教你一文看懂激光雷達

2017-09-14 14:25

OFweek激光網訊:自從2012年谷歌無人駕駛汽車刷屏以來,頂在車頂的“全家桶”總是這么引人矚目。而這“全家桶”就是傳說中的激光雷達

  這款激光雷達的供應商是來自美國Velodyne,當時這個“全家桶”造價高達7萬美刀,比車還貴!準確來說,應該可以買5輛比亞迪…

  OK,說到這里,大家肯定要問了,激光雷達最近好像聽到頻率很高啊?

  沒錯,說到激光雷達就不得不提最近風頭正勁的ADAS。現階段的ADAS,激光雷達、毫米波雷達、視覺傳感器是用于周圍環境感測的主流手段,是實現ADAS的必備。

  而所謂激光雷達,就是利用激光束探測目標,獲得數據并生成精確的數字高程模型。它的工作原理也不難理解,就是發射和接收激光束。在激光雷達的內部,每一組組件都包含一個發射單元與接收單元。我們拿激光雷達領域最有名的公司Velodyne的旋轉鏡面設計圖來說明。

激光雷達工作原理(圖片來自Velodyne)

  這套發射/接收組件和旋轉鏡面結合在一起,能掃描至少一個平面。鏡面不只反射二極管發出去的光,而且也能把反射回來的光再反射給接收器。通過旋轉鏡面,能夠實現 90到180度的視角,并且大大降低系統設計和制造的復雜度,因為鏡面是這里面唯一的運動機構。

  探測距離的原理是基于光返回的時間,激光二極管發出脈沖光,脈沖光照射到目標物后反射一部分光回來,在二極管附近安裝一個光子探測器,它可以探測出返回來的信號,通過計算發射和探測的時間差就可以計算出目標物的距離。脈沖距離測量系統一旦被激活就能收集到大量的點云。

  如果點云中有目標物,目標物就會在點云中呈現出一個陰影。通過這個陰影可以測量出目標物的距離和大小。通過點云可以生成周圍環境的3D圖像。點云密度越高,圖像越清晰。

  講完激光雷達的原理,同志們可能又有疑問了,為什么ADAS里要裝兩種雷達,激光雷達和毫米波雷達的區別又是什么呢?

  小編特意給大家理了張圖,對比激光雷達和毫米波雷達的各方面能力,大家一看便知:

  總體而言,激光雷達的精度更高,但是價格昂貴。

  激光雷達的優勢非常明顯,其探測的范圍更廣,且精度更高。但是在極端天氣或者煙霧環境下性能大大降低,而且由于其數據采集量大,價格也非常貴。目前安裝在百度和谷歌無人駕駛汽車上的64線激光雷達(線數越多,性能越好,造價越貴),售價就高達70萬人民幣。

  毫米波雷達受制于波長,但是價格較低。

  毫米波雷達的技術相對成熟,其波長介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點,且其引導頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高。此外,毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強,相比于激光雷達是一大優勢。但是,由于其收到頻段損耗的直接制約,導致其對周邊所有障礙物無法進行精準的建模。不過受益于技術成熟,其單價也更低,只有100美元左右,而且市場需求相較激光雷達更多。

所以為了互補,大多數ADAS上都會裝上兩款雷達。不過,要推廣ADAS,實現無人駕駛的遠大理想,激光雷達的成本問題便成了關鍵。試想一下,一個激光雷達賣的比車還貴,會有用戶買單嗎?

  所以,大家都在找把激光雷達成本降低的方法,然后!固態激光雷達就誕生了!

  固態激光雷達第一次出現在大眾視野中應該是在今年1月的美國CES上,激光雷達初創公司 Quanergy Systems 發布了號稱是全球第一款固態激光雷達傳感器,并稱如果訂貨量在一萬臺,每臺激光雷達的成本有望控制在 100 美元以下。(這家公司我們下文會做詳細介紹,大家不用著急百度)

  100美元啊,什么概念啊…原來幾十萬的東西,現在就買幾百塊啊!到底是干了什么才能讓成本下降這么多呢?

