無(wú)人駕駛傳感器分類

前幾天我們報(bào)道了百度Apollo把無(wú)人物流車(chē)開(kāi)進(jìn)武漢（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）醫(yī)院的消息。有網(wǎng)友評(píng)論說(shuō)這款車(chē)型值得推廣，也有網(wǎng)友問(wèn)無(wú)人駕駛車(chē)身上的圓柱形零件是什么?？吹竭@，我想起之前有網(wǎng)友在文章里問(wèn)過(guò)我相關(guān)問(wèn)題，尤其是不知道自動(dòng)駕駛車(chē)頂?shù)摹按蟾住笔钦l(shuí)。有鑒于此，我們將在這篇文章中為大家做一個(gè)科普，并談?wù)劅o(wú)人駕駛汽車(chē)上最重要的傳感器，整篇文章。

在本文中，您將看到:

1)無(wú)人傳感器的類型；

2)分鐘了解激光雷達(dá)的詳細(xì)分類；

3)寬腦洞的傳感器有哪些排列？

1.無(wú)人駕駛汽車(chē)如何“看見(jiàn)”周?chē)h(huán)境？

感知，你需要知道無(wú)人駕駛汽車(chē)會(huì)有哪些傳感器。無(wú)人車(chē)的外形看似各有特點(diǎn)，但本質(zhì)是通過(guò)一系列不同的傳感器作為眼睛和耳朵來(lái)觀察外界，而這些傳感器確實(shí)是無(wú)人駕駛研究的重要組成部分。

從感知類型來(lái)看，大致可以分為視覺(jué)類、感知類和定位類。

從近到遠(yuǎn)，它們分別是超聲波雷達(dá)-激光雷達(dá)-毫米波雷達(dá)，而在這些不同種類的雷達(dá)中，激光雷達(dá)顯然有著非常重要的地位。雖然毫米波雷達(dá)可以判斷更遠(yuǎn)的障礙物，但它顯然有很大的局限性，比如路標(biāo)、紅綠燈，或者貨車(chē)過(guò)馬路。毫米波雷達(dá)無(wú)法有效識(shí)別不同層面的物體。但是，激光雷達(dá)沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確獲取前方物體的三維位置信息，不受光線等環(huán)境因素影響。因此，激光雷達(dá)是高精度識(shí)別的必備產(chǎn)品。

這張地圖將與云中的高精度地圖匹配定位車(chē)輛，同時(shí)識(shí)別沿途的行人、車(chē)輛、車(chē)道線、車(chē)輛和環(huán)境，因此激光雷達(dá)在整個(gè)無(wú)人車(chē)的傳感器中發(fā)揮著重要作用。

這些不同的傳感器有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，科技公司在開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛汽車(chē)或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)使用各種傳感器的組合，最終的顯示形式就是我們現(xiàn)在在電視上看到的。

第二，最昂貴的傳感器——激光雷達(dá)

在我們面前，我們已經(jīng)概述了無(wú)人駕駛車(chē)輛的基本傳感器組件。讓我們來(lái)看看這些傳感器中最重要、最昂貴的部分:激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)可以根據(jù)不同的功能進(jìn)行分類。目前主要是根據(jù)汽車(chē)領(lǐng)域有無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)分類。一般有帶旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。

1)機(jī)械激光雷達(dá)，成本高，輸出有限

機(jī)械式激光雷達(dá)由光電二極管、MEMS發(fā)射鏡、激光發(fā)射器和接收器等組成。所謂“機(jī)械式”是指可以360°旋轉(zhuǎn)并控制發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。

但是，機(jī)械式激光雷達(dá)的缺點(diǎn)也很明顯:首先，機(jī)械式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)精度和可靠性要求很高，硬件內(nèi)部的每一條線都是由一對(duì)激光發(fā)射器和接收器組成。為了保證精確測(cè)距，需要保證發(fā)射的激光剛好在完成100-200米的距離后，能夠被一對(duì)接收器接收到，這就給產(chǎn)品帶來(lái)了難度；目前訂單量少，激光雷達(dá)全部手工制作，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊需要精密的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)裝配，復(fù)雜、工作量大，難以大批量生產(chǎn)。

固態(tài)激光雷達(dá)呈崛起之勢(shì)

