这一场热闹的固态Lidar秀,还需要多一点实操的内容

  • 2018/01/25
  • 车云网

舞台很热闹,但是曲目都太熟悉。而在硬件缓慢发展的情况,部分公司开始通过软件算法来增强竞争力。

作为自动驾驶中的关键传感器,激光雷达最让人关心的问题是车规化与低成本。这两个问题决定了激光雷达能否大规模量产,应用到可落地的自动驾驶方案之中。

今年CES是激光雷达厂商大爆发的一年,可以说几乎每家参展的公司都展出了瞄准市场化的产品,技术方案也是百家争鸣。如果要用一句话总结,就是机械方案的新产品几乎销声匿迹,一大批混合固态方案样机亮相,有的已经开始展示实战能力,纯固态的Flash与OPA产品鲜有技术展示,但也公布了新的合作关系或量产时间。

最受欢迎的混合固态方案

混合固态依然是最受欢迎的一种方案,以MEMS为主要代表。

激光雷达的本质是利用ToF原理,通过发射激光来进行物体的探测,要想探测到车辆周围足够多的数据信息,就需要激光能够对应地扫描到这些位置。机械式激光雷达通过旋转来达到这个目的,但是动部件在可靠性、寿命、对振动的适应等方面都存在或多或少的问题,因而考虑到最终的车规级量产,难以实现。

这也是固态激光雷达在今年会爆发的原因:随着自动驾驶技术的应用推进,L4以上级别的自动驾驶的市场化也开始倒计时,此时发布的激光雷达产品,如果量产顺利,则基本都能赶上第一波量产时间。

先锋MEMS激光雷达样品先锋MEMS激光雷达样品

MEMS通过可以上下左右震颤的振镜来调整激光发射的角度,从而可以实现单线激光发射器的2维的扫描效果。这个方案从技术上较容易实现,相对于其他技术路线成本低廉可控,因而被主机厂看好,这是MEMS受欢迎的原因。

但是微颤镜依然属于动部件,MEMS激光雷达面临的问题首先在于如何让微颤镜的高频振动可控,其次则在于如何达到车规级。目前较为成熟的方案是4*4mm的振镜,大多数MEMS激光雷达都是使用这款产品。一方面精细的动部件在可靠性与寿命上要达到车规要求,难以适用不同的温度与振动环境;另一方面要想增强效果,需要更大的振镜,但是振镜越大,越偏向于机械属性而非半导体属性。

不过,这次车云菌深度接触的两家混合固态方案的公司,都提到自身产品与MEMS有所不同。

1.Velodyne

Velodyne在这次CES上正式展出了自家的混合固态产品Velarray。关于Velarray,此前车云菌有过简单的介绍,详情点击这里

Velarray.jpg

关于Velarray,其实这次Velodyne并没有透露太多。在参数方面,Velarray的最远探测距离200米,角分辨率能够达到0.1度。预计在今年6月份可以达到交付状态,到年底之前会开始小批量提供给客户装机测试。

关于Velarray采用的技术路线,Velodyne并没有透露,只是提到目前Velarray内部依然会有动部件,但是并没有轴承与反射部件,类似于MEMS但又与MEMS不同。根据此前公布的消息,Velarray将会是一个产品系列,未来的量产成本预计将会低于500美元。

2.Innovusion

与Velodyne类似,Innovusion也并没有在技术路线上公布太多细节,仅提到内部还存在运动部件,是一款固态激光雷达。去年,车云菌曾专访Innovusion CEO鲍君威与CTO李义民,关于研发思路与产品化方案,这里有详细介绍。

Innovusion激光雷达Innovusion激光雷达

在这次CES上,Innovusion更多是展示这款激光雷达的测试效果,也是难得进行实际路测的激光雷达厂商。据称第一代产品量产单价可以控制在一两千美元。

Innovusion的独特之处在于会将激光雷达与摄像头进行融合,与Aeye的iDar思路有些类似。目前Innovusion的主要工作在于产品的小型化,并根据客户需求进行性能上的优化。

安装在测试车后备箱的计算单元安装在测试车后备箱的计算单元

从当前的产品形态来看,距离量产还有一段距离。目前样机中只能输出激光点云数据,数据的计算以及传感器的融合都是在后备箱的计算单元中完成。据介绍,Innovusion今年4月会推出第一代第三版产品,并开始向客户提供样品,在美国开始生产,到8月份,开始生产第二代产品,届时摄像头硬件也会融合到激光雷达中。

