激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車上的應(yīng)用

穩(wěn)步發(fā)展的激光雷達(dá)技術(shù)將協(xié)助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重大飛躍，但前提是必須降低成本。

顧名思義，激光雷達(dá)是指“以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)”。事實(shí)上，人類歷史中對激光雷達(dá)的應(yīng)用可以追溯回 1962 年 5 月。當(dāng)時(shí)，Louis Smullin 和Giorgio Fiocca 兩名電氣工程師曾在美國麻省理工大學(xué)的林肯實(shí)驗(yàn)室中，利用一部 12 英寸的望遠(yuǎn)鏡向月球發(fā)射 50 焦耳的激光脈沖，并使用一部 48 英寸的望遠(yuǎn)鏡接收反射光，而后通過光的傳播速度估算出地球與月球的距離。

40 年后，除了在氣象學(xué)和阿波羅登月計(jì)劃中發(fā)揮重要作用外，激光雷達(dá)還作為關(guān)鍵傳感器，成為美國國防部DARPA 挑戰(zhàn)賽中機(jī)器人汽車原型中的關(guān)鍵組成部分。在最初的機(jī)器人汽車設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員將多達(dá) 64 部激光雷達(dá)和傳感器集成至安裝在車頂?shù)木薮髨A柱體中。車輛在行駛時(shí)，這個(gè)圓柱體系統(tǒng)將不斷旋轉(zhuǎn)，向四面八方發(fā)射成千上萬條脈沖，從而提供 360 度車輛環(huán)視信息。具體來說，激光雷達(dá)掃射的目標(biāo)將被標(biāo)記為“點(diǎn)云”（Cloud of points），補(bǔ)充雷達(dá)和攝像頭的成像效果，共同引導(dǎo)無人駕駛汽車的行駛。

到 2007 年，也就是DARPA 挑戰(zhàn)賽的第四年時(shí)，賽事的冠軍作品及所有 6 件完成作品中的 5 件均沿用了激光雷達(dá)技術(shù)先鋒Velodyne Acoustics 公司推出的早期激光雷達(dá)。據(jù)報(bào)道稱，當(dāng)時(shí)每個(gè)激光雷達(dá)單元的成本高達(dá)近 8 萬美元。

盡管軟件和硬件方面都有了重大改變，但如今激光雷達(dá)的工作方式卻與之前的“祖輩”并無太大變化。專家表示，目前，汽車行業(yè)中主要采用久經(jīng)驗(yàn)證的機(jī)械掃描型（MEMS）激光雷達(dá)，而新的固定式（無移動(dòng)組件）激光雷達(dá)的性能更可靠、尺寸更緊湊，這對于將設(shè)備集成至車輛外飾中至關(guān)重要。對比來說，固定式激光雷達(dá)的視場（field of view），也就是可視范圍較窄，但憑借相對更低的成本，廠商也可以選擇同時(shí)安裝多款固定式激光雷達(dá)，從而達(dá)到擴(kuò)大視場的目的。

通用 Cruise 自動(dòng)駕駛汽車集成了大量激光雷達(dá)，用于自動(dòng)駕駛汽車的公共道路測試。

通常而言，常見的汽車或卡車可以通過安裝大概8 個(gè)可視角度較小的激光雷達(dá)（車輛前后選擇可視角度 120 度的激光雷達(dá)、左右選擇可視角度 90 度的激光雷達(dá)）替代360 度的大型激光雷達(dá)，當(dāng)然具體數(shù)量仍與車輛的幾何外形有關(guān)。從另一方面來看，車輛對激光雷達(dá)探測距離的需求也可以降低。工程師可以根據(jù)激光雷達(dá)在車輛安全系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，對安裝在車輛不同位置的激光雷達(dá)提出不同的探測距離要求，通常左右方向的激光雷達(dá)要求達(dá)到 30 米、前方要求200 米、后方要求 50 米。

隨著越來越多的初創(chuàng)公司和成熟的供應(yīng)商均紛紛“殺入”SAE 3 級、4 級和 5 級自動(dòng)駕駛功能的開發(fā)中，激光雷達(dá)的研發(fā)正在如火如荼地開展。此外。這項(xiàng)技術(shù)在需求量巨大的 3D 地圖領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

