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激光雷達(dá)該何去何從？

2021-12-10 23:17:06·  來(lái)源：佐思汽車研究  作者：周彥武  
　
限制L3/L4大規(guī)模推廣的因素很多，激光雷達(dá)也是其中之一。目前最常見(jiàn)360度旋轉(zhuǎn)型激光雷達(dá)在車規(guī)、外觀、風(fēng)阻、成本方面都難以滿足汽車產(chǎn)業(yè)的要求。而激光雷達(dá)又是
限制L3/L4大規(guī)模推廣的因素很多，激光雷達(dá)也是其中之一。目前最常見(jiàn)360度旋轉(zhuǎn)型激光雷達(dá)在車規(guī)、外觀、風(fēng)阻、成本方面都難以滿足汽車產(chǎn)業(yè)的要求。而激光雷達(dá)又是無(wú)人駕駛必不可缺的傳感器。進(jìn)入2019年，激光雷達(dá)的發(fā)展方向一是純固態(tài)的Flash激光雷達(dá)，二是法雷奧Scala這樣的鏡子往復(fù)運(yùn)動(dòng)反射光線的激光雷達(dá)。
主流的360度旋轉(zhuǎn)型激光雷達(dá)很難過(guò)車規(guī)，車規(guī)包括環(huán)境適應(yīng)性、溫度、防塵、防水、震動(dòng)、沖擊、設(shè)計(jì)壽命、可靠性、一致性、EMC等多個(gè)方面，最基礎(chǔ)的車規(guī)是溫度。電子系統(tǒng)的車規(guī)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家都有自己的標(biāo)準(zhǔn)體系，最基礎(chǔ)的車規(guī)是AEC-Q和TS16949。
要進(jìn)入車輛領(lǐng)域，打入各一級(jí)(Tier1)供應(yīng)商的供應(yīng)鏈，必須取得兩張門票，第一張是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的AEC-Q100(IC)、101(離散元件)、200 (被動(dòng)零件)可靠度標(biāo)準(zhǔn)；第二張門票，則要符合零失效(Zero Defect)的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16949規(guī)范(Quality Management System)。
目前AEC-Q100最新的為2014年9月的G版，AEC-Q100最主要是溫度測(cè)試，分別為最高的0級(jí)-溫度從零下40度到150度，1級(jí)-溫度從零下40度到125度，2級(jí)從零下40度到105度，3級(jí)從零下40度到85度。
上圖為最常見(jiàn)的Velodyne的激光雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)表。運(yùn)行溫度一般都是-10°到+60°。
而目前唯一通過(guò)車規(guī)的Valeo的激光雷達(dá)Scala的參數(shù)如下：
兩者在溫度上差別比較大，Scala可以做到-40°到85°。水和塵土安全保護(hù)等級(jí)上，Velodyne達(dá)到IP67，Scala達(dá)到IP5K4K\IP9X9K。Scala在防塵上不如Velodyne，但防水等級(jí)遠(yuǎn)超Velodyne的任何產(chǎn)品，達(dá)到IPX9K。Scala之所以能過(guò)車規(guī)，還有兩項(xiàng)特殊技能，一是能夠主動(dòng)加熱激光雷達(dá)前的玻璃，防止起霧。二是具備主動(dòng)清洗功能。大雪天激光雷達(dá)被白雪覆蓋、超低溫雨水天氣下激光雷達(dá)被冰凍困擾、高速行駛下蚊蟲尸體布滿車頭等都能解決。
汽車行業(yè)牽涉到人的安全，因此研發(fā)周期特別長(zhǎng)，也必須這樣做，汽車行業(yè)必須慢一點(diǎn)，必須對(duì)生命有足夠的敬畏。Scala的車規(guī)化歷時(shí)7年，Scala的原型是2009年就有IBEO LUX，2010年法雷奧與IBEO簽署合作協(xié)議，拿到IBEO的生產(chǎn)和技術(shù)授權(quán)，然后花了五年時(shí)間將其改造為可量產(chǎn)的車規(guī)級(jí)傳感器，花兩年進(jìn)行了足夠的車規(guī)驗(yàn)證。2017年正式量產(chǎn)裝配在奧迪A8L上，初創(chuàng)公司要做好坐5年以上冷板凳的心理準(zhǔn)備。法雷奧是年收入200億美元的大廠，擁有豐富的汽車傳感器經(jīng)驗(yàn)。
