一個月以上）的人力，折算下來每人每天僅能生產(chǎn)1臺，結(jié)合美國硅谷的高地價、高工資，如此低的裝配效率自然帶來了極度高昂的人力成本。

此外，這種高精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)本身就不利于運(yùn)用于汽車上，其在極端環(huán)境下的可靠性存疑。一臺汽車在行駛時可能會遇到各式極端情況，因此對其電子元件、機(jī)械元件的可靠性有更高要求：能耐受極端溫度、能在震動下保證高精度、能適應(yīng)不同濕度的天氣環(huán)境等。

因此，即使企業(yè)采用更高效率的裝配方式（如機(jī)器人等）來解決產(chǎn)能瓶頸，機(jī)械結(jié)構(gòu)本身也將成為旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)大面積應(yīng)用的阻礙。固態(tài)激光雷達(dá)，與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式相對應(yīng)，取消了外部的機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過采用相控陣或微機(jī)電（MEMS）和微鏡片的方式來控制激光雷達(dá)的水平掃描。

其水平掃描范圍較窄，只能通過多個雷達(dá)來完成360°水平掃描的任務(wù)。但是由于取消了外部機(jī)械結(jié)構(gòu)，其重量和大小顯著降低，可以內(nèi)嵌于車輛中，外型更加美觀。取消了外部機(jī)械結(jié)構(gòu)后激光雷達(dá)成本顯著降低，根據(jù)Quanergy公司在2016年的介紹，該公司的S3固態(tài)激光雷達(dá)單臺成本僅約200美元左右，對比機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)動輒數(shù)千美元的售價已是質(zhì)的突破，該款激光雷達(dá)將在今年9月下線。同時根據(jù)雷鋒網(wǎng)的調(diào)研，Quanergy公司宣稱明年該公司的固態(tài)激光雷達(dá)的強(qiáng)度水平就可達(dá)到車規(guī)級，即滿足各種高強(qiáng)度環(huán)境下的應(yīng)用。

綜上所述，固態(tài)激光雷達(dá)取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠擊中目前機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的成本和可靠性的痛點(diǎn)，是激光雷達(dá)的發(fā)展方向。除了這兩大迫切解決的痛點(diǎn)外，目前量產(chǎn)的激光雷達(dá)探測距離不足，僅能滿足低速場景（如廠區(qū)內(nèi)、校園內(nèi)等）的應(yīng)用。日常駕駛、高速駕駛的場景仍在測試過程中，相信未來的激光雷達(dá)的各類測距精度參數(shù)都將會隨成本降低和算法優(yōu)化有較大的提升。

激光雷達(dá)是全球化的市場，中短期供不應(yīng)求

目前激光雷達(dá)受技術(shù)限制產(chǎn)量嚴(yán)重不足，世界各地的智能駕駛企業(yè)都對激光雷達(dá)有強(qiáng)烈需求，一旦激光雷達(dá)企業(yè)有新產(chǎn)品發(fā)布即會馬上收到來自全球各地的訂單。因此說激光雷達(dá)市場是全球化的市場，一旦企業(yè)產(chǎn)品突破即可放眼世界，獨(dú)享自動駕駛主傳感器的蛋糕。

2016年僅有Velodyne公司能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛用激光雷達(dá)的量產(chǎn)，公司中國區(qū)負(fù)責(zé)人翁煒在去年預(yù)計2016產(chǎn)量將猛增三倍，約為一萬臺，且產(chǎn)生量變的主要原因是用于自動駕駛的16線激光雷達(dá)的推出，此前銷量主要是用于測繪、科研。我們據(jù)此估計2016年用于自動駕駛的激光雷達(dá)銷量為5600萬美元。據(jù)HIS的預(yù)測，到2020年能夠進(jìn)行自適應(yīng)巡航（ACC）的ADAS系統(tǒng)滲透率為9%，按2020年汽車年銷量1億臺計算，該系統(tǒng)共生產(chǎn)900萬套。

