傳感器將隨著自動(dòng)駕駛市場(chǎng)的發(fā)展而迅速爆發(fā)

摘要：自動(dòng)駕駛是汽車智能化發(fā)展的最終方向，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛技術(shù)的硬件基礎(chǔ)，相關(guān)傳感器將隨著自動(dòng)駕駛市場(chǎng)的發(fā)展而迅速爆發(fā)。

自動(dòng)駕駛汽車是依靠人工智能、視覺計(jì)算、激光雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有人類主動(dòng)的操作下，自動(dòng)、安全地操作機(jī)動(dòng)車輛，其主要由環(huán)境感知系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、中央處理單元、數(shù)據(jù)傳輸總線等組成。

自動(dòng)駕駛汽車在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了視覺感知功能、實(shí)時(shí)相對(duì)地圖功能、高速規(guī)劃與控制功能，增加了全球定位系統(tǒng)天線、工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、GPS 接收機(jī)、雷達(dá)等核心軟硬件。感知環(huán)節(jié)通過各種傳感器采集周圍環(huán)境基本信息，是自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)，主要包括毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、圖像傳感器等。

4種傳感器感知范圍示意圖

4種傳感器及其產(chǎn)業(yè)鏈介紹

毫米波雷達(dá)

ADAS系統(tǒng)(高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng))需要雷達(dá)傳感器的支持，而雷達(dá)也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的一大功臣。毫米波雷達(dá)利用無線電波對(duì)物體進(jìn)行探測(cè)和定位。

現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)主要有用于中短測(cè)距的 24 GHz 雷達(dá)和長測(cè)距的 77 GHz 雷達(dá) 2 種，其中 77 GHz 的優(yōu)勢(shì)主要在于距離和速度測(cè)定的準(zhǔn)確性，此外其角分辨率也更加精準(zhǔn)。毫米波雷達(dá)可有效提取景深及速度信息，識(shí)別障礙物，有一定的穿透霧、煙和灰塵的能力，但在環(huán)境障礙物復(fù)雜的情況下，由于毫米波依靠聲波定位，聲波出現(xiàn)漫反射，導(dǎo)致漏檢率和誤差率比較高;

固態(tài)雷達(dá)芯片系統(tǒng)很常見，體積小，價(jià)格低廉。它們具有良好的范圍，但比其他傳感器的分辨率更差。它們?cè)诿靼禇l件下同樣工作良好，77 GHz系統(tǒng)能夠更好地感知霧，雨和雪，這會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)和被動(dòng)視覺系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

雷達(dá)無法進(jìn)行顏色，對(duì)比度或光學(xué)字符識(shí)別。雷達(dá)在確定當(dāng)前實(shí)施中的交通相對(duì)速度方面非常有效。雖然傳感器尺寸使其更接近近距離探測(cè)，但它們?cè)跇O短距離內(nèi)的效率低于聲納。

產(chǎn)業(yè)鏈

目前，全球毫米波雷達(dá)市場(chǎng)主要由博世、大陸、天合汽車集團(tuán)、法雷奧、海拉、德爾福、電裝、奧托立夫、富士通等廠商主導(dǎo)，其中法雷奧、海拉和博世占據(jù)我國 24 GHz 雷達(dá)市場(chǎng) 60% 以上的出貨量，德國大陸、博世和德爾福占據(jù)我國 77 GHz 雷達(dá)市場(chǎng) 80% 以上的出貨量。

中國毫米波雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新加速，24 GHz 毫米波集成電路已實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。蕪湖森思泰克智能、杭州智波、華域汽車等實(shí)現(xiàn)了 24 GHz 毫米波雷達(dá)的批量生產(chǎn)，沈陽承泰、湖南納雷、南京隼眼電子、北京行易道、華域汽車、上海保隆汽車、蘇州安智汽車等均完成了 77 GHz 雷達(dá)的樣機(jī)測(cè)試，部分公司有望于 2019-2020 年實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