法雷奧在年初也宣布獲得4家整車廠5億歐元的激光雷達(dá)訂單，這4家可能是現(xiàn)代、奔馳、寶馬和奧迪。法雷奧仍然是全球唯一激光雷達(dá)量產(chǎn)的廠家，車規(guī)的驗(yàn)證和研發(fā)周期太長(zhǎng)了。
來(lái)源：麥姆斯
有了第一代的經(jīng)驗(yàn)，法雷奧的第二代Scala進(jìn)度比較快，大約在2016年啟動(dòng)第二代研發(fā)，預(yù)計(jì)量產(chǎn)在2021年。與第一代相比，第二代最大的變化是從4線增加到16線，垂直FOV拓寬了3倍，也采用更高傳輸速率的以太網(wǎng)，點(diǎn)云達(dá)到26萬(wàn)點(diǎn)，為保證角分辨率，水平FOV縮窄至133度。
未來(lái)激光雷達(dá)發(fā)展方向是Flash激光雷達(dá)和單光子陣列（SPAD）激光雷達(dá)。Flash激光雷達(dá)無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，是真正的純固態(tài)，因此易過(guò)車規(guī)。體積小，易安裝，易融入車的整體外觀設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，元件極少，成本低。信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，消耗運(yùn)算資源少，整體成本低。刷新頻率可高達(dá)3MHz，是傳統(tǒng)攝像頭的10萬(wàn)倍，實(shí)時(shí)性好。缺點(diǎn)是有效距離比較近。
單光子激光雷達(dá)擁有Flash激光雷達(dá)全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用全半導(dǎo)體，也就是說(shuō)它就是一片芯片，成本可以大幅度降低到100美元以下，就像是攝像頭用的圖像傳感器芯片。也解決了有效距離，理論上單光子激光雷達(dá)做到幾公里幾十公里的有效探測(cè)距離都很輕松。同時(shí)還具備超過(guò)360度旋轉(zhuǎn)型激光雷達(dá)的信噪比。單光子激光雷達(dá)實(shí)際和手機(jī)上熱門技術(shù)ToF完全一致?？梢钥醋鍪欠糯蟀娴腡oF。
目前最接近量產(chǎn)的Flash激光雷達(dá)是德國(guó)大陸汽車的HFL110，刷新頻率3MHz，水平FOV為120度，有效距離大約50米，像素為4096點(diǎn)，目前已有樣品提供。
再有就是今年9月加拿大Leddartech推出的Leddar Pixell。Leddartech沒(méi)透露太多參數(shù)，看外形，似乎是3個(gè)Flash激光雷達(dá)合在一起的設(shè)計(jì)的，F(xiàn)OV能達(dá)到180度，安裝在汽車四角，像素不高，單個(gè)Flash為768像素。
車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)鼻祖IBEO，則一步到位推出了單光子激光雷達(dá)。IBEO稱其為Focal Plane Array焦平面，實(shí)際也可歸為Flash激光雷達(dá)。IBEO加入了VCSEL來(lái)控制激光的波束，達(dá)到類似機(jī)械掃描的效果。VCSEL由AMS提供。福特與大眾合資的Argo也在2017年收購(gòu)了普林斯頓光機(jī)所單光子激光雷達(dá)小組。有VCSEL加持，單光子激光雷達(dá)幾乎完美無(wú)缺。
相對(duì)微機(jī)械和MEMS，IBEO的可靠性和靈活性要高得多，相對(duì)無(wú)法掃描的Flash激光雷達(dá)也有一定優(yōu)勢(shì)。
IBEO的單光子激光雷達(dá)能輸出點(diǎn)云和反射強(qiáng)度信息，部分Flash可能無(wú)法輸出反射強(qiáng)度信息。
IBEO稱之為 ibeonEXT Generic 4D Solid State LiDAR。水平FOV可選擇11.2度、60度和120度。稱之4D是反射強(qiáng)度信息，反射強(qiáng)度信息近似于傳統(tǒng)攝像頭的灰度圖像，可以用傳統(tǒng)的圖像識(shí)別算法分類。
今年8月27日，長(zhǎng)城汽車與德國(guó)激光雷達(dá)廠商Ibeo 正式簽署了激光雷達(dá)技術(shù)戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方合作的產(chǎn)品基礎(chǔ)就是 ibeonEXT Generic 4D Solid State LiDAR。
