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汽車制造

MEMS對比固態激光雷達

Nick 來源:岷江新產業投資2018-04-10 我要評論(0 )   

激光雷達遲遲沒有在汽車領域大規模應用,原因顯然是幾萬美元的價格太貴了,可能比車還貴。很多人選擇鉆研深度學習和圖像識別來取消激光雷達,也有人選擇激光雷達的廉價...

激光雷達遲遲沒有在汽車領域大規模應用,原因顯然是幾萬美元的價格太貴了,可能比車還貴。很多人選擇鉆研深度學習和圖像識別來取消激光雷達,也有人選擇激光雷達的廉價化。

目前激光雷達價格高的原因包括了需求量少,組裝和調試成本高。Velodyne公司此前的機械旋轉式產品在車用激光雷達領域占據統治地位,后續推出混合固態的產品,成本有所降低,正在逐步研發純固態激光雷達。Velodyne LiDAR獲得百度與福特1.5億美元的投資,計劃到2020年左右成本降至500美金。Waymo(谷歌自動駕駛)和Uber(收購自Otto)自研機械旋轉式激光雷達的嘗試會在后文提到。禾賽科技、速騰聚創、北科天繪、鐳神智能等中國公司也涌入低成本車用激光雷達領域。

有公司傾向于取消機械旋轉結構、根本性降低激光雷達成本的手段,方法之一就是利用MEMS微振鏡(MEMS指的是微機電系統),把所有的機械部件集成到單個芯片,利用半導體工藝生產。選擇這一路線的公司包括了:

荷蘭Innoluce公司(從飛利浦剝離,已經被著名汽車半導體供應商英飛凌全資收購),預計2018年量產,成本不超過100美元,在探測范圍和分辨率方面超過其它固態激光雷達,能夠實現白天單次發射探測距離250米、角分辨率0.1°,激光功率利用效率大于95%,使用的激光器由歐司朗光電半導體供應。英飛凌公司認為高速運算平臺只是系統的一小部分。

 

MEMS對比固態激光雷達

 

2016年底,研究超微型投影顯示和傳感技術的MicroVision公司,和意法半導體合作推廣激光束掃描(LBS)技術,應用場景包括了激光雷達,以及微型投影儀、VR、AR和HUD等市場。

曾經生產機械旋轉式激光雷達的歐姆龍,2017 年初開始在Opus提供的小型 MEMS 芯片基礎上,研發激光雷達。

日本先鋒公司,利用原本用于掃描激光影碟的光學頭,生產MEMS激光雷達,“當訂單達到100萬,先鋒便可以把價格控制在100美元以下,預計會在2019年開始量產。”先鋒還與高精度地圖服務商HERE合作,測繪地圖。

2017年,博世推出了兼顧激光掃描和投影的BML050方案,包括兩個MEMS微鏡,可用于交互式投影儀。有新聞報道博世將在2020年前銷售激光雷達,暫時無法判斷是基于MEMS還是其他技術。

奧迪的矩陣式激光車燈,使用微鏡(DMD)來控制激光方向,順便做激光雷達也不錯,不需要再給Ibeo的激光雷達騰地方了。

激光雷達創業公司 Luminar Technologies,從招聘信息推測,對機械旋轉或者MEMS方案的激光雷達有興趣。

其他在微機械設計MEMS領域有技術積累的公司也有可能進入激光雷達領域,或者成為核心零件供應商。

另外一個思路是完全取消機械結構,采用相控陣原理實現固態激光雷達:

生活中最常見的干涉例子是水波,兩處振動產生的水波相互疊加,有的方向兩列波互相增強,有的方向正好抵消,將這個原理放大,采用多個光源組成陣列,通過控制各光源發射的時間差,就能合成角度靈活,且精密可控的主光束,這就是相控陣的原理。

 

MEMS對比固態激光雷達

 

MEMS對比固態激光雷達

 