2)固態(tài)激光雷達(dá)強(qiáng)勢(shì)崛起

固態(tài)激光雷達(dá)和機(jī)械式最大的區(qū)別就是取消了機(jī)械相關(guān)的機(jī)構(gòu)，自然形狀會(huì)變小，對(duì)于量產(chǎn)意義重大。此外，固態(tài)激光雷達(dá)的掃描結(jié)構(gòu)被小型化，并且與機(jī)械型相比，其穩(wěn)定性被提高。成本方面，以美國(guó)著名公司Quanergy為例。他家的固態(tài)激光雷達(dá)S3目前售價(jià)約250美元，但訂單量超過(guò)1萬(wàn)臺(tái)就可以降到100美元以下。這是機(jī)械激光雷達(dá)無(wú)法比擬的價(jià)格。

三叉固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械激光雷達(dá)的技術(shù)路線比較簡(jiǎn)單，但固態(tài)激光雷達(dá)就不一樣了。我整理了三條市面上常見(jiàn)的技術(shù)路線，供大家了解。

○相控陣固態(tài)激光雷達(dá)

說(shuō)到相控陣?yán)走_(dá)，喜歡軍事的朋友一定很熟悉。比如前段時(shí)間下水的055驅(qū)逐艦就使用了相控陣?yán)走_(dá)，綽號(hào)“飛電”的F35也使用了相控陣?yán)走_(dá)。

優(yōu)點(diǎn):相控陣固態(tài)激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)明顯，主要包括三點(diǎn)。第一，掃描速度快，這也是繼承軍事應(yīng)用的特點(diǎn)，開(kāi)機(jī)后可以立即使用。二是掃描的指向精度極高，目前可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位的精度。第三，光束容易控制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，你可以掃描任何你想要的區(qū)域，只需要通過(guò)電信號(hào)控制光源。

缺點(diǎn):該技術(shù)路線雷達(dá)最大的問(wèn)題是加工難度太高。同時(shí)，相控陣激光雷達(dá)對(duì)材料的要求也很高。研制耐激光的電光材料比較困難，相應(yīng)的成本也會(huì)比較高。這些問(wèn)題目前限制了相控陣激光雷達(dá)的發(fā)展。

○3閃光固態(tài)激光雷達(dá)

3Dflash固態(tài)激光雷達(dá)是一種非掃描雷達(dá)，可以在短時(shí)間內(nèi)直接發(fā)射出覆蓋探測(cè)區(qū)域的大塊激光，然后用高靈敏度的接收器完成周?chē)鷪D像的繪制，聚焦在二維或三維圖像上。

優(yōu)點(diǎn):這種類型的激光雷達(dá)具有良好的穩(wěn)定性和成本優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn):探測(cè)距離短是其主要缺點(diǎn)之一，技術(shù)成熟度不高。

○微機(jī)電系統(tǒng)固態(tài)激光雷達(dá)

上面我已經(jīng)給大家介紹過(guò)MEMS了。我們說(shuō)它是機(jī)械激光雷達(dá)的一個(gè)組成部分，但其實(shí)固態(tài)激光雷達(dá)中也有這個(gè)技術(shù)路線，這也是很多網(wǎng)友經(jīng)?；煜牡胤健＿@種雷達(dá)可以看作是機(jī)械激光雷達(dá)的進(jìn)化。

優(yōu)點(diǎn):MEMS固態(tài)激光雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于取消了旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了雷達(dá)的成本。從大規(guī)模生產(chǎn)的角度來(lái)看，其組件成熟，易于大規(guī)模生產(chǎn)。

缺點(diǎn):目前缺點(diǎn)還在技術(shù)難度上，對(duì)MEMS微振鏡的透徹理解還是非常困難的。

以上三種是目前固態(tài)激光雷達(dá)的主要類別，除此之外，還有一些目前看似神秘或小眾的技術(shù)，比如Cepton的MMT微動(dòng)技術(shù)。

這種類型的激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)是“小”。有多小？這種形式的激光雷達(dá)可以集成到車(chē)燈中，而Cepton也透露，這種雷達(dá)的內(nèi)部元器件目前都是市場(chǎng)上量產(chǎn)的產(chǎn)品，所以成本較低。

以上內(nèi)容是現(xiàn)階段所有類型的激光雷達(dá)。根據(jù)專業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，目前固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)展迅速，2021年將達(dá)到量產(chǎn)，但技術(shù)路線格局仍不明朗。當(dāng)然，雖然激光雷達(dá)的路線還處于百家爭(zhēng)鳴的局面，但已經(jīng)有了一些實(shí)際的量產(chǎn)應(yīng)用。例如，大陸首款激光雷達(dá)SRL1于2021年用于沃爾沃的City Safety主動(dòng)安全系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了AEB功能，但水平較低。