對(duì)于手機(jī)ToF傳感器大廠來(lái)說(shuō)，進(jìn)入激光雷達(dá)領(lǐng)域只是時(shí)間問(wèn)題。
ToF示意圖，跟IBEO的單光子激光雷達(dá)示意圖完全一一樣。
像意法半導(dǎo)體、索尼和松下（VIVO使用松下的ToF），他們還擁有晶圓級(jí)鏡頭的能力，可以讓激光雷達(dá)就是一片芯片大小。VCSEL也是ToF的標(biāo)配，目前手機(jī)的ToF圖像傳感器有效距離大約在0.3-4.5米之間。
松下進(jìn)展最為迅速，早在2018年6月，就有目標(biāo)是車用市場(chǎng)的ToF圖像傳感器，有效距離有250米，激光雷達(dá)實(shí)際就是一個(gè)3D圖像傳感器，激光雷達(dá)與傳統(tǒng)攝像頭的區(qū)別就是一個(gè)接受自然光反射成像，一個(gè)主動(dòng)發(fā)射激光成像。只不過(guò)激光雷達(dá)是全天候，可以獲取3D深度信息和反射強(qiáng)度信息，但在分辨率上比傳統(tǒng)攝像頭要稀疏。
激光雷達(dá)是無(wú)人駕駛必備的傳感器，因?yàn)閿z像頭和毫米波雷達(dá)都有其無(wú)法突破的缺點(diǎn)需要激光雷達(dá)來(lái)挽救。對(duì)攝像頭來(lái)說(shuō)，無(wú)論單目還是三目，必須分類(classification)目標(biāo)障礙物才能檢測(cè)到目標(biāo)障礙物，通常也把分類看做識(shí)別，也就是說(shuō)無(wú)法識(shí)別目標(biāo)障礙物就無(wú)法檢測(cè)目標(biāo)障礙物的輪廓信息與位置信息。單目和三目目前的識(shí)別方法是典型的窮舉法，也就是深度學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)的認(rèn)知范圍來(lái)自其數(shù)據(jù)集，而數(shù)據(jù)集是有限的，不可能窮舉所有類型，數(shù)據(jù)集覆蓋的范圍無(wú)論如何都不可能超過(guò)真實(shí)世界的30%甚至更低。特別在中國(guó)，奇形怪狀的車輛很多，穿雨衣的騎車人，帶各種篷子的電動(dòng)車，拉農(nóng)作物或白色垃圾的車，掃地車（特斯拉已經(jīng)連撞兩次掃地車了），灑水車，農(nóng)用車，消防車等等。真實(shí)世界每天都在生成獨(dú)特樣本。只有雙目和激光雷達(dá)是不識(shí)別也可探測(cè)。深度學(xué)習(xí)是一個(gè)典型的黑盒子系統(tǒng)，汽車上任何事物都必須具備可解釋性和確定性，深度學(xué)習(xí)并不具備。傳統(tǒng)車廠盡量避免在直接有關(guān)汽車安全領(lǐng)域使用深度學(xué)習(xí)，當(dāng)然，深度學(xué)習(xí)是識(shí)別目標(biāo)準(zhǔn)確度最高的方法，不得不用。
傳統(tǒng)的77Ghz毫米波雷達(dá)最佳使用場(chǎng)景為ACC和BSD，為了避免地面反射和天橋反射，毫米波雷達(dá)都盡量縮小垂直FOV，同時(shí)毫米波雷達(dá)一般都安裝的很低，遇到底盤高的車輛，毫米波雷達(dá)穿過(guò)車底部，沒(méi)有反射或反射RCS很?。槺阏f(shuō)下，行人的RCS更小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車輛），會(huì)被當(dāng)做噪音過(guò)濾。沃爾沃上由安波福提供的攝像頭雷達(dá)一體傳感器效果之所以超過(guò)大部分ADAS系統(tǒng)就是因?yàn)樗睦走_(dá)安裝位置很高，但玻璃會(huì)讓電磁波大幅度衰減，有效距離縮短。毫米波雷達(dá)物體分隔度依賴帶寬，目前77Ghz毫米波雷達(dá)帶寬最高500MHz，物體分隔度為75厘米。再加上多普勒效應(yīng)在切線方向無(wú)效，基本上對(duì)于比較窄的目標(biāo)（低于1.5米），橫向移動(dòng)目標(biāo)，靜止目標(biāo)，超寬目標(biāo)，毫米波雷達(dá)表現(xiàn)都很差，即使融合傳感器，提高程度也很有限，遠(yuǎn)距離、高底盤車輛、重載車、行人和小目標(biāo)AEB幾乎完全依賴視覺(jué)系統(tǒng)。將來(lái)毫米波雷達(dá)性能能有比較大的提升，但對(duì)靜止和橫向目標(biāo)依然會(huì)很差。 
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