Frost & Sullivan 公司預(yù)測，到 2025 年，激光雷達(dá)的年銷量將達(dá)到600 萬部，其中 50% 均將應(yīng)用至汽車中，市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 20 億美元。經(jīng)《汽車工程》統(tǒng)計(jì)，激光雷達(dá)領(lǐng)域中的初創(chuàng)公司數(shù)量多達(dá) 30 多家，還有Velodyne 等老牌廠商及包括博世（Bosch）、法雷奧（Valeo）及大陸集團(tuán)（Continental）等在內(nèi)的一級供應(yīng)商。此外，Aptiv 和麥格納（Magna）等頂級供應(yīng)商選擇與一些激光雷達(dá)專家公司合作。一些汽車廠商也開始通過收購或合作等手段，與激光雷達(dá)開發(fā)商建立聯(lián)系，包括BMW（通過麥格納與Innoviz 合作）、通用（與Strobe 合作）、豐田（與Luminar 合作），及福特（與Princeton Lightware 和 Velodyne 合作）。

有一些支持者稱激光雷達(dá)是解決“自動(dòng)駕駛汽車關(guān)鍵難題的靈丹妙藥”，這可能有些夸張，但無論如何，在自動(dòng)駕駛汽車研發(fā)方面，激光雷達(dá)無疑是最熱門，也最有爭議的傳感器技術(shù)。

技術(shù)顧問Gerald Conover 在移動(dòng)出行領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)非常豐富。他觀察道，“每隔幾周就會(huì)有一家新公司大肆鼓吹他們的全新激光雷達(dá)技術(shù)。但事實(shí)上，他們口中的成果很多仍僅基于實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目結(jié)果，而真正的大批量生產(chǎn)可能還需要幾年時(shí)間。”只有那些成本低且性能高的產(chǎn)品才能真正存活下來。根據(jù)SAE 4 級和5 級自動(dòng)駕駛車輛的發(fā)展情況來看，“未來，市場對激光雷達(dá)設(shè)備的需求可能很大。”

成本仍是汽車級激光雷達(dá)設(shè)備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署的一大障礙。目前，開發(fā)版激光雷達(dá)的成本仍在10000 美元或更高 — “對于汽車生產(chǎn)來說，這么高的成本是不現(xiàn)實(shí)，”Conover 打趣道，“而降低激光雷達(dá)成本的關(guān)鍵技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾家供應(yīng)商手中。”汽車廠商希望，未來，激光雷達(dá)的商品價(jià)格可以穩(wěn)步降低，正如曾經(jīng)的車載雷達(dá)和攝像頭一樣。

自2017 年末以來，Quanergy 公司一直在生產(chǎn)905 納米的固態(tài)激光雷達(dá)，其反射率為8 %，測距范圍為150 米。該公司聲稱，我們的激光雷達(dá)為光學(xué)相控陣類型，每秒可以掃描50 萬個(gè)點(diǎn)，100 米外的最小可監(jiān)測光點(diǎn)單位為3.5 厘米。Quanergy 公司認(rèn)為，目前，每個(gè)樣品的價(jià)格仍為數(shù)千英鎊，但公司有信心在未來的量產(chǎn)中，將產(chǎn)品的單位成本降低至300 美元之下。目前，Velodyne 公司最便宜的 16 束激光雷達(dá)每臺售價(jià)為4000 美元。

為了將傳感器完全整合至汽車中，縮小激光雷達(dá)的尺寸將至關(guān)重要。麥格納的概念車（如圖所示）已經(jīng)邁出了整合的第一步。

物盡其用，各司其職

雖然汽車激光雷達(dá)領(lǐng)域的競爭已經(jīng)達(dá)到白熱化程度，但并非所有原始設(shè)備制造商都認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)勢在必行。比如，特斯拉（Tesla）的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)就另辟蹊徑地采用了基于攝像頭的光學(xué)識別技術(shù)。這家公司的老板Elon Musk 似乎并不認(rèn)為激光雷達(dá)將改變自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的游戲規(guī)則。2017 年4 月的TED 演講舞臺上，“一旦你能解決攝像機(jī)的視覺問題，就能解決自動(dòng)駕駛的問題；如果你不解決視覺問題，自動(dòng)駕駛的問題自然無解?！盡usk 表示，“只要有攝像頭，你絕對可以實(shí)現(xiàn)成為超人的夢想?！贝送?，這位CEO 還暗自給激光雷達(dá)貼上“拐杖”的標(biāo)簽。

本田北美公司（Honda North America）產(chǎn)品規(guī)劃助理副總裁Jay Joseph 指出，公司正在“利用激光雷達(dá)進(jìn)行開發(fā)和測試”。他表示，我們的工程師認(rèn)為，激光雷達(dá)在短期內(nèi)是必要的?！爱?dāng)然，從長遠(yuǎn)來看，我們希望看到其他解決方案——也許是一些借助網(wǎng)聯(lián)功能和共享信息的解決方案。但是，在新解決方案確保萬無一失之前，激光雷達(dá)可以為車輛提供高質(zhì)量的信息，讓車輛能夠基于這些信息做出正確的決策，因此是必不可少的。”

