LiDAR用于自動駕駛的汽車外部環(huán)境感知,最早將在2021年出現(xiàn)在量產(chǎn)車型上。寶馬預(yù)計將在2021年秋季上市車型上采用以色列LiDAR制造商Innoviz Technologies生產(chǎn)的第二代激光雷達(dá)產(chǎn)品。該產(chǎn)品于2019年夏季開始交付樣品,目前計劃于2020年正式量產(chǎn)。
同樣美國的激光雷達(dá)制造商Quanergy Systems也在2018年宣布,其產(chǎn)品將從2021年開始搭載于量產(chǎn)車型。先鋒電子也表示,其LiDAR將在2020年之后安裝在當(dāng)?shù)氐拇┧蟀褪亢推渌厥庥猛拒囕v上。
“機(jī)械式vs 非機(jī)械式”的競技
上述三家公司所提供的LiDAR都是“機(jī)械式的”(圖1)。與自2012年以來Waymo安裝在自動駕駛測試車輛車頂上的圓柱形“機(jī)械式”相比已大幅降低了成本。Waymo使用的機(jī)械式產(chǎn)品由美國Velodyne 公司提供,價格最貴的型號達(dá)到了約7萬美元,只能是作為實(shí)驗室階段采用。
圖1: 用于自動駕駛汽車的LiDAR發(fā)展路徑
圖片顯示了LiDAR在自動駕駛汽車發(fā)展過程中的使用狀況。 Waymo從2012年開始已經(jīng)在公共道路上測試的試驗車型上采用“機(jī)械式”產(chǎn)品,旨在替代單車成本接近1000萬日元的第一代“非機(jī)械式”LiDAR產(chǎn)品提案出現(xiàn)在2010年代后期。 主要是對激光束掃描方法進(jìn)行了改進(jìn),其中一部分產(chǎn)品將在2020年代初期搭載在量產(chǎn)車型中。 為了將LiDAR的測距范圍擴(kuò)展到200 m以上,過去2~3年內(nèi)提出的技術(shù)一直在改進(jìn)波長和測距方法,這些技術(shù)預(yù)計將在2020年代后期開始用于量產(chǎn)車型。 ( 右圖為Innoviz距離圖像,Blackmore激光光源,Pioneer MEMS掃描圖像,Velodyne機(jī)械產(chǎn)品)
另一方面, 非機(jī)械式激光雷達(dá)也將在2021年搭載于量產(chǎn)車型之上,通過非旋轉(zhuǎn)元器件或MEMS系統(tǒng)替換用于掃描近紅外激光的掃描機(jī)構(gòu),從而降低成本。 預(yù)計量產(chǎn)價格在1000美元左右。雖然與Velodyne的實(shí)驗規(guī)格不完全相同,但基本可以滿足汽車制造商的要求,同時價格大幅下降,預(yù)計2年內(nèi)這些車載激光雷達(dá)將投放市場。
未來,非機(jī)械型LiDar由于其成本競爭力和高可靠性,極有可能淘汰機(jī)械類產(chǎn)品。 以機(jī)械類產(chǎn)品著稱的Velodyne據(jù)說也已完成非機(jī)械型產(chǎn)品的開發(fā)??吹竭@里,旁觀者已經(jīng)看到基本是非機(jī)械型產(chǎn)品贏得競爭,而接下來的競爭就是性能的競爭了。如果將與機(jī)械型產(chǎn)品競爭的非機(jī)械型稱為“第一代”產(chǎn)品,則與非機(jī)械型競爭的是“第二代”(圖1)產(chǎn)品。第二代非機(jī)械型融合了多種新技術(shù),可增強(qiáng)在距離超過200 m或陽光等噪音較大的環(huán)境中的檢測能力(圖2)。
(a)搭載AEye激光雷達(dá)的測試車輛
(b)Blackmore開發(fā)的產(chǎn)品
(c)Blickfeld的開發(fā)產(chǎn)品
(d)Innoviz的產(chǎn)品照片
(e)先鋒電子的開發(fā)產(chǎn)品
圖2: 關(guān)于LiDAR的新產(chǎn)品和技術(shù)層出不窮,仍在尋找最佳方式。 最新產(chǎn)品是一種非機(jī)械式的改良產(chǎn)品,可以安裝在量產(chǎn)車型上。
從2025年開始全面普及
第一代非機(jī)械型產(chǎn)品的商用化僅僅是LiDAR的開始, 眾多LiDAR制造商都認(rèn)為2025年后才會開始全面采用車載LiDAR。
