集成式激光雷達(dá)能否將機(jī)器人之眼帶入2.0時(shí)代

激光雷達(dá)當(dāng)前被廣泛用于無人駕駛汽車和機(jī)器人領(lǐng)域，和視覺一起被譽(yù)為廣義機(jī)器人的“眼睛”。作為移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)駕駛車輛的關(guān)鍵傳感器，激光雷達(dá)賽道近年來熱鬧非凡，過去一年，激光雷達(dá)迎來資本市場和商業(yè)化應(yīng)用的雙重利好。

2020年下半年，國內(nèi)就有超過200家激光雷達(dá)廠商，除一眾創(chuàng)業(yè)公司外，大疆、華為、科沃斯等各領(lǐng)域巨頭也已相繼入局，國內(nèi)的激光雷達(dá)廠商禾賽科技已經(jīng)提交了科創(chuàng)板招股書，其估值達(dá)到133億元人民幣。而在國外，Velodyne和Luminar則先后登陸美股，后者市值已經(jīng)高達(dá)百億美元；Aeva、Innoviz和Ouster三家也正在SPAC上市的進(jìn)程中。

激光雷達(dá)的市場也確實(shí)有非常大的利潤空間。于 2020 年 9 月完成 NASDAQ 上市的Velodyne 作為激光雷達(dá)行業(yè)龍頭，預(yù)計(jì) 2020 財(cái)年?duì)I收0.94 億美元，市值 40 億美元左右；在營收規(guī)模方面，禾賽科技 2019 年?duì)I收增長率為 162.3%，達(dá)到3.48 億元，2020 前三季度達(dá)到 2.53 億元。在毛利率方面，禾賽科技的毛利率2017-2019也均高于 70%。

廣闊的市場空間

下游市場的膨脹是促進(jìn)激光雷達(dá)這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域被資本密切關(guān)注并蓬勃發(fā)展的基本原因。

根據(jù)應(yīng)用分類，激光雷達(dá)將分別應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車、工業(yè)、無人機(jī)、機(jī)器人和 3D 繪圖等終端市場之中。其中，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的市場規(guī)模占比最大，預(yù)計(jì)2022 年將達(dá)到72 億美元，占比約為 60.5%，而激光雷達(dá)是高級別無人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

服務(wù)型機(jī)器人也是激光雷達(dá)使用的主要領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用范圍包括無人配送、無人清掃、無人倉儲(chǔ)、無人巡檢等。機(jī)器人需求爆發(fā)，是2020年激光雷達(dá)應(yīng)用場景的一大亮點(diǎn)。

目前機(jī)器人裝載激光雷達(dá)的應(yīng)用主要出于2方面考慮：

1)需要避障功能。例如AGV多采用磁軌導(dǎo)航技術(shù)，無法自主避障，而激光雷達(dá)可解決該短板。

2)導(dǎo)航視覺方案需優(yōu)化。激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，不用額外安裝反光板，定位精度、路徑柔性高。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，激光雷達(dá)在工業(yè)領(lǐng)域持續(xù)放量，2020年AGV市場規(guī)模將較上年增長20%。

同時(shí)，激光雷達(dá)在C端應(yīng)用場景需求一路走高。其中，掃地機(jī)器人銷量暴增，據(jù)京東(JD.US)數(shù)據(jù)，1-9月掃地機(jī)器人銷量同比增長91%。科沃斯、小米(01810)、美的、云鯨等激光導(dǎo)航式掃地機(jī)，主流都采用EAI激光雷達(dá)方案

2020年，隨著機(jī)器人應(yīng)用持續(xù)起量，激光雷達(dá)逐漸從自動(dòng)駕駛的“神壇“，走向更大眾化應(yīng)用場景，需求快速攀升，同時(shí)，部分車型自動(dòng)駕駛方案落地，也為該賽道帶來進(jìn)一步利好。

難點(diǎn)與困境

但市場飛速發(fā)展下，有三點(diǎn)原因卻依然是主機(jī)廠、自動(dòng)駕駛公司、機(jī)器人、投資人公認(rèn)的共同煩惱。這幾個(gè)原因也導(dǎo)致行業(yè)無法快速進(jìn)步，使得工程師們無法充分探索下游市場的應(yīng)用技術(shù)和場景開拓。

1、價(jià)格，激光雷達(dá)動(dòng)輒數(shù)萬數(shù)十萬的價(jià)格。

2、車規(guī)級和壽命問題。激光雷達(dá)產(chǎn)品達(dá)到車規(guī)級，需通過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，進(jìn)行車規(guī)振動(dòng)、沖擊、溫度循環(huán)等試驗(yàn)。