目前，對于包括Aptiv 等很多經(jīng)驗(yàn)非常豐富的一級供應(yīng)商而言，很大程度上，他們的工作是將傳感器陣列組裝完美地集成至車輛中。Aptiv 公司高級技術(shù)副總裁Jada Smith 指出，“一些科技初創(chuàng)公司還對汽車不夠了解，但我們明白傳感器是如何與車輛協(xié)同工作的?！?/p>

Smith 表示，Aptiv 認(rèn)為攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)將在汽車自主技術(shù)中發(fā)揮協(xié)同作用。她稱，激光雷達(dá)是“一項(xiàng)必要技術(shù)，適用于所有用例，可作為一種冗余系統(tǒng)，并幫助車輛看清周圍發(fā)生的一切?！蹦壳?，Aptiv 已經(jīng)投資了Leddartech（flash 激光雷達(dá)公司）、Innoviz（MEM 型激光雷達(dá)）和Quanergy（光學(xué)相控陣型激光雷達(dá)）等公司，對各類激光雷達(dá)技術(shù)均有涉及。

在選擇激光雷達(dá)類型時(shí)，最重要的是搞清楚激光雷達(dá)的角色?！拔覀兿Ｍ尲す饫走_(dá)發(fā)揮什么作用？”Smith問道，“探測距離越遠(yuǎn)，視野越窄——這與攝像頭的情況一樣。因此，我們首先應(yīng)該確定到底要什么性能，然后再選擇Flash、MEMS 或其他類型的激光雷達(dá)。但關(guān)鍵是要根據(jù)我們希望達(dá)到的目標(biāo)，進(jìn)行權(quán)衡?！?/p>

最近，《SAE 汽車工程》深入采訪了一群激光雷達(dá)創(chuàng)新研究人員，下文將介紹這些研究人員對激光雷達(dá)技術(shù)對了解和看法。

Aptiv在CES17上使用的BMW 5系自動(dòng)演示車的傳感器布局。 綜合陣列包括四個(gè)短程激光雷達(dá)，五個(gè)遠(yuǎn)程激光雷達(dá)，六個(gè)掃描雷達(dá)（ESR），四個(gè)短程雷達(dá)（SRR），一個(gè)三焦攝像頭，一個(gè)交通燈攝像頭，兩個(gè)GPS天線，一個(gè)DSRC模塊和兩個(gè) 計(jì)算機(jī)軟件堆棧用于冗余。

Innoviz Technologies

如同許多傳感器技術(shù)開發(fā)商一樣，Innoviz 公司的總部設(shè)在以色列，所有主要負(fù)責(zé)人均擁有以色列軍方的專業(yè)電子背景。這家公司成立于三年前，全球共有大約150 名員工。目前，Innoviz 公司已經(jīng)獲得超過8000 萬美元的投資，Aptiv、Magna 和三星在Innoviz公司均有持股。

激光雷達(dá)的基礎(chǔ)技術(shù)在于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計(jì)，即通過移動(dòng)的鏡面投射來自固態(tài)芯片的掃描激光。更為重要的是，Innoviz 還推出了 905 納米激光雷達(dá)。Innoviz 北美總經(jīng)理Aditya Srinivasan 表示，905 納米激光雷達(dá)可以幫助公司有效降低成本。事實(shí)上，Innoviz 公司預(yù)計(jì)將在 2019 年推出一款定價(jià)僅在數(shù)百美元的汽車級激光雷達(dá)傳感器，這也是公司的首款汽車級激光雷達(dá)。

Srinivasan 表示，“有關(guān)我們的設(shè)計(jì)到底是不是固定式激光雷達(dá)，大家可能會(huì)有不同的看法，因?yàn)槲覀兇_實(shí)使用了一面移動(dòng)的鏡子，但無論如何，這就是我們公司的‘固定式’激光雷達(dá)?！?/p>

Innoviz 公司的資料顯示，InnovizOne“經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可以輕松無縫集成至任何大眾市場車輛中”。該系統(tǒng)的水平和垂直場視角度分別為120° 和25°，可提供750 萬像素/秒的高清分辨率，幀率為25 幀/秒，探測范圍達(dá)250 米（820英尺）。從外觀而言，InnovizOne 高 50 毫米、寬 110 毫米、進(jìn)深 100 毫米（即2 x 4.3 x 3.9英寸）。此外，系統(tǒng)還采用了一款專利信號處理芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作，但Srinivasan 并未透露這家芯片合作廠商的名稱。

