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想让自动驾驶汽车大规模普及?固态激光雷达是关键 | 2018全球智能驾驶峰会

本文作者:大壮旅 2018-09-20 09:21 专题:2018 全球智能驾驶峰会
导语:三种固态激光雷达,哪个才是自动驾驶汽车的“Mr.Right”?

想让自动驾驶汽车大规模普及?固态激光雷达是关键 | 2018全球智能驾驶峰会

雷锋网按:与其他技术一样,自动驾驶技术最早也是美国军方的自留地。初期的自动驾驶军用卡车车顶就像安装着几个不断旋转的“咖啡罐”。卡耐基梅隆大学设计的自动驾驶悍马更是像头顶一个巨型的“乒乓球”。

要说脱离现有设计框架的产品,还得提起已经退役的谷歌“萤火虫”测试车,它造型憨态可掬,头顶一个看起来像警笛的传感器。如果你不了解它,恐怕会觉得这是世界上最可爱的警车。

虽然车顶佩戴的“装饰品”形态各异,但上述提到的三个例子都殊途同归,因为无论是咖啡罐、乒乓球还是警笛,其实都是激光雷达。

激光雷达会向四周发射激光,每秒生成 30 万个数据点,如果没有它,自动驾驶汽车如同一个盲人。

从现在的情况来看,自动驾驶汽车可谓是“成也激光雷达,败也激光雷达”。虽然激光雷达是自动驾驶汽车的“眼睛”,但单个售价却高达 7.5 万美元,比车的价格都贵。而且别忘了,这个传感器只是自动驾驶这盘大餐中的其中一个“调料”罢了。

不过,这样的尴尬局面正在被一点点打破,固态激光雷达开始站上历史舞台。据雷锋网新智驾了解,固态激光雷达取消了移动部件,价格大幅下降,而且还能让自动驾驶汽车“视力”提高。也就是说,固态激光雷达正在为第一批买得起的自动驾驶汽车的而用户趟出一条路。

接下来,我们就对固态激光雷达进行一次深度的追根溯源。

激光雷达的工作原理

激光雷达这个词其实是“light”(光)和“radar”(雷达)两个词组成的,也就是说它也是雷达的一种,不过工作时靠的不是电波,而是激光。

雷达主要接收物体表面反射回来的无线电波脉冲,以决定物体和自己的相对方位(靠电波脉冲的返回时间)。激光雷达的工作原理与雷达大致相似,不过接收的却是激光脉冲。

只要向周边发射出足够的激光,就能得出周围世界的三维“点云”图像。对人来说,三维“点云”图像看起来像是艺术创作,但对自动驾驶汽车来说,它是自动驾驶汽车了解周围世界的可靠线索。

正如行业内大部分人的看法:“想搭建一个自动驾驶系统,摄像头、雷达和激光雷达一个都不能少。”虽然自动驾驶汽车搭载了激光雷达、毫米波雷达和摄像头等传感器,但定位这个关键功能主要还是靠激光雷达:车辆不仅要识别出自己在地图上的位置,而且精确度还必须非常高。

说起定位,一般人会第一个想到 GPS。但在精度上,GPS 并不如激光雷达。前者的精度只能控制在直径为 4.8 米的圆内,而激光雷达能将精度控制在 10 厘米内。

眼下,除了特斯拉 CEO Elon Musk,几乎所有行业内的专家都相信,激光雷达是实现 Level 4/5 自动驾驶的必要条件。

虽然现在的激光雷达售价昂贵,但与其他技术一样,“时间是最好的砍价机器”。但一个必须面临的现实问题是:如果继续使用老式的机械激光雷达,这句话并不能成为真理,毕竟各种活动和旋转部件的设计让此类产品很难大幅降价,体积和性能更是无法满足市场要求。

还好,研究人员找到了固态激光雷达解决方案,自动驾驶汽车的未来再次变得一片光明。

欢迎来到固态激光雷达时代

固态电子学的诞生已经改变了我们的生活方式,从看时间到听音乐都有它的影响。

如果要打个比方,可以想想十几年前的 CD 机,进入固态时代后,我们听歌都换成了手机。虽然听音乐这个动作没有变,但现在的手机放在振动器上也能放音乐,而 CD 机恐怕不行,这就是固态存储的功劳,激光雷达也正在朝这个方向前进。