但由于供應(yīng)鏈與知識(shí)產(chǎn)權(quán)等限制，國際毫米波雷達(dá)芯片商對(duì)中國并沒有完全放開 77 GHz 雷達(dá)芯片的供應(yīng)，極大程度地限制了國內(nèi) 77 GHz 毫米波雷達(dá)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。此外，考慮到雷達(dá)產(chǎn)品穩(wěn)定性需要長期、大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，國產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)全面突破仍面臨生產(chǎn)工藝等多方面的挑戰(zhàn)。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)依靠是激光而不是無線電波。除了激光發(fā)射器，這套系統(tǒng)還需要一個(gè)敏感的接收器。激光雷達(dá)系統(tǒng)能探測(cè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體，并提供被探測(cè)物的高分辨率的幾何圖像、距離圖像、速度圖像。

激光雷達(dá)目前是大而昂貴的系統(tǒng)，必須安裝在車輛外面。分單線和多線激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)可以獲得極高的速度、距離和角度分辨率，形成精確的 3D 地圖，抗干擾能力強(qiáng)，是智能駕駛汽車發(fā)展的最佳技術(shù)路線，但是成本較高，也容易受到惡劣天氣和煙霧環(huán)境的影響;

目前的實(shí)施方案已經(jīng)基本上從早期的30米范圍到150米到200米改進(jìn)了范圍，同時(shí)分辨率也提高了。

激光雷達(dá)在所有光線條件下都能很好地工作，但由于使用了光譜波長，它們開始因空氣中的雪，霧，雨和塵埃顆粒的增加而失效。激光雷達(dá)無法檢測(cè)顏色或?qū)Ρ榷龋矡o法提供光學(xué)字符識(shí)別功能。

在汽車行業(yè)，激光雷達(dá)是個(gè)相對(duì)較新的系統(tǒng)，正越來越受歡迎。

谷歌的自動(dòng)駕駛汽車解決方案使用激光雷達(dá)作為主要傳感器，但也使用其他傳感器。特斯拉目前的解決方案并未包含激光雷達(dá)(雖然姊妹公司SpaceX確實(shí)如此)以及過去和現(xiàn)在的聲明表明他們認(rèn)為自動(dòng)駕駛汽車不需要。

眼下，激光雷達(dá)已經(jīng)不是什么新鮮玩意，任何人都能從商店抱一臺(tái)回家，且精確度能滿足一般需要。不過，想讓它克服一切環(huán)境因素(溫度、太陽輻射、黑夜、雨雪天)穩(wěn)定工作并不容易。此外，車載激光雷達(dá)還得能看 300 碼(約合 274 米)遠(yuǎn)。最重要的是，這樣的產(chǎn)品必須能以市場(chǎng)可接受的價(jià)格和體積進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。

激光雷達(dá)在工業(yè)和軍事領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用。不過，它畢竟是一種擁有 360 度全景視角的復(fù)雜機(jī)械透鏡系統(tǒng)。由于單個(gè)成本高達(dá)數(shù)萬美元，因此激光雷達(dá)暫時(shí)還不適合在汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模部署。

產(chǎn)業(yè)鏈

目前，車載激光雷達(dá)產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)廠商主要集中在國外廠商，美國 Velodyne 激光雷達(dá)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)領(lǐng)先，擁有包括 HDL-64E、HDL-32E 和 VLP-16 3 個(gè)系列在內(nèi)的多條產(chǎn)品線，已經(jīng)和 25 個(gè)無人駕駛汽車項(xiàng)目達(dá)成合作協(xié)議，客戶覆蓋百度、福特、谷歌、日產(chǎn)、沃爾沃等;其他廠商如美國德爾福、德國大陸、德國英飛凌(Infineon)、以色列 Oryx Vision、美國 Blackmore、美國TetraVue、美國 Cepton、加拿大 Leddartech、美國 Quanergy、以色列 Innoviz 等技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力相對(duì)較強(qiáng)，在不同產(chǎn)品領(lǐng)域均占據(jù)一定份額。

國內(nèi)代表廠商包括北科天繪、禾賽科技、鐳神智能、北醒光子、速騰聚創(chuàng)、光珀智能等，均大力研發(fā)布局車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)，以北科天繪為例，擁有 18 年的激光雷達(dá)技術(shù)積累，采用完全自主研發(fā)的芯片和半導(dǎo)體工藝，率先實(shí)現(xiàn)高端激光雷達(dá)裝備規(guī)模量產(chǎn)。

