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技術(shù)專(zhuān)題：車(chē)用激光雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀

2018-12-20 22:15:16·  來(lái)源：國(guó)汽智聯(lián)  
　
依托智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)領(lǐng)域的重大前沿成果，發(fā)揮汽車(chē)、電子、通信、交通等領(lǐng)域豐富的專(zhuān)家資源優(yōu)勢(shì)，國(guó)汽智聯(lián)將重點(diǎn)圍繞政策鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、技術(shù)鏈、資本鏈開(kāi)展高水平的產(chǎn)
依托智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)領(lǐng)域的重大前沿成果，發(fā)揮汽車(chē)、電子、通信、交通等領(lǐng)域豐富的專(zhuān)家資源優(yōu)勢(shì)，國(guó)汽智聯(lián)將重點(diǎn)圍繞政策鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、技術(shù)鏈、資本鏈開(kāi)展高水平的產(chǎn)業(yè)研究和戰(zhàn)略服務(wù)工作，打造國(guó)家級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展行業(yè)智庫(kù)，推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、上水平發(fā)展與智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。國(guó)汽智聯(lián)將定期發(fā)布深層次行研、專(zhuān)家觀點(diǎn)、熱點(diǎn)分析、行業(yè)資訊等研究成果，幫助從業(yè)者掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動(dòng)態(tài)、緊跟生態(tài)發(fā)展新模式、洞悉行業(yè)發(fā)展新脈絡(luò)。
 
【摘要】本報(bào)告節(jié)選于《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)藍(lán)皮書(shū)（2018）》中車(chē)用激光雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)的部分內(nèi)容，原文題目是《車(chē)用雷達(dá)技術(shù)動(dòng)態(tài)與發(fā)展》。報(bào)告深入探討和分析了激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)路線，基于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、行業(yè)數(shù)據(jù)和技術(shù)路線對(duì)車(chē)用雷達(dá)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)、分析與展望。
 
作者簡(jiǎn)介：張雷，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，清華大學(xué)微電子與納電子學(xué)系，研究方向?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
 
一、車(chē)用激光雷達(dá)用途及發(fā)展歷程
1、車(chē)用激光雷達(dá)類(lèi)型及用途
激光雷達(dá)是一種新型傳感器，（簡(jiǎn)稱(chēng)：LiDAR – Light Detecting and Ranging）是激光主動(dòng)探測(cè)傳感器設(shè)備的一種統(tǒng)稱(chēng)，分為測(cè)量型激光雷達(dá)和導(dǎo)航型激光雷達(dá)兩個(gè)大類(lèi)，其主要工作原理是通過(guò)高頻測(cè)距和掃描測(cè)角實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)輪廓三維掃描測(cè)量，即成像。相比攝像頭和毫米波雷達(dá)等常見(jiàn)的輔助駕駛傳感器，激光雷達(dá)具備強(qiáng)大的空間三維分辨能力。
 
汽車(chē)導(dǎo)航型激光雷達(dá)根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)“動(dòng)”的程度分為：機(jī)械旋轉(zhuǎn)、混合固態(tài)、微動(dòng)和全固態(tài)激光雷達(dá)；根據(jù)其視場(chǎng)角分為360°視場(chǎng)激光雷達(dá)和局部視場(chǎng)激光雷達(dá)；根據(jù)探測(cè)距離分為用于高速行駛的長(zhǎng)測(cè)程激光雷達(dá)和適于低速行駛的短測(cè)程激光雷達(dá)。
 
激光雷達(dá)適用于道路環(huán)境檢測(cè)和行駛中的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，可以獲得環(huán)境的深度信息，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)障礙物，構(gòu)建可行駛區(qū)域?；谪S富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可獲得包括車(chē)道、路沿等在內(nèi)的道路要素，還可獲得非結(jié)構(gòu)化道路的障礙物和可行駛區(qū)域、行人和車(chē)輛、交通信號(hào)燈和交通標(biāo)志等其他豐富信息。同時(shí)，激光雷達(dá)通過(guò)對(duì)行駛環(huán)境中車(chē)輛周?chē)母黝?lèi)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè)、跟蹤和預(yù)測(cè)，還能夠?qū)崿F(xiàn)跟車(chē)、換道和交叉口通行等復(fù)雜場(chǎng)景下的安全自動(dòng)駕駛。
 
