无人驾驶即将爆发：激光雷达必不可少

2017-06-12 摘自OFweek激光网

      2017年亚洲消费类电子产品展览会(CES Asia 2017)于北京时间2017年6月7日至9日在上海举办。我们不难发现，此次众厂商在无人驾驶方面的布局有所增加，宝马公司以及英特尔公司也分别开展了试驾活动和无人机的展示。

      我们可以肯定的是，无人驾驶是汽车的未来，但众多传感器是实现无人驾驶必不可少的，尤其是激光雷达，更是重中之重。

      激光雷达（LiDAR）是无人驾驶汽车中最强大的传感器之一。它可以区分真实移动中的行人和人物海报、在三维立体的空间中建模、检测静态物体、精确测距。

      它是通过发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统，具有测量精度高、方向性好等优点， 在军事领域以及民用的地理测绘等领域都有广泛的应用。 

      由于激光雷达可以形成精度高达厘米级的 3D 环境地图， 因此在 ADAS 及无人驾驶系统中具有重要作用。

激光雷达的原理与结构

      与雷达原理相似，激光雷达使用的技术是飞行时间（TOF， Time of Flight）。具体而言，就是根据激光遇到障碍物后的折返时间，计算目标与自己的相对距离。

      激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离，这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图，精度可达到厘米级别，从而提高测量精度。

      在ADAS系统中，激光雷达通过透镜、激光发射及接收装置，基于TOF飞行时间原理获得目标物体位置、移动速度等特征数据并将其传输给数据处理器；

      同时，汽车的速度、加速度、方向等特征数据也将通过CAN总线传输到数据处理器；

      数据处理器对目标物体及汽车本身的信息数据进行综合处理并根据处理结果发出相应的被动警告指令或主动控制指令，以此实现辅助驾驶功能。

下图展现的是谷歌无人驾驶公司Waymo在汽车上使用的激光雷达的布局：

激光雷达的分类

      激光雷达按有无机械旋转部件分类，包括机械激光雷达和固态激光雷达。机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，而固态激光雷达则依靠电子部件来控制激光发射角度，无需机械旋转部件。

      机械激光雷达由光电二极管、MEMS反射镜、激光发射接受装置等组成，其中机械旋转部件是指图中可360°控制激光发射角度的MEMS发射镜。

      固态激光雷达与机械雷达不同，它通过光学相控阵列（OpticalPhasedArray）、光子集成电路（PhotonicIC）以及远场辐射方向图（FarFieldRadiationPattern）等电子部件代替机械旋转部件实现发射激光角度的调整。

      由于内部结构有所差别，两种激光雷达的体积大小也不尽相同。机械激光雷达体积较大、价格昂贵、测量精度相对较高，一般置于汽车外部。固态激光雷达尺寸较小、性价比较高、测量精度相对低一些，但可隐藏于汽车车体内，不会破坏外形美观。

      根据线束数量的多少，激光雷达又可分为单线束激光雷达与多线束激光雷达。顾名思义，单线束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线， 其所获得的数据为2D数据，因此无法区别有关目标物体的3D信息。

不过， 由于单线束激光雷达具有测量速度快、数据处理量少等特点， 多被应用于安全防护、地形测绘等领域。

      多线束激光雷达扫描一次可产生多条扫描线，目前市场上多线束产品包括4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等，其细分可分为2.5D激光雷达及3D激光雷达。

      2.5D激光雷达与3D激光雷达最大的区别在于激光雷达垂直视野的范围，前者垂直视野范围一般不超过10°，而后者可达到30°甚至40°以上，这也就导致两者对于激光雷达在汽车上的安装位置要求有所不同。

Velodyne激光雷达

      Velodyne是车用激光雷达的行业先导，公司成立于1983年，以头戴式耳机、低音音箱以及3D激光雷达为主要业务。

      近年来，Velodyne的3D激光雷达业务发展迅猛，谷歌在其最早的自动驾驶原型汽车中所使用的LiDAR传感器就是由该公司开发的，其产品的测量精度在全行业领域内处于标杆地位，性能优越。

Velodyne的3D激光雷达产品种类丰富，包括16线束、32线束及64线束等，其中还有专门为智能驾驶汽车设计的Ultra Puck激光雷达。

       在2016年1月的美国CES消费电子展上，Velodyne发布了其第一款汽车专用的3D激光雷达混合固态超级冰球（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），这款产品为32线束激光雷达，体积小巧、便于汽车安装携带，同时价格低廉，未来在大规模量产的情况下，其目标价格可降至500美元，性价比较高。

       但这款激光雷达目前的版本只是车企测试版，而非最终供货版本，正式量产版本要到2018年才能面世。

       Ultra Puck不仅在外形及价格成本上有较大突破，在专业技术上也有所改进。Velodyne对该款产品激光发射装置设置了2微秒时差，即32个激光发射器并非同时发射激光，而是以2微秒的时间间隔按顺序发射激光，这种设置可防止高发射率物体使激光雷达致盲，产品的性能得到提升。

Quanergy全固态激光雷达

      2012年底，以3D激光雷达传感器为主要产品的Quanergy公司在硅谷成立。

      2014年9月，Quanergy和奔驰达成战略合作，为奔驰研发车内传感系统和无人车。

      2014年10月，该公司获得了3000万美元的A轮融资。

      2015年10月，Quanergy公司宣布与Delphi公司合作，为无人驾驶汽车开发一种新型的激光雷达系统，每台单价低于1000美元。

      目前，Quanergy共推出了两款3D激光雷达产品，一款是安装在奔驰智能驾驶测试车上的TheMarkVIII，另一款就是第一款专为智能驾驶汽车设计的全固态激光雷达S3。

      S3全固态激光雷达基于相控阵技术代替了机械激光雷达的外部旋转部件，大幅度缩小了产品体积，便于在汽车上安装且不占据过多空间。同时，约250美元的价格也易于让市场更接受。

      但是，由于其使用的有关电子部件不能像机械旋转部件一样360°旋转，只能探测前方不超过180°的视角范围，因此一辆智能汽车一般至少需要4至6个S3激光雷达。

      实际上，该款全固态激光雷达在测量精度、水平视野等参数特性上还有待进一步提升。S3激光雷达是Quanergy公司与Delphi公司合作后所推出的中间产品，并非最终供货产品。

      虽然该产品暂时只是作为研究成果存在，并未上市推广，但其全固态技术突破对于车用激光雷达的发展却有着重大的意义。

      综上所述、无论是VelodyneUltra Puck提供的“混合固态”激光雷达还是Quanergy S3基于光学相控阵列的全“固态”激光雷达，都预示着激光雷达的固态化、小型化、低成本化是大势所趋。

有了这样低成本高精度的激光雷达，我们又向无人驾驶的量产迈出了一大步。

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