激光雷達從機械轉動向聚束成形的進化趨勢與雷達完全相同:軍事上廣泛應用的相控陣雷達一般擁有上千個發射天線單元,通過調節波束合成的方式,可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉,靈活性很高,適合應對高機動目標,還可發射窄波束作為電子戰天線。相控陣還可以用于把宇宙太陽能電池板的能量傳回地面,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)已經進行過這方面實驗。

固態激光雷達的優點包括了:數據采集速度快,分辨率高,對于溫度和振動的適應性強;通過波束控制,探測點(點云)可以任意分布,例如在高速公路主要掃描前方遠處,對于側面稀疏掃描但并不完全忽略,在十字路口加強側面掃描。只能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執行這種精細操作的。

固態激光雷達的典型代表是美國的Quanergy公司,單面相控陣最大視角120度。預生產的S3激光雷達計劃在2017年交貨,價格250美元,5年內低于 100 美元。最早搭載Quanergy激光雷達感應器的車輛將在2018年面市。已經獲得了大型汽車零部件供應商德爾福,以及三星電子的戰略投資。Quanergy還在與Koito合作整合激光雷達的汽車前照燈。

 

MEMS對比固態激光雷達

這張圖可以看到Quanergy用光源陣列來合成波束

MEMS對比固態激光雷達

 

MEMS對比固態激光雷達

 

Quanergy將固態激光雷達的推薦方案與友商進行了對比,認為可以實現低于多攝像頭方案的傳感器成本。

 

MEMS對比固態激光雷達

 

2014年參與 Quanergy 種子輪和A輪的是特斯拉創始團隊Martin Eberhard等人組建的 Wardenclyffe Partners,當時Elon Musk是投資人之一。Wardenclyffe Partners的公開投資案例只有Quanergy一家。

2016年Quanergy收購了著名軍工企業雷神公司的人體跟蹤軟件,開始進軍安全行業。2017年3月,Quanergy申請參與特朗普總統的“美麗的邊境墻”計劃。Quanergy CEO認為安全行業的市場規模與汽車行業相當,試圖說服美國總統棄用混凝土,而選擇更便宜的 Q-Guard 虛擬圍欄。其他激光雷達廠商沒有參與這個競爭。特朗普要求美墨邊境墻覆蓋建筑和供電困難的沙漠、山脈等環境,同時生產太陽能電池板和儲能系統的特斯拉也可以參與給Quanergy的方案供電,當然要討好消費者的特斯拉大概不敢接這筆生意吧,已經有uber的教訓了。

法國汽車零部件供應商法雷奧,2010年與德國激光雷達供應商 Ibeo 合作開發并量產的SCALA高精度機械式激光雷達,最大檢測距離為150m,法雷奧在此激光雷達基礎上,加上Mobileye,開發了Cruise4U 自動駕駛解決方案。2016年采埃孚收購了Ibeo40%的股份,以幫助Ibeo研發固態激光雷達,也在研究更高效的數據標定。

法雷奧的合作伙伴不止Ibeo,2014年法雷奧與加拿大的 LeddarTech 合作開發固態激光雷達,由LeddarTech提供技術和專利,計劃2018年量產,照射距離最遠為100m。

激光雷達技術提供商 LeddarTech 從加拿大國家光學研究所分離。該公司的 Leddar M16 固態激光雷達,在參加 BattleBots 機器人格斗比賽的 Chomp 機器人上得到了應用,Chomp借助激光雷達的精確測距,實現了氣壓錘的自動瞄準,成功干掉了上屆冠軍Bite Force的武器傳動鏈條。這大概是目前為止,搭載固態激光雷達的最著名機器人。在動輒被撞飛的激烈比賽當中,機械旋轉式激光雷達的可靠性值得懷疑(波士頓動力給旗下機器人配備的激光雷達是機械旋轉式)。

 

MEMS對比固態激光雷達

 

2016年9月,LeddarTech 開賣模塊化 Vu8 固態激光雷達,售價475美元,檢測距離215米。2017 CES上,LeddarTech展示了下一代LeddarCore芯片,支持MEMS微鏡和2D/3D Flash 激光雷達。