激光雷達(dá)可以用于地圖構(gòu)建和定位。通過(guò)采用激光雷達(dá)多次行駛獲取道路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工標(biāo)注，過(guò)濾一些點(diǎn)云圖中的錯(cuò)誤信息，對(duì)多次收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊拼接最終形成高清地圖。通過(guò)局部點(diǎn)云匹配和全局點(diǎn)云匹配的位置估計(jì)方式，獲得給定的當(dāng)前位置情況下觀測(cè)到點(diǎn)云信息的概率分布，結(jié)合對(duì)當(dāng)前位置預(yù)測(cè)的概率分布，就可以提高無(wú)人車(chē)定位的準(zhǔn)確度。
車(chē)用激光雷達(dá)在結(jié)構(gòu)化道路檢測(cè)、可行駛區(qū)域檢測(cè)、汽車(chē)和自行車(chē)檢測(cè)、高精度地圖構(gòu)建和定位等場(chǎng)景中的應(yīng)用

2、車(chē)用激光雷達(dá)發(fā)展歷程
 
世界第一款汽車(chē)導(dǎo)航用激光雷達(dá)是美國(guó)Velodyne公司生產(chǎn)的64線激光雷達(dá)，首次亮相于2005年DARPA的無(wú)人駕駛挑戰(zhàn)賽。從2005年開(kāi)始，Velodyne公司推出了系列產(chǎn)品，近期推出了混合固態(tài)的16線/32線超小型激光雷達(dá)和128線高分辨率激光雷達(dá)，以及微動(dòng)型激光雷達(dá)Velarray。
 
目前激光雷達(dá)主要用于后裝市場(chǎng)，做產(chǎn)品測(cè)試或研發(fā)使用。除了IBEO聯(lián)合Valeo開(kāi)發(fā)的SCALA激光雷達(dá)滿(mǎn)足車(chē)規(guī)并已經(jīng)安裝到奧迪A8汽車(chē)，其它例如谷歌、百度、Uber和通用等打造的無(wú)人車(chē)隊(duì)和園區(qū)車(chē)，或者用于小批量后裝測(cè)試和試運(yùn)營(yíng)，或者本身仍處于研發(fā)狀態(tài)。

二、車(chē)用激光雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)
 
1、車(chē)用激光雷達(dá)技術(shù)趨勢(shì)
 
從國(guó)內(nèi)外主流廠商的市場(chǎng)行為報(bào)道和產(chǎn)品發(fā)布計(jì)劃分析，未來(lái)車(chē)用激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
 
首先，技術(shù)指標(biāo)提升。激光雷達(dá)的測(cè)程、視場(chǎng)覆蓋和測(cè)量網(wǎng)格密度是評(píng)價(jià)激光雷達(dá)技術(shù)能力的主要技術(shù)參數(shù)，也是激光雷達(dá)的主要應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)，激光雷達(dá)技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展必然伴隨著上述技術(shù)指標(biāo)的不斷提高。
 
其次，全固態(tài)是車(chē)用激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描激光雷達(dá)尚屬傳感器的初級(jí)階段，其機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)外置，尺寸重量大，不能適應(yīng)廣泛裝車(chē)應(yīng)用，盡管支持前期評(píng)估測(cè)試，但難以進(jìn)入車(chē)用激光雷達(dá)前裝產(chǎn)品線。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)為取消機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，利用半導(dǎo)體工藝將所有機(jī)械部件全集成，實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕、堅(jiān)固可靠、高效率和低成本的全固態(tài)激光雷達(dá)，同時(shí)提高激光雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性。
 