3、性價(jià)比，滿足車規(guī)級的同時(shí)要滿足上百線數(shù)、數(shù)百萬點(diǎn)頻、百元美金級。

其中，成本是激光雷達(dá)最大痛點(diǎn)，因?yàn)槌杀局苯佑绊懥肆慨a(chǎn)。早在2007年，Velodyne就推出64線機(jī)械式激光雷達(dá)，但售價(jià)高達(dá)8萬美元，主要因?yàn)闄C(jī)械式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密光學(xué)元件多，成本高昂，2019年，Velodyne宣布退出中國市場。

而車規(guī)級的認(rèn)證限制也非常明顯，激光雷達(dá)由于其應(yīng)用范圍的廣泛與技術(shù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用中有著多種分類方式，按照功能用途、工作體制、載荷平臺(tái)、工作介質(zhì)、探測技術(shù)等分類方式均可得到不同的結(jié)果。雖然全球激光雷達(dá)多種多樣，但過車規(guī)級的只有轉(zhuǎn)鏡式SCALA一種。

從技術(shù)上來看，OPA技術(shù)難度大，成本高昂，多用于航空、軍工領(lǐng)域，商業(yè)化難度較大；成像式激光雷達(dá)的關(guān)鍵是面陣發(fā)射或探測芯片，其中被最多提及的flash方案探測距離受限、視場角和點(diǎn)頻不足?；旌瞎虘B(tài)激光雷達(dá)多數(shù)以犧牲分立模組旋轉(zhuǎn)式的水平視場角，點(diǎn)頻等性能參數(shù)，來換取成本降低和體積與重量等參數(shù)的優(yōu)化。

要解決這些問題，滿足大規(guī)模前裝量產(chǎn)的要求，激光雷達(dá)新老玩家“同場競技”，技術(shù)、量產(chǎn)是未來行業(yè)公認(rèn)的2大競爭力。材料、工藝、光源集成這3大要素，依然是目前全球硅光技術(shù)普遍面臨的難點(diǎn)。

但要快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用推動(dòng)，最快速的解決辦法則是做到集成化。

集成為激光雷達(dá)帶來什么？

為什么說集成化將會(huì)帶來這么大的優(yōu)勢呢？回顧很多產(chǎn)品的發(fā)展歷史來看，集成是改變產(chǎn)品發(fā)展路徑的可行方法。

當(dāng)前時(shí)代，芯片已經(jīng)無處不在，利用半導(dǎo)體技術(shù)將分立芯片進(jìn)行高度集成，不但使得很多早已存在的產(chǎn)品有了全新的形態(tài)，也直接催化誕生了很多顛覆性的新產(chǎn)品?？v觀計(jì)算機(jī)、照相機(jī)、收音機(jī)等科技產(chǎn)品，集成化都是從初代產(chǎn)品邁向次世代產(chǎn)品的關(guān)鍵進(jìn)化。

集成化使得企業(yè)更注重對材料體系、集成工藝、流片工藝、封裝工藝等全流程的把控能力，快速打通產(chǎn)業(yè)鏈、技術(shù)水準(zhǔn)壁壘、技術(shù)創(chuàng)新壁壘。激光雷達(dá)也必將邁向集成化。

然而在激光雷達(dá)行業(yè)，并不是所有的芯片化集成技術(shù)都能給激光雷達(dá)帶來大幅度的性能提升和成本下降，只有將分立光學(xué)芯片及其配套元器件高度集成，才能帶來產(chǎn)品形態(tài)及生產(chǎn)工藝的躍遷、大幅度降低生產(chǎn)成本、快速擴(kuò)充產(chǎn)能，才能完成從分立式激光雷達(dá)向集成式激光雷達(dá)的進(jìn)化。

激光雷達(dá)從1.0時(shí)代跨進(jìn)2.0時(shí)代，真正的進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的黃金時(shí)代，最關(guān)鍵的路徑是光學(xué)芯片層面的集成化

從激光雷達(dá)的核心構(gòu)造說起，本質(zhì)上，激光雷達(dá)是一個(gè)由很多部件構(gòu)成的光機(jī)電系統(tǒng)。其中，光電系統(tǒng)成本約占激光雷達(dá)整機(jī)成本的七成。光電系統(tǒng)由激光雷達(dá)發(fā)射模組、激光雷達(dá)接收模組，測時(shí)模組（TDC、ADC）、控制模組四部分構(gòu)成。