Flash与OPA各有进展

而另外两条路线,Flash与OPA,今年也有所进展。

1.大陆

大陆在这次CES上展出了将会在2021年开始量产的Flash激光雷达产品。在2016年,大陆收购了一家初创企业ASC旗下的激光雷达事业部,将其激光雷达事业部人员编入了大陆的底盘与安全事业部下的ADAS业务单元中。在去年的CES上,大陆就有展示3D Flash的激光雷达产品。

Flash的方案与MEMS和机械激光雷达都不同,不是通过扫描的方式进行探测,而是类似于摄像头的原理,直接向探测区域发射出一片激光(而非单个光束),然后再通过高灵敏度的接收器接收激光,进而得到周围的点云图像。

根据今年大陆工作人员的介绍,其激光雷达产品被称为HFL,使用1064nm波长的激光,计划在2020年开始量产。

大陆3D Flash激光雷达HFL110 B Sample大陆3D Flash激光雷达HFL110 B Sample

HFL目前有两个不同的产品,其差异在于分辨率不同。其中HFL1系列分辨率是128×32,检测范围为120°x30°,最远检测距离50米,在20米位置处可以检测到低反射率(10%)的物体;HFL2系列分辨率192×64,目前有两款,一款检测范围60°x30°,最远检测距离100米,在40米位置处可以检测到低反射率的物体;一款检测范围30°x10°,最远检测距离200米,在100米位置处可以检测到低反射率的物体。

大陆激光雷达点云效果图,传感器设置在泳池边,前方有围栏与门大陆激光雷达点云效果图,传感器设置在泳池边,前方有围栏与门

因为采用一片激光的探测方式,并非是单个光束,因而HFL目前针对雨水与烟雾天气进行了特别处理,可以通过多次接收的方式来屏蔽掉雨水与烟雾造成的影响。另外,因为激光雷达的表面是暴露在空气中,当HFL表面有积雪时,内部的加热器会融化表面积雪。

Flash的方案也存在自己的问题,那就是激光功率。要想达到较好的探测效果,需要大功率的激光发射器,这会带来发热的问题与成本问题。而如果采用较小功率的激光发射器,则会在检测效果上打折扣。这次大陆并没有透露产品的具体功率参数。另外,也因为功率大,为满足安全需求,大陆使用的是1064nm的光源,使用的是InGaAs/CMOS的混合传感器,同样会增加成本。

另外还有检测范围的问题,距离越远,检测的范围就越小,大陆介绍,200米检测距离是水平检测范围仅为5度。

2.光珀

光珀是一家中国的激光雷达厂商,在2016年发布了固态激光雷达产品,今年的CES上第一次展出了应用在自动驾驶领域的固态激光雷达。

从技术方案来看,光珀采用的也是Flash,不过与大陆的有所不同。

前面提到,Flash面临的最大问题在于激光功率,光珀的核心技术就在于激光接收芯片上。根据光珀CMO陈嵩的介绍,为了避免使用大功率的激光发射器,他们会将小功率的激光脉冲波序列在回收后合成为一个激光波来规避大功率的问题。在这样的前提下,可以无需使用大功率激光发射器,进而可以采用常规的905nm波长激光光源,使用硅基传感器,降低产品成本。

目前,关于脉冲波序列合成技术,光珀已经申请专利,光珀对未来的定义可以不止是激光雷达制造商,而是类似于LeddarTech,也成为激光雷达的芯片供应商,为制造商提供接收芯片。而且,这个技术不仅可以应用在Flash方案中,也可以通过成像的方式来为扫描式固态激光雷达在接收端进行优化。

不过,在此之前,光珀依然需要解决的问题一个是集成化,目前现场展示的唯一一个应用在自动驾驶领域的激光雷达块头很大,陈嵩提到目前是第二代产品,在第三代产品中会在集成化上进行优化。其次,据陈嵩介绍,目前产品的探测距离是50米,检测范围是70°x40°。因而,同样需要解决探测距离与角度问题,否则只能工作在特定场景下,比如中低速。