第三，未來(lái)的車(chē)用激光雷達(dá)須具備小型化和輕量化的特點(diǎn)?？梢灶?lèi)似車(chē)燈分布在四周，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)周邊監(jiān)控或探測(cè)。另外，激光雷達(dá)單機(jī)重量不應(yīng)該超過(guò)1kg，對(duì)于多線短距激光雷達(dá)更應(yīng)限制在300g-500g，便于嵌入車(chē)身，有利于主機(jī)廠整車(chē)設(shè)計(jì)，這些將在前裝市場(chǎng)受到高度重視。
第四，環(huán)境適應(yīng)和抗干擾能力是未來(lái)激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展需要克服的瓶頸。車(chē)用激光雷達(dá)需要做到全天時(shí)、全天候工作并保持優(yōu)秀的探測(cè)能力。另外，由于波長(zhǎng)、傳播特性等原因，容易受到其他車(chē)輛上激光雷達(dá)的干擾，這些都是未來(lái)亟待解決的重要問(wèn)題。

2、車(chē)用激光雷達(dá)技術(shù)路線對(duì)比
 
車(chē)用激光雷達(dá)的技術(shù)路線主要有機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)和Flash（面陣）激光雷達(dá)等。
 
機(jī)械式激光雷達(dá)技術(shù)相對(duì)成熟，面臨量產(chǎn)：Ibeo利用擺鏡結(jié)構(gòu)同軸收發(fā)，Velodyne通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)收發(fā)對(duì)整體旋轉(zhuǎn)，各個(gè)廠商機(jī)械式多線激光雷達(dá)檢測(cè)距離一般在100-150米，水平角分辨率0.5度左右，垂直角分辨率約1度，可以滿(mǎn)足L3級(jí)自動(dòng)駕駛需求。但機(jī)械式激光雷達(dá)具有成本高、可靠性不夠高、性能限制等問(wèn)題。解決方案包括，一方面在現(xiàn)有框架下優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，另一方面，研發(fā)固態(tài)化激光雷達(dá)。
 
主流固態(tài)方案對(duì)比：1）Innoviz等采用的MEMS方案，前景相對(duì)看好；2）Quanergy的相控陣方案，原理尚不成熟短期應(yīng)用困難；3）Tetravue的Flash方案，難以解決人眼安全及測(cè)距有限的問(wèn)題。以上激光雷達(dá)技術(shù)路線中，有些有理論缺陷或難以突破的技術(shù)瓶頸，業(yè)內(nèi)寄予希望較大的技術(shù)路線是面陣式，還有待時(shí)間和市場(chǎng)逐步考證。
車(chē)用激光雷達(dá)總體技術(shù)路線圖
 
三、激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈及主要參與企業(yè)
車(chē)用激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)鏈條包括：上游的激光發(fā)射器、激光接收器（光敏及光電轉(zhuǎn)化器件）、光學(xué)元器件、驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)處理芯片廠商，中間的整機(jī)企業(yè)和一級(jí)供應(yīng)商和下游的整車(chē)企業(yè)。
國(guó)內(nèi)企業(yè)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究與國(guó)際基本同步，禾賽科技與速騰聚創(chuàng)企業(yè)等的機(jī)械式激光雷達(dá)產(chǎn)品性能已達(dá)世界先進(jìn)水平。粗略估計(jì)后裝市場(chǎng)的激光雷達(dá)年需求量為2萬(wàn)臺(tái)左右，其中Velodyne占據(jù)了絕對(duì)地位，其余市場(chǎng)由禾賽、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)瓜分，三家企業(yè)的激光雷達(dá)已見(jiàn)諸于在美國(guó)、澳大利亞、法國(guó)、新加坡等國(guó)家的無(wú)人車(chē)上。
國(guó)際車(chē)用激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈主要參與企業(yè)及技術(shù)水平
國(guó)內(nèi)車(chē)用激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈主要參與企業(yè)及技術(shù)水平 
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