一年一度的CES消費(fèi)電子展都能看到汽車電子界最新最炫酷的技術(shù)。今天我們就來說說CES2016上展出的汽車激光雷達(dá)技術(shù)。詳細(xì)聊一聊激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中的地位、何為“固態(tài)”激光雷達(dá)以及“固態(tài)化”是怎么成為未來發(fā)展趨勢的。
首先，什么是激光雷達(dá)。
激光雷達(dá)LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測和測距。其正好與雷達(dá)Radar的定義Radio Detection and Ranging無線電探測和測距相對應(yīng)。如上圖所示，激光雷達(dá)的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses(多為950nm波段附近的紅外光)發(fā)射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體(如圖上的鹿)與車之間的距離。甚至由于反射度的不同，車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。哪些物體無法探測：光束無法被遮擋的物體是無法被探測到的(如圖上樹后的鹿)。眾所周知雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在許多具有先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的量產(chǎn)車上裝配使用。但是為了進(jìn)一步提高檢測精度和可靠性，可以說在嚴(yán)苛的無人駕駛系統(tǒng)中激光雷達(dá)成為一種不可替代的傳感器。
下面我們來談?wù)勈裁词?ldquo;固態(tài)”激光雷達(dá)。
在CES2016上展出的兩款重量級產(chǎn)品分別是來自Quanergy的“固態(tài)”Solid State激光雷達(dá) S3和由福特汽車發(fā)布用于無人駕駛計(jì)劃的Velodyne HybridSolid State“混合固態(tài)”激光雷達(dá)VLP-16 PUCK(下圖)。一時(shí)間，感覺推出的激光雷達(dá)產(chǎn)品如果不是”固態(tài)“的都不好意思拿出手。
那么這里“固態(tài)”到底是個(gè)什么概念呢？難不成還對應(yīng)液態(tài)不成？實(shí)際上下圖一對應(yīng)了我們身邊最直接的例子，右側(cè)的“固態(tài)”硬盤SSD內(nèi)部沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，所以體積小穩(wěn)定性高。對應(yīng)的左側(cè)“機(jī)械”硬盤HDD內(nèi)部基于機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的方案。因此“固態(tài)”概念可以稱為基于電子部件，無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件的解決方案。如下圖二所示，左側(cè)最早由谷歌提出的無人駕駛汽車，基于置于車頂?shù)?60度機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。它的性能非常好，但是相應(yīng)的也具有成本過高(幾千美元級別)，體積大、外部可見等劣勢。右側(cè)對應(yīng)的“固態(tài)”激光雷達(dá)產(chǎn)品則由于采用電子方案去除了機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，因此具有低成本(幾百美元級別)和體積小、可集成至傳統(tǒng)車輛外觀中的特點(diǎn)。
激光雷達(dá)未來發(fā)展趨勢-固態(tài)化，小型化，低成本化
之前提到最早谷歌提出的無人駕駛汽車就是基于置于車頂?shù)臋C(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的。它其實(shí)就是來自Velodyne公司的64波束激光雷達(dá)。而這款產(chǎn)品當(dāng)初的價(jià)格也是驚人的超過了7萬美金。是谷歌采用的原型車豐田普銳斯售價(jià)的兩倍還要多。雖然它的性能非常好，但是為了實(shí)現(xiàn)將來無人駕駛汽車的量產(chǎn)，成本降低是必然之路。如下圖一，從左至右分別為Velodyne的64波束(用于谷歌無人駕駛汽車)、32波束(用于福特CES2016無人駕駛概念車)以及混合固態(tài)Hybrid Solid State 16波束 VLP-16 PUCK(將用于未來的福特?zé)o人駕駛計(jì)劃)激光雷達(dá)產(chǎn)品。如下圖二、三所示分別為與CES2016發(fā)布的基于福特蒙迪歐的無人駕駛概念車，以及裝配于車頂?shù)?個(gè)Velodyne 32波束激光雷達(dá)。