法雷奧是真正意義上的激光雷達(dá)制造商。法雷奧的激光雷達(dá)與Ibeo合作，2010年研發(fā)了4線激光雷達(dá)，2021年正式實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2021年上市的奧迪A8（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）成為首款搭載量產(chǎn)4線激光雷達(dá)的車(chē)型。

第三，和大蘑菇站在一起太難看了。未來(lái)會(huì)有哪些傳感器布局方案？

解決了激光雷達(dá)的問(wèn)題后，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的基本傳感器布置是通過(guò)將其他傳感器布置成一個(gè)圓圈來(lái)完成的，但這種看起來(lái)像科幻小說(shuō)的汽車(chē)在工程師眼中并不完美。

目前看來(lái)各大廠商的思路都是想盡一切辦法將這些暴露的傳感器隱藏起來(lái)。有兩種常見(jiàn)的方法。

1)屋頂布局

首先是屋頂布局，但這里的屋頂并不是指向外凸出，而是集成在屋頂上。這個(gè)方案是由偉巴斯特提出的。偉巴斯特認(rèn)為車(chē)頂是自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器布置的最佳位置。對(duì)于沒(méi)有天窗的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，在制造過(guò)程中提前增加傳感器必然是可行的方案，但對(duì)于未來(lái)的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，幾乎不可能有天窗，因此天窗與傳感器的集成勢(shì)在必行。

傳感器的定位和全天候穩(wěn)定工作對(duì)感知環(huán)境非常重要。因此為了應(yīng)對(duì)惡劣天氣對(duì)傳感器的干擾，還增加了偉巴斯特最新的高壓水清洗系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。

2)前后布局

前布局是目前比較常見(jiàn)的方法，比如奧迪A8和奧迪A6的激光雷達(dá)隱藏在前格柵，這也是未來(lái)的一種布局方式，但是隨著激光雷達(dá)的小型化，現(xiàn)在有了大燈內(nèi)部布局的方案。

這個(gè)方案來(lái)自上面提到的Cepton。在他們的設(shè)計(jì)中，一輛汽車(chē)將配備四個(gè)激光雷達(dá)，兩個(gè)在前，兩個(gè)在后。

目前，日本最大的汽車(chē)大燈制造商Koito Automotive已經(jīng)確定了將Cepton的激光雷達(dá)集成到LED大燈中的計(jì)劃，未來(lái)似乎很可能會(huì)出現(xiàn)在雷克薩斯品牌上。

四.摘要

近三年全球?qū)す饫走_(dá)的投資已超過(guò)10億美元，其投資公司多為供應(yīng)商，如法雷奧、博世、中國(guó)等老牌企業(yè)。他們通常收購(gòu)初創(chuàng)公司或進(jìn)行固定投資，或合作開(kāi)發(fā)并牢牢掌握激光雷達(dá)的核心技術(shù)。

全球領(lǐng)先的谷歌Waymo也非常重視自主研發(fā)的激光雷達(dá)。雖然威力登被用作測(cè)試車(chē)的傳感器，但它仍在開(kāi)發(fā)自己的雷達(dá)。2021年，研制了三種激光雷達(dá)。

國(guó)內(nèi)廠商在激光雷達(dá)領(lǐng)域正在快速追趕，并沒(méi)有落后太多。何塞科技、麗笙智能、華大杰克等廠商在各類激光雷達(dá)上都有自己的產(chǎn)品。主要限制在芯片領(lǐng)域。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心芯片還比較薄弱，飛信科技等廠商在這方面投入較多。

最后，我們來(lái)看看應(yīng)用前景。目前，激光雷達(dá)的成本仍然很高，尤其是機(jī)械激光雷達(dá)。目前整體市場(chǎng)規(guī)模不大，高成本使得其市場(chǎng)滲透率較低。幸運(yùn)的是，各大汽車(chē)公司和供應(yīng)商都加大了對(duì)激光雷達(dá)的投資，而外部資本對(duì)這一領(lǐng)域仍然非常感興趣。根據(jù)威力登的預(yù)測(cè)，未來(lái)激光雷達(dá)市場(chǎng)將每年翻一番，IHS預(yù)測(cè)2025年全球車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模為25億美元。另一方面，國(guó)內(nèi)廠商也在加快研發(fā)步伐。當(dāng)中國(guó)市場(chǎng)變得更加活躍，依托龐大的市場(chǎng)，有望降低激光雷達(dá)的整體成本。