Innoviz 還聲稱，InnovizOne系統(tǒng)經(jīng)過專門優(yōu)化，可以識別反射率極低的物體，這也是目前很多其他激光雷達(dá)很難做到的。

4 月，Innoviz 還公布了通過公司供應(yīng)商合作伙伴麥格納（Magna）與BMW 簽訂的供貨協(xié)議。BMW 表示，公司計(jì)劃在2021 年推出一項(xiàng)SAE 3 級自動(dòng)駕駛汽車叫車服務(wù)，而來自Innoviz 的激光雷達(dá)無疑將成為其中的關(guān)鍵組件之一。

此外，Innoviz 還與Aptiv 和三星共同合作，開發(fā)汽車激光雷達(dá)。6 月，Innoviz 表示，公司已經(jīng)與中國一級汽車供應(yīng)商恒潤科技建立了合作伙伴關(guān)系，而后者的客戶包括多家中國大型汽車廠商，目前正在將Innoviz 的產(chǎn)品集成至自家的自動(dòng)駕駛平臺。

Aptive 公司的固定式激光雷達(dá)。

TetraVue

TetraVue 公司的固定式 Flash 激光雷達(dá)技術(shù)借鑒了數(shù)碼相機(jī)相對成熟，且更為平價(jià)的傳感器技術(shù)，特別之處在于可以提供更高的分辨率。事實(shí)上，這家公司稱其汽車激光雷達(dá)為“高清4D 攝像頭”，可提供百萬像素級數(shù)字視頻捕捉，通過像素級深度信息支持遠(yuǎn)程傳感需求。

TetraVue 公司創(chuàng)始人兼執(zhí)行副總裁 PaulBanks 擁有應(yīng)用物理學(xué)博士學(xué)位。對他來說，分辨率是最關(guān)鍵的。Banks 先生用通俗易懂的語言解釋了公司理論上具備的技術(shù)優(yōu)勢。他摘下眼鏡說，我是個(gè)近視，加州決不允許我不帶眼鏡就開車上路，然而，市場上大多數(shù)激光雷達(dá)的分辨率卻低于加州對人類駕駛員的最低視力要求。

“對我們來說，高分辨率才是最重要的，”Banks直言，“實(shí)際上，我們使用的就是你手機(jī)里的（圖片）傳感器，其他產(chǎn)品根本不是我們的對手。”

事實(shí)上，Banks 的觀點(diǎn)有一定道理，目前博世和三星等投資者對此都很感興趣。TetraVue 公司的固定式Flash 激光雷達(dá)技術(shù)借鑒了數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域相對成熟且更為平價(jià)的CMOS 和CCD 傳感技術(shù)。TetraVue 激光雷達(dá)采用肉眼不可見的 800 納米波長，發(fā)射速度達(dá)每秒 30 幀（30 fps）。此外，這款激光雷達(dá)還配備了“照明”功能，可以提供像素級的深度信息。

Banks 向我們展示了一位舞蹈演員通過“常規(guī)”激光雷達(dá)和 TetraVue激光雷達(dá)看到的不同數(shù)據(jù)場景，TetraVue 產(chǎn)品所提供的更大視角和深度著實(shí)讓人驚嘆。

Banks 表示，“我們的激光雷達(dá)更像是一款視頻攝像頭，無論是從外觀，還是使用感受而言。”事實(shí)上，Banks 并沒有夸張，TetraVue 系統(tǒng)每秒可以展示 6000 萬個(gè)點(diǎn)，最終的成像效果讓其他競爭對手的畫質(zhì)對比來看就像是一些早期的視頻游戲界面。

現(xiàn)階段，對于這家位于美國加利福尼亞洲的激光雷達(dá)公司而言，最大的挑戰(zhàn)在于探測距離。Banks 表示，按照當(dāng)下的設(shè)計(jì)，這款激光雷達(dá)的探測距離在 150 米左右（492 ft），而其他競爭對手的產(chǎn)品，比如Velodyne 最新激光雷達(dá)產(chǎn)品的距離幾乎是TetraVue 的 2 倍。不過，Banks 表示，我們也可以提高探測距離，但“最根本的問題還是成本?！彼€表示，公司對這款激光雷達(dá)的定位是大眾應(yīng)用市場，也就是說定價(jià)將在大眾可以接受的范圍。

Ouster

內(nèi)戰(zhàn)期間的著名軍事學(xué)家Nathan Bedford 曾提出，“孤注一擲，占得先機(jī)”。在如今的科技時(shí)代，Ouster 公司可能是對這一名言貫徹地最為徹底的公司了。

