自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器必須解決溫度、照明、反射、導(dǎo)航甚至網(wǎng)絡(luò)安全等多種性能挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，自動(dòng)駕駛為基于光子學(xué)的傳感器帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛汽車需要激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭、雷達(dá)和超聲波等許多類型的傳感器，預(yù)計(jì)每年數(shù)百萬的自動(dòng)駕駛汽車將為這些傳感器帶來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。
當(dāng)然，與機(jī)遇相伴的是，挑戰(zhàn)也很多。攝像頭和激光雷達(dá)必須高可靠地生成安全導(dǎo)航所需要的數(shù)據(jù)，在各種溫度、照明水平和目標(biāo)反射率下運(yùn)行多年。并且，還需要在低成本下提供這種性能，好比以消費(fèi)類產(chǎn)品的價(jià)格，提供航天產(chǎn)品的質(zhì)量。
上圖激光雷達(dá)圖像中的顏色編碼反映強(qiáng)度，很容易看到車輛的黑色輪胎。這種性能對(duì)于自動(dòng)駕駛很重要，因?yàn)榈缆飞蠒r(shí)常會(huì)出現(xiàn)車輛需要避讓的散落輪胎
因此，激光雷達(dá)和攝像頭供應(yīng)商正在不斷創(chuàng)新。如果自動(dòng)駕駛汽車能夠在近年內(nèi)成功在大眾市場(chǎng)閃亮登場(chǎng)，激光雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步功不可沒。
Yole技術(shù)和市場(chǎng)分析師Alexis Debray指出，對(duì)多種傳感器的需求，源于這些不同技術(shù)的不同基本功能。“攝像頭具有良好的空間分辨率，但缺乏深度信息，”他說，“雷達(dá)具有良好的深度感知，但受限于橫向空間分辨率。而激光雷達(dá)能夠以中等分辨率實(shí)現(xiàn)兩者兼具。”
Debray稱，攝像頭相比雷達(dá)可以提供100倍的空間分辨率。而落在兩者之間的激光雷達(dá)，其分辨率約為雷達(dá)的20倍，攝像頭的五分之一，填補(bǔ)了覆蓋范圍的空白。
自動(dòng)駕駛使用多種類型的傳感器，還有另一個(gè)原因。“那就是安全，需要從多個(gè)傳感器獲取自動(dòng)駕駛需要的冗余信息，”Debray說。
因此，激光雷達(dá)和雷達(dá)都用于提供有關(guān)物體距離的信息，以及物體之間距離變化的速度信息。攝像頭可以捕捉物體的顏色和其他特征。這些傳感數(shù)據(jù)可用于將物體分類，例如被風(fēng)吹起的塑料袋，或者需要避讓的行人或其他車輛，這些對(duì)于自動(dòng)駕駛來說至關(guān)重要。攝像頭還可以捕捉街道交通標(biāo)志、探測(cè)車道標(biāo)記。
激光雷達(dá)已經(jīng)首次裝配在量產(chǎn)汽車中進(jìn)入大眾市場(chǎng)，盡管目前有些系統(tǒng)的覆蓋范圍和探測(cè)距離仍有限。然而，自動(dòng)駕駛應(yīng)用的激光雷達(dá)系統(tǒng)需要足夠高的分辨率和足夠遠(yuǎn)的探測(cè)距離，以精確感知車輛的周圍環(huán)境。美國(guó)加州的激光雷達(dá)領(lǐng)導(dǎo)廠商Velodyne LiDAR首席技術(shù)官Anand Gopalan表示，這些要求對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。Velodyne公司參與了全球許多自動(dòng)駕駛汽車項(xiàng)目。
峰值功率
假設(shè)一輛自動(dòng)駕駛汽車正以120公里／小時(shí)的速度在高速上行駛，在前方幾百米處出現(xiàn)了黑色的破損輪胎。據(jù)Gopalan介紹，輪胎的反射率約為10％，在這種情況下，激光雷達(dá)投射在輪胎上的數(shù)十億光子，只有數(shù)百個(gè)能反射回來。
“我們需要在激光器上獲得高峰值功率，”Gopalan說，“因?yàn)樗梢栽诿看螠y(cè)量距離的脈沖中發(fā)射盡可能多的光子。而探測(cè)器需要高靈敏度和低噪音。”
