特斯拉摒棄的這顆傳感器，在L3以上智能駕駛有何進(jìn)展？

自特斯拉正式入駐中國以來，自動駕駛成了大熱的議題。那么什么是真正的自動駕駛呢？

國際自動機(jī)工程師學(xué)會（SAE）給自動駕駛的級別給到了定義。SAE J3016標(biāo)準(zhǔn)將自動駕駛分為L0到L5六個等級。以下是這6個等級的定義。

SAE自動駕駛分級 / SAE

特斯拉仍處于L2.5級別，但特斯拉打算直接跨入L4。目前的大部分自動駕駛汽車的研發(fā)進(jìn)展仍處于L3到L4階段，這其中少不了智能駕駛傳感器的協(xié)助。

自動駕駛中的傳感器一般由視覺系統(tǒng)，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)和輔助傳感器組成。其中視覺系統(tǒng)采用多攝像頭組合，覆蓋多種光照和氣候條件，并獲取基本的RGB信息，檢測識別明顯的信號燈，警示牌等物體。而激光雷達(dá)則負(fù)責(zé)距離檢測，并高精度識別目標(biāo)的三維信息。毫米波雷達(dá)則用于獲取復(fù)雜環(huán)境下的物體狀態(tài)。輔助傳感器有GPS，RTK和麥克風(fēng)等，對位置和距離進(jìn)行一個大概的輔助測量。

而這些智能駕駛傳感器中，關(guān)鍵的當(dāng)屬激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)市場趨勢

攝像頭價格基本在200美元以下，而毫米波雷達(dá)則低于150美元，但激光雷達(dá)的價格則高至8000-30000美元。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Grand View Research的報道統(tǒng)計，預(yù)計全球激光雷達(dá)市場規(guī)模可至29億美元，復(fù)合增長率達(dá)17.9%。而中國車載激光雷達(dá)的市場規(guī)模預(yù)計在2021年超過6億元。

雖然特斯拉并不打算在自己的智能駕駛系統(tǒng)上加裝激光雷達(dá)，但這并沒有影響其它車廠這樣做的決心。國外做激光雷達(dá)的企業(yè)起步早，其中領(lǐng)頭并量產(chǎn)的就是Velodyne和Ibeo。福特投資了Velodyne和Argo AI，旨在打造自己的一套智能駕駛系統(tǒng)。Ibeo則與Valeo合作，在奧迪A8上實現(xiàn)了第一款量產(chǎn)L3汽車。國內(nèi)的企業(yè)也在迎頭趕上，其中禾賽科技，北科天繪和速騰聚創(chuàng)等都在研發(fā)固態(tài)激光雷達(dá)。谷歌出身的Waymo也在去年推出了性能優(yōu)秀的自研雷達(dá)。

國內(nèi)外車載激光雷達(dá)廠商

激光雷達(dá)分類

激光雷達(dá)按照有無機(jī)械件可以分為三種，一是機(jī)械激光雷達(dá)，二是固態(tài)激光雷達(dá)，三是混合固態(tài)激光雷達(dá)。如今市面上很多圓柱狀的激光雷達(dá)都是機(jī)械激光雷達(dá)，為了達(dá)到360°的水平視場角，需要有控制激光發(fā)射方向的機(jī)械部件。而固態(tài)激光雷達(dá)采用相控陣列，F(xiàn)lash和MEMS等技術(shù)，雖然只有電子部件，但大多只能實現(xiàn)120°的水平視場角。

現(xiàn)在很多廠商都采用了混合固態(tài)的方案，混合固態(tài)激光雷達(dá)用MEMS掃描鏡的微動鏡面來調(diào)整激光方向，將機(jī)械結(jié)構(gòu)集成到內(nèi)部，從而實現(xiàn)更大的水平視場角。

接下來我們就從激光雷達(dá)來分析一下L3和L4這兩個等級的自動駕駛方案。

不完整的L3

奧迪A8L / Audi

第四代奧迪A8是第一款達(dá)到L3級別的量產(chǎn)車。而L3智能駕駛中有兩個典型功能，一是交通擁堵協(xié)同駕駛（TJP），用于高速公路上的擁堵情況，時速在0到60km/h時自動跟車。二是高速協(xié)同駕駛（HWC），用于高速公路上全速駕駛，在時速60km/h以上也能自動駕駛。但實際上奧迪A8的的L3級別功能并不完整，HWC功能并不能實際落地，個中緣由還是法律法規(guī)的缺失。