其中，在光電系統(tǒng)中，測時(shí)模組與控制模組的占比，無論從體積、成本還是重量上來看，都是極小的部分，驅(qū)動(dòng)、測時(shí)、控制模塊這些輔助光學(xué)芯片工作的模組，其占據(jù)成本的比例很小，而光學(xué)芯片屬性的集成激光發(fā)射芯片模組及接收芯片模組無論在成本還是體積、重量等維度上都起著至關(guān)重要的作用。

簡單芯片化無法帶來激光雷達(dá)產(chǎn)品形態(tài)和成本的質(zhì)變，激光雷達(dá)最核心的是光學(xué)芯片。因此，業(yè)界也大多數(shù)人認(rèn)為，下一個(gè)階段激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、滿足車規(guī)要求，并且推動(dòng)降本，不僅僅是要實(shí)現(xiàn)測時(shí)模組和控制模組的芯片化，更重要的是要實(shí)現(xiàn)光學(xué)芯片的集成化，只有對光學(xué)芯片進(jìn)行了集成的激光雷達(dá)，才可以稱為是集成式激光雷達(dá)。

再將光學(xué)芯片的集成化細(xì)分來看，人工其實(shí)是原先激光雷達(dá)成本居高不下的原因之一，要想降本增效，要求產(chǎn)品內(nèi)部模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮適應(yīng)量產(chǎn)的模塊，減少人工介入環(huán)節(jié)，并在后期大批量生產(chǎn)的供應(yīng)鏈上，做好儲(chǔ)備。

相較于傳統(tǒng)分立式激光雷達(dá)，搭載集成激光收、發(fā)模組的集成式激光雷達(dá)，在生產(chǎn)工藝上，是通過光刻機(jī)直接將數(shù)十個(gè)光學(xué)通道在集成芯片上精確光刻而成，這替代60%以上的分立器件模組成本，同時(shí)不用人工膠粘逐線進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)，節(jié)省掉原先占比25%的高額人工調(diào)試成本，同時(shí)由于減少了人力的因素，也能提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、一致性。

在產(chǎn)品形態(tài)上，通過芯片高度集成化，還減少了60%以上的非機(jī)械部分的體積和重量。這意味著隨著激光雷達(dá)線數(shù)的增加，光學(xué)芯片集成帶來的優(yōu)勢會(huì)更加明顯。因?yàn)榇蠓冉当咎豳|(zhì)解決了當(dāng)前激光雷達(dá)面臨價(jià)格高、可靠性差、產(chǎn)能低下的核心痛點(diǎn)。

同時(shí)，集成激光雷達(dá)的體積、重量、光電系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)分立式激光雷達(dá)，并且線數(shù)提升時(shí)保持不變或者小幅提升。因?yàn)榧杉す饫走_(dá)不論多少線數(shù)只需1-2次調(diào)試，占成本1%左右，這克服了原先傳統(tǒng)分立式激光雷達(dá)隨線數(shù)增加調(diào)試成本、調(diào)試難度和調(diào)試時(shí)間劇增的痛點(diǎn)。

疫情期間出現(xiàn)一個(gè)特殊現(xiàn)象，部分激光雷達(dá)價(jià)格上漲，導(dǎo)致下游應(yīng)用產(chǎn)品成本波動(dòng)，這是由于線數(shù)指數(shù)波動(dòng)、供貨周期變長導(dǎo)致。而由于集成激光雷達(dá)價(jià)格隨著線數(shù)增加增幅不大，解決了分立式激光雷達(dá)價(jià)格隨線數(shù)指數(shù)上升的問題，因而集成激光雷達(dá)能滿足真正能實(shí)現(xiàn)高的性價(jià)比。

這些優(yōu)勢同時(shí)也會(huì)帶來產(chǎn)能優(yōu)勢，迅速增加產(chǎn)能。在去年9月，銳馳智光（曾用名飲冰科技）就已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)32線的集成收發(fā)芯片量產(chǎn)，其集成式激光雷達(dá)系列產(chǎn)品也將在近期推出，這可能是現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)唯一的集成式激光雷達(dá)產(chǎn)品。

銳馳智光在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，集成多線激光雷達(dá)的生產(chǎn)甚至比工業(yè)級單線還要簡單，這也是銳馳智光能夠快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的主要原因。據(jù)了解，銳馳智光發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樾酒瑢用娴募墒沟昧悴考罅繙p少，調(diào)試工作減少，組裝簡單，因而十萬臺(tái)百萬臺(tái)級別的擴(kuò)產(chǎn)對于集成式激光雷達(dá)來說也不再是難事。而隨著后續(xù)技術(shù)創(chuàng)新及成本的大幅下降，也必將帶來價(jià)格下降，解決激光雷達(dá)動(dòng)輒數(shù)萬數(shù)十萬的價(jià)格問題。