在激光雷達(dá)圖像中顏色編碼反映強(qiáng)度，車道標(biāo)志會(huì)“浮現(xiàn)”出來
這些返回的信息需要組合成距離數(shù)據(jù)的點(diǎn)云，然后對(duì)其進(jìn)行解讀。系統(tǒng)可能只有一秒的時(shí)間來執(zhí)行這些操作并采取某種行動(dòng)，因?yàn)樵诟咚偕闲旭偟钠嚨膭x停距離可能需要近百米或更長(zhǎng)。
Gopalan說，業(yè)內(nèi)廠商已經(jīng)開始為第一波自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)行規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2022年將推出幾十萬輛自動(dòng)駕駛汽車。他補(bǔ)充說，自動(dòng)駕駛所需要的傳感器在性能、可擴(kuò)展性和成本方面，到時(shí)已經(jīng)能夠滿足行業(yè)的初期要求。他預(yù)測(cè)，隨著銷量的增加，這些傳感器的成本將進(jìn)一步下降。
將傳感器捕捉的數(shù)據(jù)通過汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回中央處理單元需要能耗，而分析這些數(shù)據(jù)需要更多的能耗和計(jì)算資源。因此，降低成本的一種途徑是使傳感器變得更智能，提高邊緣計(jì)算處理能力。
先進(jìn)的CMOS圖像傳感器可以提供適用于新一代駕駛輔助和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的分辨率，這些圖像傳感器有助于對(duì)象的分類，從而實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航
滿足自動(dòng)駕駛車輛需求的另一種方法是推出新技術(shù)。美國(guó)加州的激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司Quanergy Systems便提供了一個(gè)案例。Quanergy Systems首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada稱，該公司的核心專長(zhǎng)在于光學(xué)相控陣技術(shù)。
通過數(shù)千個(gè)光學(xué)天線元件之間的干涉，該公司的芯片可以在不使用任何運(yùn)動(dòng)部件的情況下形成并偏轉(zhuǎn)光束。據(jù)Eldada稱，Quanergy的激光雷達(dá)產(chǎn)品比同等性能的機(jī)械式激光雷達(dá)更小、更可靠。并且，這種系統(tǒng)功耗更低，可以用高幀率的低強(qiáng)度激光覆蓋周圍環(huán)境。
“這是一種紅外激光束。我們的工作波長(zhǎng)為905 nm，因?yàn)槲覀兿Ｍl(fā)射器和接收器等所有芯片都采用硅材料和工藝，”Eldada說。
多激光雷達(dá)組合應(yīng)用
Eldada指出，每輛車上可能需要多個(gè)激光雷達(dá)。自動(dòng)駕駛汽車必須能夠精確地“看到”周圍的一切，汽車制造商希望刷新率能夠達(dá)到50 fps，而單個(gè)激光雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn)。如果激光雷達(dá)傳感器的安裝位置不影響車身設(shè)計(jì)，則意味著車輛本身將會(huì)阻擋傳感器的部分視線。“因此，每輛自動(dòng)駕駛汽車將需要3～5個(gè)激光雷達(dá)，”Eldada說，“其中，4個(gè)是最優(yōu)的組合。因而每個(gè)激光雷達(dá)的價(jià)格需要降到數(shù)百美元區(qū)間。”
加拿大激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司LeddarTech則帶來了另一種達(dá)到成本和性能目標(biāo)的方案。LeddarTech總裁兼首席執(zhí)行官Frantz Saintellemy表示，該公司開發(fā)了自己的核心傳感技術(shù)，并為客戶提供如何為汽車應(yīng)用構(gòu)建激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整解決方案。