Scala激光雷達(dá) / Valeo

但無論如何這是這款車仍是邁向L3自動駕駛的一大步，它所采用的正是法雷奧（Valeo）的Scala一代機(jī)械激光雷達(dá)。該雷達(dá)采用了旋轉(zhuǎn)鏡的技術(shù)，將水平視場角做到了145°，垂直視場角做到了3.2°，并選用了905nm的激光波長。而正在研發(fā)中第二代Scala激光雷達(dá)，能將垂直視場角提升至10°，并將分辨率改進(jìn)至0.6°。

不完善的L4

因為許多法律和技術(shù)上的原因，不少廠商考慮跳過L3，直接往L4的方向研發(fā)。在廣汽研究院智能技術(shù)部部長郭繼舜的一次演講中，他提到L4的自動駕駛依然面臨著以下四大挑戰(zhàn)。

廣汽研究院

盡管如此，不同廠商仍在實現(xiàn)L4自動駕駛的路上研發(fā)自己的激光雷達(dá)產(chǎn)品。我們可以來對比其中幾個方案。

Waymo

第五代Waymo駕駛系統(tǒng)/Waymo

Waymo是Alphabet（谷歌母公司）旗下的自動駕駛汽車項目公司，也是目前領(lǐng)跑的激光雷達(dá)制造商之一。如圖是Waymo的第五代自動駕駛系統(tǒng)，車頂有360°FOV的激光雷達(dá)，視覺系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)，而車前和車后都是近距離激光雷達(dá)+近距離視覺系統(tǒng)+毫米波雷達(dá)的組合。而Waymo在去年推出了對外的自研激光雷達(dá)Honeycomb。

Honeycomb激光雷達(dá) / Waymo

該激光雷達(dá)提供水平360°高分辨率顯示，車輛上還可以加入攝像頭進(jìn)行補(bǔ)盲，并引入HDR和熱穩(wěn)定性以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境，配以毫米波雷達(dá)后視野更遠(yuǎn)，并提供大范圍的高分辨率顯示。雖然這款自研的激光雷達(dá)是一款短程激光雷達(dá)，但Waymo聲稱他們下一代的激光雷達(dá)探測距離將達(dá)到300m。

Honeycomb激光雷達(dá)擁有優(yōu)秀的視野范圍：最高95°的垂直視場角和360°的水平視場角，遠(yuǎn)超市面上大部分機(jī)械激光雷達(dá)。當(dāng)Honeycomb發(fā)出光脈沖時，它不僅識別激光束觸及的首個物體，甚至可以識別至多4個激光范圍內(nèi)的物體（比如同時識別樹葉和樹枝），所以環(huán)境識別細(xì)節(jié)程度很高。同時它的最小測量距離為零，所以更容易檢測并躲避近距離的物體，可編程特性則讓其能適應(yīng)各種應(yīng)用場景。

Velodyne

Alpha Prime激光雷達(dá) / Velodyne

上圖是Velodyne 的激光雷達(dá)Alpha Prime。它的水平視場角同樣能夠達(dá)到360°，而垂直視場角可以達(dá)到40°（-25°~+15°），對于10%反射率的目標(biāo)探測范圍在220米以上。該雷達(dá)采用了903nm波長的激光，也通過了Class1人眼安全認(rèn)證。

值得一提的是，該激光雷達(dá)對低反射物體有著極佳的遠(yuǎn)距離檢測，比如輪胎，暗色車輛，瀝青路和行人等。因此可以用于市區(qū)和高速等一系列復(fù)雜環(huán)境。

Velodyne也有著短距廣視場角的激光雷達(dá)方案，其VelaDome雷達(dá)就可以做到180°x 180°的FOV，最小偵測距離可至0.1m。

禾賽科技

PandarQT激光雷達(dá) / 禾賽科技

禾賽科技是國內(nèi)的一家激光雷達(dá)制造商，PandarQT是一款64線的短距機(jī)械激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)不僅擁有機(jī)械激光雷達(dá)水平視場角360°的優(yōu)勢，更是將垂直視場角做到了104.2°（-52.1°~+52.1°）。但該激光雷達(dá)主要用于短距的測遠(yuǎn)，20%的反射率下?lián)碛?0m的測量范圍。