Innoviz認(rèn)為, 到2025年,車載激光雷達(dá)市場將首次突破1000萬臺,其中將引入具有全自動駕駛功能的私家車(“ L4級”或“ L5級”) 。在此之前,大多數(shù)應(yīng)用將用于自動穿梭巴士和機(jī)器人出租車。由于價格相對沒有私家車敏感,因此最初可能使用機(jī)械型版本,類似于Google的實(shí)驗車輛所使用的版本。
先鋒電子對LiDAR全面采用的時機(jī)也有類似的看法。“ 2015年的時候,許多人預(yù)測具有L3級以上自動駕駛功能的私家車的普及將在2022~2023年,但是最近的觀點(diǎn)卻普遍認(rèn)為可能會到2025年以后?!?(先鋒電子智能和自動駕駛技術(shù)研究部門部長村松英治)。
性能與價格之間的兩軸競爭
在2025年之后的普及時期,激光雷達(dá)制造商已經(jīng)進(jìn)入了兩個方面的競爭: (1)非機(jī)械型產(chǎn)品之間的性能競爭,(2)各個雷達(dá)產(chǎn)品的價格競爭。
隨著競爭要素的增多,2020年代初的第一代非機(jī)械式產(chǎn)品的贏家,可能在2025年之后無法保持贏家的地位。而眾多以第二代非機(jī)械式Lidar為目標(biāo)的制造商們大多期待在2025年之后取勝。
(1)關(guān)于性能的競爭,自2018年以來尤為明顯。先鋒松村先生表示:“我認(rèn)為,進(jìn)入2018年明顯感覺到對于LiDAR提出了更高的性能要求?!?不僅限于他,不少相關(guān)人士均表示,車載LiDAR所需的規(guī)格要求在不斷增加。過去,距離圖像的級別為“距離為200m,分辨率小于1度”,但最近級別已增加為“距離為200-300m,分辨率為0.1度”。
例如,在以超過100 km/h或甚至200km~300km的高速自動駕駛期間,就必須進(jìn)行長距離測距以控制速度而不會突然制動。即使當(dāng)前無法識別的物體位于前方,高分辨率LiDAR也可以輕松地從遠(yuǎn)處提高識別精度。在私家車特別是豪華私家車中,在高速自動駕駛過程中的舒適駕乘度可能是造成差異化的主要因素
(2)使用無線電波的車載雷達(dá),原本配備的分辨率是不足以識別物體的形狀或種類的,但最近1年已經(jīng)出現(xiàn)了大約1度左右高分辨率的產(chǎn)品。部分雷達(dá)可以代替LiDAR進(jìn)行外部傳感。不需要光學(xué)組件,只需要用半導(dǎo)體和印刷板就能實(shí)現(xiàn)。盡管不是用于自動駕駛,但已批量生產(chǎn)用于車載,量產(chǎn)初期就實(shí)現(xiàn)了僅數(shù)千日元的低價格水平。
雖然目前尚無分辨率達(dá)到0.1度的車載雷達(dá),但在分辨率小于1度的范圍內(nèi),如果將駕駛條件限制在每小時數(shù)十公里的低速范圍內(nèi),完全有可能替換LiDAR。此外,理論上將測量距離擴(kuò)展至300m也是比較容易實(shí)現(xiàn)的,而且不容易受到諸如雨天等惡劣天氣的影響。
對于性能依然中途半端的LiDAR,我們可能很容易得出使用雷達(dá)就足夠了的結(jié)論。所以降價很重要。
價格下降不及預(yù)期
LiDAR價格并未以LiDAR制造商在2016-2017年預(yù)期的速度下降。 僅僅將掃描機(jī)構(gòu)替換成非機(jī)械式顯然是不夠的,還需要大規(guī)模量產(chǎn)。 與雷達(dá)或攝像頭在車載領(lǐng)域已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)的情況不同,而第一款車載產(chǎn)品LiDAR在增加出貨量和降低價格方面仍然還是“先有雞還是先有蛋”的關(guān)系。
在2016-2017年左右,人們期望到2020年左右,非機(jī)械型激光雷達(dá)產(chǎn)品的成本可低于100美元)。然而,實(shí)際上LiDar制造商們最新的預(yù)期是,在2025年左右,能提供滿足汽車制造商需求的LiDAR成本可實(shí)現(xiàn)100到數(shù)百美元(圖3)。
圖3:能切實(shí)可行的降價方向