“混合固態(tài)”和全“固態(tài)”
雖然福特蒙迪歐無人駕駛概念車上所使用的Velodyne 32波束產(chǎn)品相較64波束產(chǎn)品在體積和成本上都有所改善，但其實(shí)際售價(jià)仍然接近1萬美元。因此進(jìn)一步的固態(tài)化，小型化，低成本化成為一個(gè)必然的方向。如下圖Velodyne在其最新的16波束產(chǎn)品VLP-16 PUCK上提出了“混合固態(tài)”的概念。大家可能會奇怪，什么叫混合固態(tài)呀？下圖一為VLP-16 PUCK的官方數(shù)據(jù)信息。從其小巧的外形和雙向回轉(zhuǎn)Dual Return及360水平視角Horizontal FOV等參數(shù)中不難看出，這款產(chǎn)品外形上不存在可見的旋轉(zhuǎn)部件，但是為了360全視角其內(nèi)部實(shí)際上仍然存在一些機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。只是這套機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做的非常小巧可以內(nèi)藏而已。Velodyne為了將這樣的產(chǎn)品概念和傳統(tǒng)“固態(tài)”概念區(qū)分開來，因此引入了“混合固態(tài)”的稱呼。這款16波束的激光雷達(dá)官方公布售價(jià)為7999美元，可見也不低。通過福特的一些官方宣傳資料可以了解到，通過量產(chǎn)后的成本控制這款產(chǎn)品將降到500美元左右。鑒于差價(jià)如此之大，所以我們可以保守估計(jì)將來量產(chǎn)成本進(jìn)入1000美元更有可能實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上奧迪早在去年的CES2015就由技術(shù)總監(jiān)提出了激光雷達(dá)小型化的概念。只是當(dāng)初還未引入“固態(tài)”激光雷達(dá)概念而已。如下圖一，奧迪技術(shù)總監(jiān)正手握來自IBEO的小型化激光雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行展示，下圖二，由于IBEO與傳統(tǒng)汽車供應(yīng)商法雷奧Valeo的合作，最終量產(chǎn)將由法雷完成。下圖三為裝配了這款小型化激光雷達(dá)產(chǎn)品SCALA的奧迪A7 Piloted Driving無人駕駛概念車。實(shí)際上從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，其小型化的實(shí)現(xiàn)方法也是盡量減少內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件，而外觀上無可見的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。因此應(yīng)該也可以算作“混合固態(tài)”激光雷達(dá)。類似的還有Quanergy的第一代激光雷達(dá)產(chǎn)品MARK VIII也是如此，該產(chǎn)品與2014年下半年應(yīng)用于奔馳的無人駕駛測試車。
那么此次來自Quanergy的“固態(tài)”激光雷達(dá)S3又是什么樣的呢？讓我們來通過Quanergy在CES上的演講和其相關(guān)的專利說明來詳細(xì)探討一下它的創(chuàng)新之處吧。簡單的說，這是一款全“固態(tài)”的激光雷達(dá)，或者稱光學(xué)相控陣激光雷達(dá)。其目標(biāo)量產(chǎn)成本為250美元。首先如下圖一所示，其滿足了激光雷達(dá)小型化的大趨勢，整個(gè)尺寸只有90mm x60mm x 60mm。如圖二的產(chǎn)品工作原理展示中可以看到內(nèi)部機(jī)構(gòu)不存在任何的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實(shí)現(xiàn)的。因此其名副其實(shí)的是全“固態(tài)”激光雷達(dá)產(chǎn)品。