传统的机械激光雷达就像老式 CD 机,它们体积巨大而且价格昂贵,固态激光雷达则能完美解决机械激光雷达的两大问题。

不过,激光雷达的固态化可不是说说那么容易,如何在不移动镜头或反光镜的情况下让激光散射出去?如何将激光雷达做成固态?还好,工程师们想出了许多有效的办法。

第一种叫做 Flash LiDAR。只要有光源,就能用脉冲一次覆盖整个视场。随后再用飞行时间(ToF)方法接收相关数据并绘制出激光雷达周围的图像。简单来说,这就是一个能看到距离却识别不了色彩的相机。

不过,这种方案在操作中会遇到一些小障碍。

首先,要想看得够远,激光器的功率就得足够大,这就意味着价格上涨。其次,激光的功率必须有所控制,否则会伤害人类的视网膜,而功率不够探测距离就上不去。

当然,伤害视网膜的问题并非无法解决,用人眼不可见的特殊波段就行。但这样的解决方案还是会引起产品成本上涨,因为廉价的硅成像仪捕捉不到这种较为安全的频谱。想达成设计效果就得换砷化镓成像仪,整套系统下来恐怕得要 20 万美元。

还好,Flash LiDAR 并非固激光雷达的唯一解决方案。业内还出现了另一种方案,即 MEMS(微电子机械系统)技术。

顾名思义,MEMS 系统中也有活动部件,因此它只能算半固态激光雷达。不过,它也身材小巧,而且在技术上相对传统机械激光雷达有了较大进步。

其结构相当简单,只要一束激光和一块反光镜。具体来说,激光射向这块类似陀螺一样旋转的反光镜就行,反光镜通过转动,可以实现对激光方向的控制。

当然,这个难度在于,如何保证整套系统实现完美协同。因为旋转的反光镜可能会受到冲击和振动的影响,而这在汽车上几乎是家常便饭。

想让自动驾驶汽车大规模普及?固态激光雷达是关键 | 2018全球智能驾驶峰会

有业内人士指出,“MEMS 反光镜可能会出现漂移失准。当气温发生较大变化时,整套系统就需要进行二次校准,实在是太麻烦。如果反光镜卡住,就更麻烦了。”

此外,太阳光可能也会影响其工作效果。如果面向太阳,太阳光会反射进激光雷达,让探测器进入饱和状态,车辆就拿不到其他数据。

相控阵登场

在上世纪 90 年代拿到光电学博士后,Quanergy 的创始人兼 CEO Louay Eldada 就在潜心破解这个问题,并在固态激光雷达行业扮演领航者的角色。

Eldada 是哥伦比亚大学电子工程专业博士,专攻低成本、高精度激光雷达方向,创立 Quanergy 之前卖掉过 3 家创业公司。

Quanegy 成立于 2012 年。创立至今,共计拿到 1.6 亿美金融资,估值一度超过 15 亿美金,成为名副其实的激光雷达独角兽。尽管 OPA 在业内有诸多争议,但不可否认的是,Quanergy 是第一个敢于吃螃蟹的激光雷达公司。

Quanergy 的竞争力和创新性来自三方面:激光相控阵(Optical Phased Array)、光学集成电路(Photonic IC)和远场辐射(Far Field Radiation Pattern)。其中激光相控阵是实现「固态」的重要技术。与传统机械扫描技术相比,激光相控阵扫描技术有扫描速度快、精度高、可能性好的优势。

Eldada 和自己的团队决定向雷达取经,毕竟它也算是激光雷达的“近亲”。

结果显示,曾经的雷达也像激光雷达一样旋转,直到研发人员发明了相控阵技术。利用独立天线同步形成的微阵列,相控阵可以向任何方向发送无线电波,完全省略了“旋转”这一步骤——只需控制每个天线发送信号间的时机或阵列,工程师就能控制信号射向特定位置。

早在上世纪 50 年代,相控阵技术就被用在雷达中(现在最先进的战斗机就在使用相控阵雷达),不过如何将这项技术用在激光雷达中却是 Eldada 团队最近才弄明白的。

“我们有大量的(100 万个)光学天线原件。”Eldada 解释。“它们可以基于各自间的相位关系形成一幅辐射方向图,其尺寸和指向都是固定的。”