Quanergy LiDAR產(chǎn)品的價格路線圖。 對于許多LiDAR制造商而言,在滿足LiDAR要求的同時,迅速降低價格似乎很困難,2025年該公司的價格將低于100美元。 (圖片來源Q公司)
波長和測距的新方法
為了在激烈的車載傳感器競爭環(huán)境中擴(kuò)大采用范圍,特別是LiDAR的專業(yè)制造商們正在以低成本和非機(jī)械型為前提,開發(fā)各種新技術(shù)(表1)。其中可以看到作為第二代無機(jī)械式產(chǎn)品,可取的主要新技術(shù)是關(guān)于波長和距離的測量方法。
表1: LiDAR開發(fā)示例
主要為非機(jī)械式。 Cepton的掃描機(jī)構(gòu)是機(jī)械式的,但是很容易降低價格。 此外,汽車,車載設(shè)備和IC廠商也紛紛投入開發(fā)。 Velodyne目前還沒有公開其非機(jī)械型產(chǎn)品規(guī)格,但據(jù)說正在與瑞典電子制造商Veoneer合作。
更高的微米光輸出對眼睛安全
至于波長,現(xiàn)有的LiDAR大多使用900~905 nm左右的波長。 與此相對,第二代非機(jī)械型產(chǎn)品則采用了1550nm(1.55 μm)甚至10 μm的較長波長。長波長光具有兩個主要優(yōu)點(diǎn)。
一是它不容易受到陽光的影響。地面上太陽光的能量密度的峰值在500 nm附近,從900 nm附近開始波長越長能量密度就會越低(圖4)。所以在白天作為激光噪聲的太陽光減少的話,就可以容易地增加光接收單元的SN比(信噪比)。
圖4:長波長化和“雷達(dá)化”的進(jìn)展
左圖是太陽光的光譜。 波長越長,陽光能量越少。 對眼睛的影響也降低了。 右邊是三個示例,說明了如何讀取反射激光的距離(R)。 脈沖差(⊿t)用于幅度檢測,相位差(⊿Φ)用于相位檢測,頻率差(⊿f)用于頻率檢測。 將來,雷達(dá)使用的頻率檢測可能會成為主流。 (右圖: 基于Oryx的圖創(chuàng)建)
另一個優(yōu)點(diǎn)是容易增加輸出強(qiáng)度。對于激光,IEC(國際電工委員會)規(guī)定900納米左右的波長為輸出上限,以保護(hù)人眼。當(dāng)光線通過眼睛的晶狀體被視網(wǎng)膜吸收時,視網(wǎng)膜可能會受損。波長為1400 nm以上的激光不會被視網(wǎng)膜吸收,所以能不受IEC法規(guī)的約束。原理上就是輸出一個超強(qiáng)光線,而在光接收部位調(diào)整SN比。
用1550nm的光識別前方1公里
AEye(美國),Baraja(澳大利亞),Blackmore Sensors and Analytics(美國)使用波長為1550nm的光源。以色列Oryx Vision則使用10μm光源。
AEye聲稱 它可以使用1550nm的波長識別1公里的距離。 為了不損害眼睛,采用的光源是光纖激光器,其輸出可以高于半導(dǎo)體激光器的輸出。 但是,由于輸出過強(qiáng)可能會導(dǎo)致內(nèi)置在另一個系統(tǒng)的照相機(jī)中的CMOS圖像傳感器的像素(光電二極管)有時會被損壞。Blackmore則先在480m范圍內(nèi)進(jìn)行識別。采用的是已被證明可用于光通信的半導(dǎo)體激光器和安裝技術(shù)。
通常,半導(dǎo)體激光器不能用于10μm的光源。以色列Oryx則使用天線代替受光元件1) 。
先鋒電子目前使用的波長為905 nm,但將來可能會使用更長的1550 nm波長光源以獲得更長的測量距離。該公司使用其獨(dú)有的MEMS系統(tǒng)用于掃描,并且設(shè)計它不選擇光源的波長。
直接測量速度,對攝像頭也很安全
在LiDAR距離測量中,通常使用ToF(飛行時間),但是FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)的方法正在增加。ToF發(fā)射脈沖光并測量反射光的延遲時間從而測算出距離。FMCW讀取反射波的頻率變化而測算距離(圖4)。