Ouster 公司創(chuàng)始人兼 CEOAngus Pacala 曾稱贊稱，我們的市場優(yōu)勢在于：我們已經(jīng)開始向世界各地輸送汽車激光雷達(dá)了。

“我們的產(chǎn)品根本無需額外推銷，”Pacala 夸口說，“我們是市面上最智能，也最輕質(zhì)的 360 度3D 傳感產(chǎn)品”。此外，他還說，Ouster 公司是唯一一家愿意向任何買家，開誠布公地公開技術(shù)價(jià)格的公司。

Pacala 此前曾在 Quanergy公司擔(dān)任工程總監(jiān)。他表示，Ouster 的OS-1 是目前市面上分辨率最高的激光雷達(dá)，具有一流的功耗、尺寸和重量指標(biāo)。該系統(tǒng)每秒可測量130 萬點(diǎn)，但功耗還不到15 W。正如TetraVue 一樣，該公司的技術(shù)也植根于相對成本更低也更為成熟的CMOS 技術(shù)（在智能手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中均有多年應(yīng)用歷史）。

為了將成本控制在合理范圍內(nèi)，OS - 1激光器的工作波長為850 納米，成本在某種程度上則根據(jù)客戶對渠道的不同需求，有“階梯式”差異：其中，成本最高的版本采用了64 個(gè)發(fā)射器，可提供每個(gè)垂直視場的“切片”，而性能較低的版本僅有16 個(gè)通道，因此成本較低。Pacala 表示，該公司預(yù)計(jì)將在2018 年底出貨10,000 至20,000 部OS-1 產(chǎn)品。

OS–1 的尺寸與兩個(gè)冰球相當(dāng)，高 2.5英寸（63毫米），直徑3.14 英寸（80毫米），重約330 克。這款激光雷達(dá)并不屬于固定式激光雷達(dá)，而是使用了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器，可提供360° 覆蓋范圍和近32° 的垂直視場，精度約為3 厘米（1.3英寸），但測距范圍相對較短，只有120 米（394英尺）。

隨著OS–2 的問世，Ouster 的測距范圍有所提升，也就是說OS–2 的測距范圍將達(dá)到200米（656英尺），采用64 通道設(shè)計(jì)，視場范圍 15.8°。不過，OS–2 的尺寸更大，也更重。Pacala 表示，OS–2 將在今年第三季度起售。

Valeo

2017 年底，法國一級供應(yīng)商法雷奧（Valeo）旗下一款激光雷達(dá)正式登陸奧迪（Audi）A8 轎車，這也被視為激光雷達(dá)首次登陸一款具備SAE 3 級駕駛員協(xié)助功能的量產(chǎn)車型。奧迪A8 的交通堵塞領(lǐng)航系統(tǒng)（Traffic Jam Pilot system）可以在法雷奧 Scala 激光雷達(dá)的協(xié)助下，在發(fā)生交通堵塞的情況下，即車速不超過每小時(shí)37 英里（60公里/小時(shí)）時(shí)，控制車輛的加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能。

Scala 是法雷奧與 LeddarTech合作開發(fā)的創(chuàng)新固定式激光雷達(dá)，并榮獲2018 年佩斯獎(jiǎng)（2018 PACE award）。法雷奧稱，Scala 的水平視場范圍為145°，測距范圍為150 米。LeddarTech 表示，正如許多常見的傳感技術(shù)一樣，Scala 的優(yōu)勢主要在于具有專利的處理方式和算法：“本質(zhì)上來說，我們采用了一整套軟件、算法及專門知識，用于設(shè)計(jì)或優(yōu)化各種不同類型的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器?！?/p>

然而，一些熱切的早期技術(shù)嘗試者可能還無法立刻享受到法雷奧/LeddarTech 激光雷達(dá)陣列。在最初階段，這套系統(tǒng)在許多國家均不支持。奧迪并不愿意在美國及其他法律和監(jiān)管框架尚不夠明確的地區(qū)，貿(mào)然推出這項(xiàng)功能。

5 月，法雷奧宣布了與中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭百度 2017 年成立的開放自動(dòng)駕駛平臺阿波羅公司（Apollo）簽署“戰(zhàn)略合作”。法雷奧在一份新聞稿中表示，公司將為阿波羅項(xiàng)目提供傳感器方面的專業(yè)知識，以及“傳感器清潔系統(tǒng)，及自動(dòng)駕駛汽車互聯(lián)功能方面的豐富經(jīng)驗(yàn)”。