通过对这 100 万个独立发射器进行精确控制,Quanergy 只用硅就能操纵光。“干涉效应决定了光的走向,而在机械式激光雷达上,镜头或反光镜是决定项。”Eldada 解释。

这种解决方案下,所有的机械激光雷达中的光学和机械结构都消失不见,只需要芯片就够了。眼下,Quanergy 的激光雷达会搭载多块芯片,售价已经降至 900 美元。不过,未来版本只需一块芯片就能工作,售价也会跌至 100 美元以下。

固态化带来的好处并不只是售价的降低。

“固态激光雷达的应用还能让用户根据需求修改镜头的形状以完成特定的变焦任务。这种能力可让车辆实现跳跃式观察,在驾驶员意识不到的情况下对场景进行识别,决定路上哪些物体值得详细分析。”Eldada 解释。

固态设备的使用寿命也是一大优势。

传统的机械激光雷达的故障间隔时间在 1000 至 2000 小时左右,固激光雷达寿命就要长得多,Quanergy 称自家产品用 10 万小时没有问题。

那么,三种固态激光雷达,到底哪个才是自动驾驶汽车的“Mr.Right”?

由于一时无法判断这三种激光雷达到底谁更有前途,安波福干脆直接投资上述三种激光雷达方案:Quanergy、Leddartech 和 Innoviz。

三种激光雷达在视场、分辨率和探测距离上都有不同的权衡。因此,最终选择哪款激光雷达还要看它的安装位置和车辆对不同性能指标的需求。

举例来说,安装在侧面的激光雷达可能不需要特别出色的探测距离,Tier 1 和 OEM 希望通过不同激光雷达组合实现成本和效能的最佳平衡。

想买自动驾驶汽车还得等多久?

1999 年时,捷豹推出了首款搭载巡航控制功能的车型——捷豹 XK。当时这款双门轿跑售价高达 10 万美元。负责实现该功能的雷达售价相当昂贵,有人甚至打趣的表示“这是买雷达送车”。

现在,购买一辆 18000 美元的卡罗拉就能用上这一功能。由此可以看到,激光雷达的学习曲线与当年的雷达类似。在固态激光雷达技术完全成熟并进入大众市场前,自动驾驶汽车必然是富人的玩物。

想让自动驾驶汽车大规模普及?固态激光雷达是关键 | 2018全球智能驾驶峰会

【图片来源:technologyx

Quanergy 900美元的固态激光雷达就是自动驾驶大众化的重要推手,而 2019 年上市的 Fisker Emotion 将成为首款搭载该传感器的车型,而且一装就是 5 台。

由于体型小巧,Quanergy 的激光雷达可以直接安装在车辆的进气口里,并用镀铬装饰进行遮挡,完全不影响美观,比原来顶着大锅满街跑的测试车好多了。

Eldada 相信,如果美国制造商愿意,我们最早 2020 年就能见到 Level 4 自动驾驶汽车上路。“2021、2022 年其他厂商也会跟进。2023 年,多数汽车厂商都会拿出自己的自动驾驶汽车。”

由于 Fisker 定价高达 13 万美元,因此其角色就像当年的 XK,一台昂贵的高科技先驱。最终,搭载固态 激光雷达的自动驾驶汽车会飞入寻常百姓家,它不再是奔驰 S 级或宝马 7 系的专属,也就是说卡罗拉未来也会有自动驾驶功能。

另外,汽车只是固态激光雷达的首个“宿主”。“你会在其他设备上见到它的身影,比如可穿戴设备、消防员或士兵的头盔等,固态激光雷达的应用范围几乎是无限的。”Eldada 信心满满地表示。

想让自动驾驶汽车大规模普及?固态激光雷达是关键 | 2018全球智能驾驶峰会

2018 年 10 月 26 日 到 10 月 27 日,由苏州高铁新城管理委员会主办,雷锋网(公众号:雷锋网)&新智驾(微信公众号:AI-Drive)、数域承办、上海交通工程学会协办的全球智能驾驶峰会将在苏州相城举行。

Louay Eldada 博士将在本次峰会进行演讲,分享关于固态激光雷达更多技术突破以及 Quanergy 产品的最新进展。此外,我们还邀请了滨松光子、安森美、Innoviz 等激光雷达上下游公司,共同探讨激光雷达的技术趋势。

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