自動駕駛傳感器技術(shù)出新 激光雷達(dá)能否被取代？

特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克在公司的自動駕駛開放日上炮轟了激光雷達(dá)作為自動駕駛汽車傳感器的技術(shù)局限：“這是一項價格極其昂貴，且毫無用處的技術(shù)?！痹撗哉撘怀?，業(yè)界嘩然，毫米波雷達(dá)、視覺系統(tǒng)(攝像頭)和激光雷達(dá)這三大自動駕駛傳感器的江湖地位要被改寫?

自動駕駛需多傳感器融合應(yīng)用

一臺自動駕駛汽車的安全行駛，需要完成三個必須而關(guān)鍵的步驟：首先是感知階段，即獲取和收集外界環(huán)境和車輛自身的工況信息;然后，進(jìn)入決策階段，發(fā)出行駛指令，主要依賴各種控制芯片的云端算法;最后是執(zhí)行階段，將前端決策完畢的車輛信號“付諸行動”?？梢?，感知階段是自動駕駛汽車安全行駛的初步保障，猶如汽車的“眼睛和耳朵”。

由于道路環(huán)境和車輛行駛的工況復(fù)雜多變，單一功能的傳感器無法滿足駕駛過程中實(shí)時變更的車輛信息。安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場及應(yīng)用工程副總裁易繼輝表示，傳感器融合(包括視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá))和傳感器的深度感知是自動駕駛汽車感知系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

視覺系統(tǒng)(攝像頭)可以通過豐富的成像信息進(jìn)行各類識別運(yùn)算，比如車道、行人和物體，還有停車場的橫桿以及交通標(biāo)識等，但在遠(yuǎn)距離成像及速度測定方面適應(yīng)性不足。毫米波雷達(dá)是通過發(fā)射毫米范圍的電磁波來確定障礙物的距離、速度和角度，免受雨雪、塵、霧等惡劣環(huán)境影響。由于受制于波長和尺寸的限制，毫米波雷達(dá)分辨率過低，且對于靜止的物體和運(yùn)動的非金屬物體都不太敏感。激光雷達(dá)探測精度在三者中最高，可達(dá)到毫米級。它具有雷達(dá)的測距能力，探測精度和分辨率又高于雷達(dá)，具有攝像頭的感知能力，又可以不受光線條件的限制。而缺點(diǎn)是成本高昂，且容易受到極端氣候及煙霧粉塵的影響。

激光雷達(dá)能否被取代?

近年來，激光雷達(dá)成為業(yè)界備受爭議的焦點(diǎn)。由于其高精度、高分辨率和高穩(wěn)定性，幾乎所有自動駕駛汽車廠商在過去幾年間都無法回避激光雷達(dá)，這使得激光雷達(dá)幾乎壟斷了傳感器市場，器件價格居高不下。因此，部分企業(yè)選擇降低激光雷達(dá)的成本以實(shí)現(xiàn)盈利。谷歌自動駕駛公司W(wǎng)aymo獨(dú)立之后做的第一件事，就是努力降低激光雷達(dá)的成本，從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的7.5萬美元降低90%。然而，盲目降低成本也會帶來很多問題。據(jù)了解，有的企業(yè)為了降低整車價格，采用了更便宜的固態(tài)激光雷達(dá)，結(jié)果帶來了新的問題。該雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)360度轉(zhuǎn)動，難以探測背后的情況，要輔助安全駕駛還需引入新的傳感器，在經(jīng)濟(jì)效益上并不可行。

為減少激光雷達(dá)部分的成本支出，以特斯拉為代表的一些汽車企業(yè)干脆將激光雷達(dá)拉進(jìn)黑名單，開發(fā)出其他技術(shù)路線。記者從特斯拉官網(wǎng)了解到，一輛特斯拉的標(biāo)配共有8個攝像頭、1個77GHz的毫米波雷達(dá)和12個超聲波雷達(dá)。賽迪顧問汽車產(chǎn)業(yè)研究中心總經(jīng)理鹿文亮表示，雖然特斯拉汽車的配置列表中未見激光雷達(dá)的身影，但特斯拉會努力將其他傳感器做得好一些，同時要配合算力較為強(qiáng)大的后端傳感芯片和處理芯片。

由此可見，馬斯克的“激光雷達(dá)傻瓜論”出現(xiàn)在當(dāng)下這個時間節(jié)點(diǎn)并非偶然，傳感器的確到了該重新思考方向的時候了。北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司汽車?yán)走_(dá)事業(yè)部總經(jīng)理金燁在接受《中國電子報》記者采訪中表示，降低激光雷達(dá)的成本還需要時間。在研究機(jī)構(gòu)中，激光雷達(dá)短期內(nèi)還會是主要的環(huán)境感知傳感器。然而，對應(yīng)于以經(jīng)營為目的的企業(yè)，避開激光雷達(dá)而選擇其他技術(shù)路線將成為趨勢。