目前，我國激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展水平還存在一定差距，激光雷達(dá)主要由激光光源、探測(cè)器和信息處理器組成，光源、探測(cè)器部分核心部件分別是激光二極管和雪崩二極管，目前國內(nèi)激光二極管產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口，雪崩二極管有一定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)但對(duì)外依存度依然較高。

超聲波傳感器

超聲波傳感器主動(dòng)發(fā)出高于人類聽覺水平的高頻聲音。它們具有非常差的范圍，但是對(duì)于非常近距離的三維映射非常好，因?yàn)槁暡ㄏ鄬?duì)較慢，因此可以檢測(cè)到一厘米或更小的差異。

無論光照水平如何，由于距離短，它們都可以在雪，霧和雨的條件下同樣良好地工作。與激光雷達(dá)和雷達(dá)一樣，它們不提供任何顏色，對(duì)比度或光學(xué)字符識(shí)別功能。由于它們的射程短，因此無法用于測(cè)量速度。它們小而便宜。

超聲波傳感器主要應(yīng)用于短距離場(chǎng)景下，如輔助泊車。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低是它的優(yōu)勢(shì)。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)的傳感器，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小等特點(diǎn)，對(duì)液體、固體的穿透性較強(qiáng)，用于自動(dòng)駕駛汽車可幫助車輛探測(cè)外部環(huán)境并指導(dǎo)車輛對(duì)此做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。超聲波傳感器初期主要用于車輛制動(dòng)輔助系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)，用來檢測(cè)障礙物避免碰撞和擦蹭，目前已被研究應(yīng)用在自動(dòng)泊車和自動(dòng)剎車系統(tǒng)。

一是自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)利用超聲波傳感器提供的停車區(qū)信息和車輛位置，控制汽車油門、制動(dòng)器和轉(zhuǎn)向，從而完成車庫停車和側(cè)方位自動(dòng)泊車。泊車傳感器通過聲納技術(shù)來計(jì)算與目標(biāo)物體的距離或方向，汽車制造商通過在后保險(xiǎn)杠上安置 2～4 顆傳感器來部署自動(dòng)泊車系統(tǒng)，這樣可以確保探測(cè)距離在 2～2.5 m 之間，并將測(cè)量到的距離用蜂鳴聲傳達(dá)給駕駛員。

二是超聲波自動(dòng)剎車系統(tǒng)是通過松開油門踏板、同時(shí)采取制動(dòng)來避免前側(cè)碰撞，放置在汽車車頭的超聲波傳感器會(huì)發(fā)射超聲波，在接收到前面物體的反射波后確定汽車與物體之間的距離，進(jìn)而通過伺服電機(jī)自動(dòng)控制汽車制動(dòng)系統(tǒng)。

產(chǎn)業(yè)鏈

車用超聲波傳感器市場(chǎng)較為分散，國際廠商主導(dǎo)地位顯著。目前，全球車用超聲波傳感器市場(chǎng)主要由Bosch，Valeo，Murata和SensorTec等主導(dǎo)，國內(nèi)尚無具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的大型專業(yè)設(shè)計(jì)和制造廠商。

圖像傳感器(攝像頭)

近年來，相機(jī)圖像識(shí)別系統(tǒng)變得非常便宜，小巧且高分辨率。它們的顏色，對(duì)比度和光學(xué)字符識(shí)別功能為其提供了一個(gè)全新的功能集，完全沒有其他所有傳感器。它們具有最佳的傳感器范圍，但光線條件良好。它們的范圍和性能隨著光線水平變暗而降低，開始依賴于 - 就像人眼一樣 - 依賴于汽車前燈的光線。

通過對(duì)采集圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)算法分析，車載攝像頭能夠識(shí)別行人、自行車、機(jī)動(dòng)車、道路軌跡線、路牌、信號(hào)燈等環(huán)境信息，進(jìn)而支撐實(shí)現(xiàn)車道保持輔助、車道偏離預(yù)警、前向碰撞預(yù)警、行人碰撞預(yù)警、全景泊車、駕駛員疲勞預(yù)警等功能。