3.Quanergy

作为目前市面上唯一一家采用OPA方案的激光雷达制造商,Quanergy的OPA产品其实一直有些「神秘」。

Quanergy展台的三款激光雷达Quanergy展台的三款激光雷达

上图中,S3是采用OPA方案的产品,M8则是机械激光雷达,S3-1与S3-2为Quanergy开发的针对其他行业的激光雷达产品,分别实现单向和双向扫描。

之所以说S3神秘,是因为除了这次CES上与Fisker合作的车上之外,车云菌在Quanergy位于加州森尼韦尔的新工厂都并没有看到搭载S3的测试车,而是只有一辆搭载M8的产品。搭载了S3样品的展车唯有在2016年用来展出的奔驰,不过S3被安装在了看不到的位置。S3神秘的另外之处在于,其点云数据极少对外公布。在这次CES现场,采用的也是图形模拟的方式来展示探测效果,并没有公开展示点云效果。

Qaunergy CEO Louay Eldada与搭载S3的Fisker车型,左下角屏幕上显示激光雷达探测结果Quanergy CEO Louay Eldada与搭载S3的Fisker车型,左下角屏幕上显示激光雷达探测结果

根据Quanergy CEO Louay Eldada的介绍,S3是第一代OPA产品,使用的一维相控阵列,也就是每个发射芯片上,激光只能在单维度被改变发射方向并进行合成。S3中同时安装了8块芯片,类似于8线的机械激光雷达。而在下一代产品中,会采用二维相控阵,并且最终的产品会集成到SoC上来实现。不过Louay表示,未来这两代产品并非是替代的关系,而是会共存,分别针对不同的应用场景。比如这次与Fisker的合作,就是采用5个S3,来实现L4级自动驾驶。

自2016年公布之后,这两年的时间里Quanergy一直在致力解决的就是S3的量产与车规化问题。目前Quanergy计划在今年开始进行S3的车规化测试,预计在2019年实现大规模量产。

OPA方案也是纯固态方案,不过目前大多是研究机构在进行研究,也依然存在一些问题,比如能够承受的激光功率小,功率大会过热,探测距离与效率也会受到功率影响;激光的范围扫描是通过合成光束来实现的,因而探测效果完全取决于光束的合成质量;另外,Quanergy解决的是激光发射端的问题,在接收端,与MEMS类似,也需要通过全局接收的方式来实现激光的接收,而全局接收的情况下,抗干扰能力则会下降

Louay表示,目前这些问题都在研发解决方案,OPA的方案优势在于成本与纯固态,所有的产品成本都将低于1000美金,如果量级增大,最终产品价格会在200-300美金之间。

4.Ibeo

Ibeo并没有直接参展今年的CES,而是将固态激光雷达产品放在了股东采埃孚的展台上进行展示,不过只是单纯的产品展示,并没有配合演示实际的效果。现场也并没有对这款激光雷达进行介绍,因而其采用的技术方案不得而知。仅仅能够从此前采埃孚与Ibeo共同公布的消息得知,其内部将取消动部件。目前这款产品处于A Sample阶段,计划在2021年完成车规级量产。

Ibeo 3D固态激光雷达Ibeo 3D固态激光雷达

离量产还有多远?

总结一下的话,这三条技术路线在当下依然都是还没有准备好的:

1.以MEMS为代表的混合固态方案,依然存在动部件,难以满足车规要求,全局接收时需要考虑抗干扰问题

2.Flash方案,探测距离与探测范围之间的平衡,激光发射功率与散热和成本之间的平衡

3.OPA,能承受的激光功率小,生产制造难度大以及合成光束质量问题

如果从现场展示来看,其实这些问题此前就存在,而参展的众多公司大部分都没有展出更具有说服力的内容,或者进行实地测试。虽然热闹,但热闹得很表面。

当然,如果从当前自动驾驶的应用来看,目前也依然还没有真正的L3级自动驾驶车问世,从L3到L4再到L5的跨越,也并非仅仅在感知层面存在问题。无论是从测试还是新技术研发角度来看,这些暂时都还不「完美」的激光雷达依然有着用武之地:

  1. 一方面激光雷达并非是唯一的传感器,在激光雷达的应用场景中,摄像头与毫米波雷达即便作为冗余方案也依然会存在,因而在传感器融合的情况下,部分缺点可以被规避,尽快达到量产阶段也可以尽快投入使用便于后期的优化迭代;

  2. 另一方面,单从激光雷达的角度来说,未来可能车辆也不会只适用某个单一的激光雷达,如果能够根据不同技术方案激光雷达特性,彼此之间也可以达成互补效果。

无论是哪种方式,都有同一个要求:传感器融合。多感知方案相结合可以扬长避短,如何从硬件、软件层面做好数据融合是需要攻克的目标,因此我们也能看到,越来越多的硬件供应商开始涉足算法领域。而这,是一个好现象。

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