鹿文亮表示，未來的自動駕駛汽車傳感器有三條路可走：一是將傳感器端(視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等)性能做強(qiáng)，相應(yīng)降低決策端的算力要求;二是用外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對自動駕駛的統(tǒng)籌控制，未來，5G網(wǎng)絡(luò)將為車聯(lián)網(wǎng)提供更強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)，但短時間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn);三是徹底回避激光雷達(dá)，將攝像頭、毫米波和超聲波雷達(dá)等其他傳感器融合應(yīng)用，前端傳感器探測精度不足等問題，將由決策端算力更強(qiáng)的芯片來彌補(bǔ)。

金燁表示，如果未來激光雷達(dá)成本可以下降到千元數(shù)量級以下，那么它成為無人駕駛核心傳感器的可能性就會大大增加。然而，降低激光雷達(dá)成本成為最大挑戰(zhàn)。特斯拉似乎早已徹底放棄使用激光雷達(dá)，試圖通過多攝像頭方案采集數(shù)據(jù)，再借助還原實(shí)際環(huán)境的模擬器來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過智能視覺實(shí)現(xiàn)車輛對交通道路狀況的“認(rèn)知”，只是可靠程度難以下定論。

提升傳感器性能是發(fā)展自動駕駛必經(jīng)之路

無論自動駕駛傳感器技術(shù)走上哪條路，提升視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等器件性能都是“基本功”。首先，先進(jìn)、智能的視覺系統(tǒng)是保障自動駕駛汽車安全行駛的核心部件，提升視覺系統(tǒng)的可靠性尤為重要。易繼輝表示，自動駕駛對視覺類傳感器的智能化(像素、理解和判斷能力)提出更高要求。

特斯拉自豪于其自動駕駛機(jī)制，很大程度上是由于視覺器件玩得不錯。據(jù)了解，其視覺器件總共有8個魚眼、正常和長焦攝像頭：包括應(yīng)用于汽車后部的倒車攝像頭、前方的三目攝像頭和兩側(cè)各兩個的側(cè)視攝像頭，側(cè)前視和側(cè)后視相互重疊可避免產(chǎn)生視覺盲區(qū)，基本可以保障Tesla的L3級別的變道、合流、出高速等功能。

九三學(xué)社中央科技委副主任、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長郭源生表示，目前攝像頭在動態(tài)范圍和近紅外靈敏度等指標(biāo)方面，還有很大的提升空間，單車需要更多性能更佳的攝像頭。金燁表示，多目立體攝像頭是未來傳感器視覺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它有望融合激光雷達(dá)和攝像頭的優(yōu)勢，既具有激光雷達(dá)的高密度距離點(diǎn)云直接提取障礙物并精準(zhǔn)測距的特點(diǎn)，又具備了視覺識別與機(jī)器學(xué)習(xí)的能力。

其次，更多的信號處理算法和新制雷達(dá)技術(shù)將被移植到毫米波雷達(dá)的開發(fā)中，提供更加靈敏的探測障礙的感知系統(tǒng)。郭源生表示，近年來，汽車中應(yīng)用的毫米波雷達(dá)模組包含了多個基于不同工藝的芯片，是相對比較笨拙的系統(tǒng)，且成本價格較高。為了追求更小尺寸和更低成本，各國正在致力于研發(fā)多功能元器件整合與集成、標(biāo)準(zhǔn)化通用的雷達(dá)芯片組。

易繼輝表示，SPAD技術(shù)(單一光電雪崩二極管)將與毫米波雷達(dá)結(jié)合，有望幫助毫米波雷達(dá)大幅度提升感光倍數(shù)。在此基礎(chǔ)上，金燁還表示，毫米波雷達(dá)的未來發(fā)展方向?qū)⑹情_發(fā)點(diǎn)云雷達(dá)，以低廉價格獲得高分辨點(diǎn)云成像能力，逐漸取代激光雷達(dá)，開發(fā)更多的應(yīng)用場景。

最后，若將激光雷達(dá)的精準(zhǔn)探測能力、高分辨率等性能進(jìn)一步提升，甚至與其他傳感器件的功能進(jìn)一步結(jié)合，激光雷達(dá)有望挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的自動駕駛環(huán)境以及其他更具挑戰(zhàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。易繼輝表示，圖像傳感技術(shù)可助力激光雷達(dá)的開發(fā)。據(jù)悉，上海理工大學(xué)的研究人員近日研發(fā)出一種基于激光雷達(dá)的新型感知系統(tǒng)，能夠在煙霧彌漫的城市環(huán)境中拍攝45公里(28英里)以外的物體。該技術(shù)使用單光子偵測器，結(jié)合獨(dú)特算法，將最稀疏的數(shù)據(jù)點(diǎn)“編織”在一起，生成超高分辨率的圖像。新的激光雷達(dá)視覺技術(shù)明顯提升了衍射的極限能力，有望為超遠(yuǎn)距離內(nèi)的高分辨率、快速、低功耗的3D光學(xué)成像開辟新領(lǐng)域。

此外，激光雷達(dá)還亟須解決器件成本過高的問題。易繼輝表示，業(yè)界已研發(fā)出可以替代傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)材料的新型硅片技術(shù)，新技術(shù)可大幅降低激光雷達(dá)的器件成本，有望將其成本控制在幾百美元之內(nèi)。