該系統(tǒng)目前的主要實(shí)現(xiàn)方案是毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)將部分取代、與之結(jié)合構(gòu)成更安全、更可靠的系統(tǒng)。若按每臺低配（4線或更低）激光雷達(dá)價格150美元、每套系統(tǒng)使用一個激光雷達(dá)計算，市場缺口達(dá)13.5億美元。因此可以替代的空間巨大，在中短期內(nèi)產(chǎn)量將決定市場空間。長期來看，根據(jù)麥肯錫公司的預(yù)測，到2030年汽車年生產(chǎn)量將達(dá)到1.15億臺，其中將有15%的汽車實(shí)現(xiàn)高級自動駕駛，并有45%實(shí)現(xiàn)低級自動駕駛。

根據(jù)北科天繪CEO張智武預(yù)測，車企希望大批量生產(chǎn)時整套系統(tǒng)做到5000元/車（約750美元），在不計通貨膨脹的情況下，在2030年自動駕駛用的激光雷達(dá)市場將達(dá)到180億美元以上，年復(fù)合增速51%。

激光雷達(dá)進(jìn)入壁壘高，率先低價量產(chǎn)企業(yè)將占據(jù)車企合作入口

目前激光雷達(dá)的硬件提供商主要是初創(chuàng)企業(yè)，也有部分較為成熟的激光企業(yè)從相近技術(shù)切入布局。

由于激光雷達(dá)是精密的光學(xué)儀器，且需要結(jié)合大量軟件算法、電路設(shè)計及其他自動化領(lǐng)域的高精尖技術(shù)，因此技術(shù)壁壘較高，難以模仿。在資金方面，激光雷達(dá)目前量產(chǎn)成本高、產(chǎn)品未能廣泛商業(yè)化，需要大量前期投資，各創(chuàng)業(yè)公司都已獲千萬以上級別的投資，資金壁壘也將成為進(jìn)入市場的限制。各初創(chuàng)企業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)均實(shí)力強(qiáng)勁，有多年激光雷達(dá)、位置傳感的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。從周期上看，創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在天使輪/種子輪獲得啟動資金，并研發(fā)出原型機(jī)，原型機(jī)獲得合作伙伴認(rèn)可后再獲得A輪/B輪融資開始量產(chǎn)，投資方一般為車輛零部件Tier1供應(yīng)商或VC、PE。

成熟的激光企業(yè)優(yōu)勢在于在較早之前就開始激光技術(shù)的積累，團(tuán)隊(duì)內(nèi)光學(xué)方面人才積累較充足，技術(shù)團(tuán)隊(duì)較大。該類企業(yè)已有能夠產(chǎn)生充足現(xiàn)金流的產(chǎn)品，Velodyne稱融資主要是為了進(jìn)行深度合作，應(yīng)下游需求進(jìn)行定制開發(fā)，因此投資方是無人車的開發(fā)企業(yè)（百度、福特）。Velodyne、Ibeo和Quanergy走在前沿，國內(nèi)企業(yè)旋轉(zhuǎn)式技術(shù)已經(jīng)成熟

目前著眼于高級自動駕駛機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的領(lǐng)軍企業(yè)是Velodyne，固態(tài)式激光雷達(dá)的領(lǐng)軍企業(yè)是Quanergy;在低級自動駕駛已量產(chǎn)商用的企業(yè)是Valeo/Ibeo。國產(chǎn)企業(yè)目前主要專注于生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、北科天繪均可接單量產(chǎn)，并且在精度和價格上與國外同檔次產(chǎn)品相比擁有優(yōu)勢

到2020年ADAS市場所需的激光雷達(dá)數(shù)量就達(dá)900萬個，因此企業(yè)只要技術(shù)突破能夠量產(chǎn)價格到位的產(chǎn)品就將得到應(yīng)用。除目前的Ibeo/Valeo4線激光雷達(dá)可應(yīng)用于L3系統(tǒng)以外，未來Quanergy為首的固態(tài)激光雷達(dá)企業(yè)也將預(yù)計在2022年開始大規(guī)模低價量產(chǎn)。由于車規(guī)級部件在實(shí)際應(yīng)用前需要進(jìn)行大規(guī)模測試，廠商一般不會輕易更換裝備提供商。因此在產(chǎn)能能夠滿足需求缺口之前將是技術(shù)突破的關(guān)鍵期，在那之前能夠低價量產(chǎn)搶占市場的將打開與車企合作的入口，并在未來獲得渠道優(yōu)勢，與廠家合作開發(fā)應(yīng)用于高級別自動駕駛的激光雷達(dá)。