LeddarTech基于信號(hào)采集和處理技術(shù)，可以使返回脈沖捕捉更多信息。據(jù)Saintellemy介紹，這可以用更低的成本獲得可接受的產(chǎn)品性能。例如，該公司的參考設(shè)計(jì)能夠使用905nm激光器和探測(cè)器達(dá)到數(shù)百米的探測(cè)距離，該波長(zhǎng)的激光器和探測(cè)器比1550nm器件性能低，但成本低得多。
“今天我們選擇專注于905nm波長(zhǎng)，因?yàn)檫@是目前更實(shí)際可行的技術(shù)方案，”Saintellemy說，“隨著1550nm技術(shù)變得更加標(biāo)準(zhǔn)化，我們可以通過選擇1550nm技術(shù)方案來顯著提高我們的產(chǎn)品性能。但是，現(xiàn)在我們并不需要利用它來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所需要的性能。”
多攝像頭組合應(yīng)用
據(jù)Yole稱，每輛自動(dòng)駕駛汽車或?qū)⒀b備10個(gè)以上的攝像頭，而目前汽車中一般只有2～4個(gè)攝像頭。更重要的是，與當(dāng)今最先進(jìn)的汽車相比，未來自動(dòng)駕駛需要的攝像頭必須具有更低的噪聲、更好的校準(zhǔn)性能和更強(qiáng)大的堅(jiān)固性。
“用于自動(dòng)駕駛汽車的攝像頭與工廠中用于機(jī)器視覺的攝像頭類似，”Debray說。
OmniVision Technologies（豪威科技）汽車營(yíng)銷負(fù)責(zé)人Andy Hanvey表示，攝像頭的分辨率最初為2～8 MP，之后將升級(jí)到更高的分辨率。更好的成像能力可以帶來很多優(yōu)勢(shì)。
“隨著分辨率的提高，可以使攝像頭能夠更遠(yuǎn)地看到并更快地檢測(cè)到障礙物或危險(xiǎn)，”Hanvey說，“越早感知危險(xiǎn)，對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車來說非常重要。”
對(duì)于堅(jiān)固耐久性的要求，一方面是因?yàn)樽詣?dòng)駕駛車輛未來在路上行駛的時(shí)間將更長(zhǎng)。現(xiàn)在，普通汽車通常每天有22～23個(gè)小時(shí)是閑置在車位上的。自動(dòng)駕駛汽車可能會(huì)刺激乘車共享的發(fā)展。如果是這樣，使用和閑置之間的比例可能會(huì)翻轉(zhuǎn)，全自動(dòng)駕駛汽車每天可能要運(yùn)行20多個(gè)小時(shí)。
“這要求傳感器具有更高的可靠性，就像工業(yè)或商業(yè)設(shè)備必須比消費(fèi)類設(shè)備更加堅(jiān)固、耐久，”位于美國(guó)鳳凰城的芯片制造商ON Semiconductor（安森美半導(dǎo)體）汽車傳感部門市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)主管Geoff Ballew說。ON Semiconductor是汽車圖像傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。
此外，可靠性還需要網(wǎng)絡(luò)安全。惡意攻擊自動(dòng)駕駛汽車可能導(dǎo)致致命的結(jié)果。業(yè)界正在通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)解決這個(gè)問題。Ballew表示，ON Semiconductor已經(jīng)將其建議的功能納入其傳感產(chǎn)品中。
據(jù)Ballew稱，多達(dá)20種不同分辨率的攝像頭最終可以安裝在自動(dòng)駕駛汽車中。這個(gè)數(shù)量級(jí)的攝像頭可以覆蓋幾乎所有視角，確保車輛能夠充分看到周圍發(fā)生的所有狀況。同時(shí)，成像必須足夠清晰，以便處理器可以將攝像頭圖像與其他傳感器報(bào)告的信息組合，決定并快速采取行動(dòng)。
“關(guān)鍵是要對(duì)汽車進(jìn)行360°覆蓋，視野中的任何部分都至少有一個(gè)攝像頭覆蓋，并且具有近距離和遠(yuǎn)距離覆蓋范圍，使汽車每個(gè)角度都有覆蓋冗余。”Ballew說道。
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