車規(guī)級與壽命密碼

集成解決了最大的成本問題，那么集成式激光雷達(dá)能否解決車規(guī)級和壽命問題呢？答案也是必然的。

提到車規(guī)級和壽命問題就不得不提一下激光雷達(dá)的分類，市場對于激光雷達(dá)的分類紛繁復(fù)雜，目前主流的激光雷達(dá)分類標(biāo)準(zhǔn)大致有光束掃描方法（機(jī)械裝置部分運(yùn)動(dòng)維度）、測距原理及激光波長三種。

現(xiàn)階段，分立模組旋轉(zhuǎn)式、MEMS、轉(zhuǎn)鏡式、棱鏡式等技術(shù)路線百花齊放，可謂激光雷達(dá)1.0時(shí)代機(jī)械裝置層面的進(jìn)步，但卻無法帶來本質(zhì)性的質(zhì)量提升和大幅度的成本下降，集成式激光雷達(dá)通過將光學(xué)芯片集成大幅降低了產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)部分重量和體積（解決分立旋轉(zhuǎn)式軸承受力過大問題），提升壽命；基于光學(xué)芯片集成的收發(fā)模組可應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式、多種鏡子式激光雷達(dá)，解決車規(guī)級問題。

不僅于此，集成式激光雷達(dá)還包含集成旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)、多種反射鏡集成激光雷達(dá)，可解決車規(guī)級問題，同時(shí)線數(shù)和點(diǎn)頻增加時(shí)，價(jià)格波動(dòng)幅度不大，因而可以解決高性能高性價(jià)比車規(guī)級產(chǎn)品問題。

結(jié)語

作為移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)駕駛車輛的關(guān)鍵傳感器，激光雷達(dá)無疑已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車道，而移動(dòng)機(jī)器人與特定場景下的自動(dòng)駕駛也是目前新戰(zhàn)略的兩大業(yè)務(wù)中心。

隨著智能服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的成熟，擁有低成本高性價(jià)比的激光雷達(dá)業(yè)務(wù)范圍和輻射半徑必然將不斷增強(qiáng)，無人運(yùn)送、無人清掃、無人巡檢機(jī)器人在運(yùn)營成本降低及服務(wù)效率提升等方面的優(yōu)勢將得以顯現(xiàn)，對此類設(shè)備的需求也將不斷提升。

根據(jù)沙利文的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測，伴隨全球服務(wù)型機(jī)器人出貨量的增長以及激光雷達(dá)在服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域滲透率的提升，至 2025 年激光雷達(dá)在機(jī)器人領(lǐng)域的細(xì)分市場預(yù)計(jì)達(dá)到 7 億美元市場規(guī)模，2019 年至 2025 年的復(fù)合增長率為 57.9%。

同時(shí)，受無人駕駛車隊(duì)規(guī)模擴(kuò)張、激光雷達(dá)在高級輔助駕駛中滲透率增加、以及服務(wù)型機(jī)器人及智能交通建設(shè)等領(lǐng)域需求的推動(dòng)，激光雷達(dá)整體市場預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，至 2025年全球市場規(guī)模為135.4 億美元，較 2019 年可實(shí)現(xiàn) 64.5%的年均復(fù)合增長率。

政策層面，激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，國家在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域頒布的規(guī)范化扶持政策，也助力國內(nèi)激光雷達(dá)市場進(jìn)一步擴(kuò)張。未來，在系列移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)之外，新戰(zhàn)略還將會(huì)以“園區(qū)無人駕駛”微信公眾號和“無人駕駛網(wǎng)”這兩大平臺(tái)為載體，聚焦無人駕駛在園區(qū)、礦區(qū)、景區(qū)、港口、樓宇及機(jī)場等半封閉場景的落地應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀。

可以說，集成激光雷達(dá)通過光學(xué)芯片等集成，將激光雷達(dá)帶入2.0時(shí)代。

作為一類高性能傳感器，在無人駕駛的浪潮下，激光雷達(dá)無疑迎來了歷史性的巨大發(fā)展機(jī)遇。激光雷達(dá)的代表企業(yè)銳馳智光在光學(xué)芯片等芯片設(shè)計(jì)和集成方面已經(jīng)布局和研發(fā)了十余年，2020年5月在蘇州完成了規(guī)模化生產(chǎn)工廠建設(shè)，并于2020年9月成功量產(chǎn)了32元集成激光收發(fā)芯片，銳馳智光的集成激光雷達(dá)系列產(chǎn)品將于近期陸續(xù)推出，這或許又是一個(gè)革命性改變的開始。

審核編輯：符乾江