  我們又要回到原理上來,傳統的激光雷達是靠360度機械旋轉來運作的,而固態激光雷達則采用了基于電子部件進行數據讀寫的方案,去除了機械旋轉部件,采用集成電路上的感應晶片掃描各個方向,然后輸出車輛周圍的 3D 圖像。另外,Quanergy還將其線數還降低到了8線,這樣不僅大大降低了成本,而且還縮小了體積。

  用一張比較通俗易懂的圖解釋應該就是這個了:

  不過“固態”就意味著激光雷達不能進行 360 度旋轉,只能探測前方。但是,只要在車輛上多裝幾個就可以解決探測范圍的不足了。

  除了固態激光雷達,目前還有一種混合固態雷達,也是另外一種過渡性的產品。混合固態雷達雖然從外觀上看不到傳統激光雷達的旋轉機制,但是為了360全視角,其內部實際上仍然存在一些機械旋轉部件。只是這套機械旋轉部件做的非常小巧并且藏在機身內部而已。

  不過,雖然以上兩種方案是把激光雷達的價格降低了,但是依然無法解決激光雷達在極端氣候下性能下降的問題。所以,ADAS還是需要將激光雷達與全天候工作的毫米波雷達相結合,來確保在所有環境下的探測性能。

  討論完激光雷達七七八八的問題,我們一起來看看目前在激光雷達領域比較有代表性的幾家公司吧。

  Velodyne

  提到激光雷達,就不得不提Velodyne!還記得文章開頭小編提到的價值幾十萬的肯德基全家桶么,那就是他們家的產品。

Velodyne目前已量產銷售的激光雷達(圖片來自Velodyne)

  它于1983年成立于美國硅谷,05年的時候開始研發激光雷達,且主要應用于無人駕駛汽車領域。07年的時候嶄露頭角,發展成為實時激光雷達傳感器技術的開發、制造和供應商。09 年,谷歌推出了無人駕駛汽車項目,用了Velodyne那巨貴無比的激光雷達,此后Velodyne名聲大噪。2016年,Velodyne將其激光雷達部門獨立出去,成立了Velodyne LiDAR,而就是這家新公司在今年獲得了由福特汽車與百度聯合注資的1.5億美金。

  Velodyne 目前已經量產銷售的激光雷達有三款:分別為 HDL-64E(64 線)、HDL-32E(32 線)、VLP-16(16 線)。除了谷歌、百度、Uber 等無人駕駛汽車使用 64 線產品外,一些汽車廠商在車上使用 32 線和 16 線產品進行測試。

 

你可能要問為什么他們家產品那么貴?

  其實造成價格高昂的主要原因是因為激光雷達還遠沒有達到大規模應用的地步。而且 Velodyne 在灣區的工廠還處于手工組裝和調教階段,人工成本非常高。

  以激光雷達 64 線數的調教為例,每一條線都有一對激光發射器和接收器:20 圈每秒的速度旋轉,放出的激光要達到 100 米至 200 米的距離。在組裝過程中,為保證發射出去的激光要被成對的接收器收到,不能有任何偏差。在這種情況下,64 線雷達一個星期只能完成兩臺成品。這樣的組裝和調校過程極其復雜和耗時。

  不過今年他們的情況應該會有所改觀,因為Velodyne 計劃將產品交給中國一線代工企業代工了。

  Quanergy

  Quanergy的出名是因為他在今年年初的CES消費電子展上發布了“世界第一款面向自動駕駛汽車的固態激光雷達”,并且號稱將激光雷達產品的價格削減至100美元左右。

  它成立于2012年,是一家專注于研發激光雷達的初創公司,作為一家成立不到4年的公司,已經受到了風投和汽車零部件巨頭的青睞:

  2014年獲得來自三星電子風險投資,特斯拉創始人及清華企業家協會天使基金的種子投資;同年完成 3000萬美金的A輪融資;2015 年獲得德爾福戰略投資,德爾福收購了 Quanergy 部分股權,目前兩家公司的工程師正在努力研發激光雷達系統;2016年獲得1億美金B輪融資。

  目前,他們正在和德爾福汽車合作研發產品,然而進入量產階段還得再等兩年...

  Ibeo

  來自德國漢堡的Ibeo,在激光雷達領域其實算不上新人了。Ibeo成立于 1998 年,2000年被傳感器制造商Sick AG收購。2009 年公司脫離Sick AG獨立,2010 年和法雷奧合作開始量產可用于汽車的產品ScaLa。然后今年被汽車零部件供應巨頭采埃孚(ZF)收購了40% 的股權。雙方將合作開發下一代 Lidar,應該也是固態激光雷達。

  講了這么國外的企業,我們國內的企業在這塊上有沒有什么突破呢?

  小編表示非常可惜的是激光雷達的核心技術大部分還掌握在國外企業里。國內目前在做激光雷達的企業也有10家左右,但是大多數的應用在大氣污染檢測和三維測繪,專注于車載激光雷達研發的為數不多,主要有護航實業、鐳神智能和思嵐科技這三家。由于受限于技術實力,在無人駕駛領域國內的激光雷達公司普遍缺乏話語權,這也使得國內無人駕駛的應用研發和產業生態面臨許多挑戰。初創公司若想進入這塊領域,則需要考慮激光雷達如何在保持探測精度的情況下降低成本,才有可能殺出市場。 



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