 

MEMS對比固態激光雷達

 

TriLumina公司為激光雷達提供高功率的可調制光源VCSEL,2016年獲得汽車供應商電裝的戰略投資。TriLumina在 2017CES 展示了基于 LeddarCore IC 的256像素3D激光雷達解決方案。

2015年 DARPA啟動了“模塊化光學孔徑構造模塊”(MOABB)項目,以研發超緊湊的光學雷達,實現100米遠距離處的3D成像,采用晶圓級加工工藝進行一體化集成,比手機攝像頭更小,典型場景是:“在直升機或無人機上檢測叢林下的狙擊手或坦克”。

MIT的片上激光雷達(lidar-on-a-chip)項目,特點在于使用商用CMOS生產技術,連接激光器的是橫截面為幾百納米的硅波導管(可以想象成極小的光纖),對其進行加熱來實現每個天線的光束相位控制。預計成本10美元,有可能封裝到機器人的指尖上。

TetraVue的高分辨率激光雷達,將標準的2D CMOS/CCD,結合新的飛行時間(TOF)模式,距離100米以上,低于200美元,投資者包括博世資本、三星、鴻海等。

以色列初創公司 Innoviz Technologies 的激光雷達預計100美元,已經獲得900萬美元融資,并且與汽車供應商麥格納達成合作。表示其使用的方法與Quanergy或者MIT的不同,但是無法搜到其專利,具體細節和區別無從判斷。

Princeton Lightwave在2016年7月宣布進入車用激光雷達領域,該公司擅長蓋革模式激光雷達(Geiger-mode LiDAR),探測距離更遠,已經在航空測繪領域應用十幾年。

上海思嵐科技已經推出了面向掃地機器人的廉價激光雷達,同時也在研究固態激光雷達。

從無人機激光雷達起家的北醒光子,正在研發多線長距和固態激光雷達。

Blackmore開發的調頻連續波(FMCW)激光雷達,并沒有采用最容易理解的主流飛行時間法(Time of Flight,ToF),而是通過測量反射波的頻率改變來測距,精度更高,原理與傳統雷達類似;通過分離多普勒頻移,可以同時提供目標速度數據,不受霧、雨雪、灰塵影響。該公司獲得350萬美元A輪投資。

ADI亞德諾半導體從Vescent公司購買了可用于改變光束方向的液晶光導技術,還與提供固態照明模塊的TriLumina公司,合作開發低成本的汽車快閃激光雷達模組。

初創公司Phantom Intelligence在與歐司朗光電半導體合作研制固態激光雷達。

事實上有一些照明公司利用歐司朗的高功率紅外LED,實現了“燈 to燈”的光通信。這讓人好奇,激光雷達能否作為 DSRC 和 LTE-V2X 之外的補充性車際通信手段。

雷達用來通信不是異想天開,美國曾經測試過,利用F-22猛禽戰斗機的AN/APG-77主動電子掃描陣列(AESA)雷達進行大容量實時通信,傳輸對于目前軍用數據鏈過大的未壓縮文件,而光在電磁波譜當中,頻率比無線電更高,所以可以做到巨大的潛在帶寬。

回到激光雷達的話題。

2016年3月,德國汽車供應商大陸集團(Continental)收購了Advanced Scientific Concepts 的3D Flash激光雷達業務,開發探測距離200米的高分辨率3D Flash激光雷達,2020年量產。

以色列初創公司 Oryx的相干光雷達(coherent optical radar)發射端采用長波太赫茲紅外激光脈沖,天氣適應性強,沒有任何光束的轉向控制,核心競爭力在于接收端,不像其他激光雷達那樣通過光電傳感器來偵測光線粒子,而是根據光的“波粒二象性”以波的形式使用納米天線陣列接收返回信號,并且進行相干處理,同時實現了多普勒模式以檢測目標速度。檢測距離150米,預計100到250美元,已經完成1700萬美元A輪融資。

 

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