其競爭力和創(chuàng)新性的核心就來自展示中提到的三個(gè)關(guān)鍵詞光學(xué)相控陣列Optical Phased Array、光學(xué)集成電路Photonic IC、遠(yuǎn)場輻射方向圖Far Field Radiation Pattern。下圖三中通過專利展示了更詳細(xì)的激光模塊(標(biāo)號10)內(nèi)部細(xì)節(jié)。其由3塊電路板(標(biāo)號50)組成，沒有任何機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。其中標(biāo)號20的發(fā)射芯片基于具有光學(xué)相控陣列的光學(xué)集成電路產(chǎn)生可控的遠(yuǎn)場輻射方向圖的激光束，標(biāo)號30為集成曲面鏡頭的接收芯片，標(biāo)號40為控制及信號處理芯片。說到那么多專有名詞是不是暈了。那我們舉個(gè)例子，這款產(chǎn)品就像使用相控陣技術(shù)的雷達(dá)一樣，通過電子技術(shù)可以方便的探測所需視角的目標(biāo)而不再需要等待雷達(dá)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)方向。它甚至可以通過軟件控制對某個(gè)感興趣的方向進(jìn)行放大Zoom In操作。下圖四，所示為采用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的軍艦。可見相控陣?yán)走_(dá)為一個(gè)固定的平面，沒有旋轉(zhuǎn)部件。其實(shí)相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)在德爾福Delphi的汽車多模式電子掃描雷達(dá)中使用。只是應(yīng)用到激光雷達(dá)還是業(yè)界第一次而已。
說到激光雷達(dá)產(chǎn)品，給人的第一印象就是它不可能很快的在汽車上量產(chǎn)。因此基本上主流的激光雷達(dá)公司的主營業(yè)務(wù)都不是汽車。比如Velodyne作為一家硅谷公司，雖然參加了多次無人駕駛挑戰(zhàn)賽，但其大客戶仍然是工程機(jī)械公司，比如卡特彼勒。而IBEO這家德國公司的主營業(yè)務(wù)則仍然在工業(yè)安防保護(hù)上。因此汽車業(yè)務(wù)上，IBEO和傳統(tǒng)汽車零件供應(yīng)商法雷奧展開了深度合作。那么來自硅谷的Quanergy公司呢？首先要說說創(chuàng)始人Eldada博士。Dr. Eldada是哥倫比亞大學(xué)電子工程專業(yè)的博士，專攻低成本高精度激光雷達(dá)方向。其專業(yè)性從他發(fā)表的SAE汽車工程師協(xié)會論文和文后提到的相關(guān)專利可見一斑。但如前所說，即使有好的產(chǎn)品在汽車應(yīng)用中短期盈利也是很難的。如下圖一所示來自Quanergy官方的投資信息可以看到，主要的合作伙伴包括奔馳、現(xiàn)代、雷諾尼桑。而投資方列表中傳統(tǒng)汽車零件供應(yīng)商德爾福Delphi赫然在列。有了強(qiáng)大的投資方，加上自身獨(dú)創(chuàng)性的技術(shù)，這就是Quanergy在汽車行業(yè)生存的資本。如下圖二所示，德爾福也在其無人駕駛技術(shù)路線圖上提到了相應(yīng)的固態(tài)激光雷達(dá)概念，而其中的合作伙伴就是Quanergy公司。路線圖從1959年最早的巡航控制開始，包括抬頭顯示、碰撞預(yù)警、最早基于雷達(dá)的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、多模式電子掃描雷達(dá)、最早帶行人保護(hù)功能的緊急剎車系統(tǒng)、360度駕駛監(jiān)控系統(tǒng)，再到此次CES 2016發(fā)布的車車通訊V2V & 互聯(lián)互通系統(tǒng)V2X，以及這里提到的固態(tài)激光雷達(dá)。這些最終組成了德爾福提供的通向完全無人駕駛的解決方案。
綜上所述、無論是Velodyne VLP-16 PUCK 和 Valeo SCALA提供的“混合固態(tài)”激光雷達(dá)還是Quanergy S3基于光學(xué)相控陣列的全“固態(tài)”激光雷達(dá)，都預(yù)示著激光雷達(dá)的固態(tài)化、小型化、低成本化是大勢所趨。有了這樣低成本高精度的激光雷達(dá)，我們又向無人駕駛的量產(chǎn)邁出了一大步。
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