FMCW不太容易受到陽光噪聲的干擾,并且不受其他系統(tǒng)的干擾。將來,如果自動駕駛汽車大面積普及,與使用ToF相比,很有可能減少誤檢測。這是因為使用了連續(xù)波來代替ToF中使用的脈沖。在ToF中,需要通過重復(fù)捕獲脈沖的處理來減少錯誤檢測。FMCW是一種廣泛用于雷達(dá)的方法,可以直接通過多普勒效應(yīng)測量速度。這是優(yōu)于LiDAR的優(yōu)勢,后者即使是高分辨率雷達(dá)也無法直接測量速度。
使用這種測量技術(shù)還可以減少損壞攝像頭的CMOS圖像傳感器的風(fēng)險。當(dāng)發(fā)射相同能量的光時,連續(xù)波FMCW的峰值功率低于脈沖波。Blackmore通過使用相同的1550nm的競爭LiDAR突出了這一點(diǎn)。
使用FMCW的LiDAR制造商除了Blackmore外還包括Oryx。從距離測量方法來看,美國Aeva可能也采用了FMCW。LiDAR制造商之間的實(shí)現(xiàn)方法似乎沒有顯著差異。根據(jù)信號與發(fā)出頻率線性變化的信號和信號之間的頻率差估算距離。通過多普勒效應(yīng)測算速度。
厘米級“大” MEMS鏡
非機(jī)械型激光雷達(dá)的掃描方式除了MEMS,還有相控陣,微透鏡陣列等。
在MEMS中,通過MEMS移動鏡頭以改變激光的方向。 除了Innoviz,德國的Blickfeld也采用這一方式。Blickfeld表示,通過使用直徑比普通MEMS反射鏡系統(tǒng)大的反射鏡,從光學(xué)原理上已經(jīng)提高了分辨率和測量距離。通常,MEMS反射鏡最多只有幾毫米,但該公司的反射鏡卻超過了10毫米。由于重量的原因,在保持高速(600線/秒)和廣角(最大±60度)的同時實(shí)現(xiàn)驅(qū)動變得困難。該公司通過采用獨(dú)特設(shè)計方法開發(fā)的驅(qū)動技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
美國的TriLumina公司則正在開發(fā)微透鏡陣列掃描3 )。
通過設(shè)計激光元件和透鏡的位置來控制激光的照射方向。 來自位于透鏡中心的激光元件的光被導(dǎo)向透鏡的前部,而來自偏心(偏移)的激光元件的光可以被導(dǎo)向與偏移側(cè)相反的一側(cè)。因此,大量(例如512個)激光元件被分散并布置在一個透鏡的正下方,從而通過選擇發(fā)光元件可以在各個方向上發(fā)射光。
僅通過信號處理提高ToF
同時,采用ToF進(jìn)行距離測量的開發(fā)中,抑制噪音影響的技術(shù)開發(fā)仍在繼續(xù)。例如東芝(圖5)。
圖5: 通過信號處理抑制噪聲的影響
在LiDAR測距中應(yīng)用技術(shù)來減少接收光的噪聲的示例,由東芝開發(fā)。 與該公司的常規(guī)方法相比(左),2019年的最新方法(右)減少了紅色包圍的區(qū)域中無法檢測到的部分(黑色)
通常,采用基于ToF的LiDAR的情況下,由于日光等原因,可能無法識別本應(yīng)接收的反射光。在以往的方法中,對周圍的多個像素進(jìn)行積分并求平均,但在這種情況下,對不相關(guān)的物體(例如車輛和電線桿)進(jìn)行求平均,存在降低分辨率的可能性。
該公司將其累積的像素限制為與目標(biāo)像素相關(guān)的像素。例如,據(jù)說來自同一車輛的多個反射光具有相似的振幅等,并且即使它們彼此靠近,來自電線桿的反射光也具有不同的振幅等。因此,僅集成測算相似(相關(guān))的反射光。
在2019年,該公司進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。具體而言就是利用歷史信息。例如,在捕獲特定幀中的反射光的像素時,即使下一幀中的反射光的振幅減小,也增加認(rèn)為存在反射光的可能性。反射光接收電路例如僅識別在一定期間(從假定的最大距離起的反射時間)內(nèi)振幅大的兩個反射光。這次,在前一幀中存在反射光的像素的幅度拓展到例如是以第3~4幀為對象,由此減少了無法測量距離的區(qū)域(圖5)。據(jù)說,在相同條件下,可測量距離增加了22%,分辨率提高了2.2倍。
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