因為該雷達(dá)發(fā)射的激光線束可達(dá)64線，因此垂直視場角的分辨率（兩相鄰激光的夾角）更小，獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)更多。

覽沃科技

Horizon 激光雷達(dá) / Livox

覽沃科技（Livox）是從大疆內(nèi)部孵化的激光雷達(dá)公司，專為自動駕駛和工業(yè)制造提供激光雷達(dá)方案。今年他們在CES2020上展出了自己的兩款新型固態(tài)激光雷達(dá)Horizon和Tele-15。Horzion采用了非重復(fù)橫向的激光掃描方式，與傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)相比，擁有更廣的視場覆蓋率。其水平視場角為81.7°，垂直視場角為25.1°。而Tele-15則專為500m的超遠(yuǎn)精確探測打造，在15°的FOV下可以實現(xiàn)2厘米的距離進(jìn)度和0.03°的角度精度。而且這兩款產(chǎn)品也公布了售價，分別為6499元和9000元，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)。

速騰聚創(chuàng)

RS-Ruby 激光雷達(dá) / 速騰聚創(chuàng)

速騰聚創(chuàng)的多款激光雷達(dá)產(chǎn)品都采用了混合固態(tài)激光雷達(dá)的方案，不同的是，他們將水平視場角做到了360°。比如上圖這款128線的激光雷達(dá)RS-Ruby，內(nèi)部128個激光源旋轉(zhuǎn)的同時也在發(fā)射線束，從而實現(xiàn)了360°的水平FOV，垂直FOV也做到了40°（-25°~15°）。

該公司也有著短距補(bǔ)盲的激光雷達(dá)RS-Bpearl，將垂直視場角提升至90°，最小偵測距離小于10m。這兩者組合成了全新的Robotaxi環(huán)境感知方案。

對比了以上國外和國內(nèi)的激光雷達(dá)方案，激光雷達(dá)中的關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)很明晰了。更大的垂直視場角能提供更大的測量范圍，但低分辨率能提供更準(zhǔn)確的視野信息。與此同時探測范圍，激光回波模式和強(qiáng)度也是實現(xiàn)高精度高實用性的關(guān)鍵因素。高功率的激光意味著更加遠(yuǎn)的探測范圍，激光雷達(dá)的常用波長在850到905nm范圍內(nèi)，但若是提高激光功率，很可能會對人眼造成傷害，這也是為什么激光雷達(dá)也需要通過FDA或CFDA認(rèn)證的原因。也有的激光雷達(dá)采用1550nm波長的激光，這樣可以避免對人眼造成傷害，但這種波長的激光需要特殊的激光源制作材料，而且大功率下可能會損壞相機(jī)里的傳感器。

機(jī)械激光雷達(dá)雖然可以輕易實現(xiàn)360°的水平視場角，但成本較高體積較大。而反觀固態(tài)激光雷達(dá)，雖然量產(chǎn)優(yōu)勢較大，但往往需要在車身上固定多個才能實現(xiàn)機(jī)械激光雷達(dá)的水平覆蓋范圍。所以目前許多廠商都在研究混合固態(tài)的激光雷達(dá)方案，但考慮到內(nèi)部元件過車規(guī)的難度較大，所以未來可能機(jī)械激光雷達(dá)仍會占據(jù)一段時間的主流市場。

盡管L4自動駕駛依然沒有短期落地的趨勢，許多激光雷達(dá)廠商也只是與一些汽車制造商和互聯(lián)網(wǎng)公司開展試駕活動，因為從L3到L4，激光雷達(dá)的功率，安全性，魯棒性等都是需要解決的難題。但L4并非離我們遙不可及，國家發(fā)改委也于今年發(fā)布了《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，我們國家的戰(zhàn)略路線和歐美國家有一定差異。國外追求的是先實現(xiàn)產(chǎn)品落地，而我們則是先實現(xiàn)車路協(xié)同。

有了相關(guān)法定和新基建輔助，激光雷達(dá)仍需通過一系列車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，這對自動駕駛系統(tǒng)中的其它傳感器也有著較高要求，不僅僅針對激光雷達(dá)。而與激光雷達(dá)配合的圖像識別算法也是自動駕駛中需要進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)。待得L4的自動駕駛徹底落地后，我們還有L5這座大山橫亙在面前，那時候激光雷達(dá)市場想必又是另一幅光景了。

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