產(chǎn)業(yè)鏈

我國在車載攝像頭鏡頭、模組等方面具備較好基礎(chǔ)，在圖像傳感器、DSP 方面對(duì)外依存度較高：

一是國內(nèi)擁有以大立光學(xué)、舜宇光學(xué)、玉晶集團(tuán)、亞洲光學(xué)、利達(dá)光電、關(guān)東辰美、先進(jìn)光電、威海世高光電子、深圳市理念光電、江西興邦光電、深圳精龍達(dá)光電、東莞新旭光學(xué)、水晶光電等為代表的車載攝像頭鏡頭元件提供商，突破了模壓玻璃非球面技術(shù)、精密變焦凸輪設(shè)計(jì)技術(shù)、多層寬帶增透鍍膜技術(shù)、超低色散光學(xué)玻璃技術(shù)等高精密加工工藝，技術(shù)水平與日本電波、蔡司、三星、LG、夏普等國際廠商基本相當(dāng)。

二是擁有以同致電子、深圳豪恩、蘇州智華、歐菲光等為代表的模組廠商，可提供車載級(jí)安全要求的攝像頭模組產(chǎn)品。

三是擁有格科微、思比科等圖像傳感芯片處理企業(yè)，在 CMOS 圖像傳感上具備一定技術(shù)基礎(chǔ)，但在高像素演進(jìn)和單像素尺寸微縮方面與索尼、三星仍存在較大差距，高端產(chǎn)品仍存在嚴(yán)重技術(shù)依賴。

國際上主要由索尼、Delphi、霍尼韋爾、東芝、Mobileye等國際廠商供貨，國內(nèi)仍存在較大的提升空間。

多傳感器融合是主要方向

雖然說自動(dòng)駕駛在全球范圍內(nèi)已經(jīng)形成風(fēng)潮，并有望在2021年實(shí)現(xiàn)4級(jí)自動(dòng)駕駛，但是其想要真正走入現(xiàn)實(shí)也并非易事。從技術(shù)方面而言，目前自動(dòng)駕駛的痛點(diǎn)在于穩(wěn)定可靠的感知及認(rèn)知，包括清晰的視覺、優(yōu)質(zhì)的算法、多傳感器融合以及高效強(qiáng)大的運(yùn)算能力。其中，多傳感器融合是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的必然發(fā)展趨勢(shì)。

自動(dòng)駕駛汽車需要用到多種傳感器

具體而言，多傳感器融合就是將多個(gè)傳感器獲取的數(shù)據(jù)、信息集中在一起綜合分析以便更加準(zhǔn)確可靠地描述外界環(huán)境，從而提高系統(tǒng)決策的正確性。雖然在原理上看似簡單，但是在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中則顯得充滿挑戰(zhàn)。多傳感器融合，需要對(duì)每個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行快速處理，從而讓高速行駛的汽車及時(shí)進(jìn)行反饋動(dòng)作，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的交通情況。由此可見，多傳感器融合并不僅僅是硬件方面的協(xié)同配合，還包括決策層的算法和算力支持。

當(dāng)前，自動(dòng)駕駛環(huán)境感知技術(shù)路線主要包括視覺主導(dǎo)和激光雷達(dá)主導(dǎo)兩種方案：

一是以特斯拉為代表的「攝像頭 + 毫米波雷達(dá) + 超聲波雷達(dá)」多傳感器融合，Autopilot 2.0 硬件由 8 個(gè)攝像頭、1 個(gè)毫米波雷達(dá)和 12個(gè)超聲波雷達(dá)組成，但攝像頭受環(huán)境光照影響較大，目標(biāo)檢測(cè)較不可靠，優(yōu)勢(shì)是成本相對(duì)較低;

二是以 Google Waymo 為代表的「低成本激光雷達(dá) + 毫米波雷達(dá) + 超聲波傳感器 + 攝像頭」多傳感融合，激光雷達(dá)是主動(dòng)視覺，目標(biāo)檢察較為可靠，但缺少顏色和紋理信息且成本較高。

目前，沒有一種解決方案是完美的，每種組合解決方案都有妥協(xié)，即使這些妥協(xié)的規(guī)模或不同方向的意識(shí)程度不同。這些傳感器技術(shù)將以不同的方式在不同的車輛價(jià)格點(diǎn)組合，從而獲得更有效的解決方案。