激光雷達(dá)傳感器在無人駕駛中的作用及市場趨勢

近段時間以來，國內(nèi)車企關(guān)于無人駕駛汽車的研發(fā)和測試捷報頻傳。先是吉利汽車宣布將在2022年亞運(yùn)舉辦期間，在特定區(qū)域內(nèi)使用完全無人駕駛的車輛。隨后再有報道稱，百度宣稱其新一代無人巴士車阿波龍二代將很快推出。而就在不久前，百度與中國一汽紅旗共同打造的國內(nèi)首批量產(chǎn)自動駕駛出租車在湖南長沙展開了上路測試。有消息稱，長沙市民有望在年底之前率先體驗(yàn)到中國首批自動駕駛出租車。無疑無人駕駛技術(shù)是一種解放人類雙手和提高生產(chǎn)力效率的科技創(chuàng)新。

本文將著重介紹激光雷達(dá)傳感器在無人駕駛中的作用及市場趨勢。

無人駕駛的底層支撐可以分為三部分，即：傳感器、高精地圖和計(jì)算平臺。在傳感器方面，主流的傳感器分為：攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。其作用如下：

1、攝像頭

直接識別可見光，價格適中，技術(shù)成熟，可以識別行人、車輛、路標(biāo)等物體，但易受視野、夜晚暗光、雨雪天氣等因素影響。

2、激光雷達(dá)

探測角度廣，精度高，厘米級精度的激光雷達(dá)結(jié)合高精地圖可以實(shí)現(xiàn)高精度自定位和物體識別跟蹤，定位可以精確到具體車道，但是價格昂貴，使用壽命較短。

3、毫米波雷達(dá)

測距離遠(yuǎn)，可以在雨雪天氣等各種惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，但是精度不高。

無人駕駛用于控制的傳感器要么是攝像頭，要么是激光雷達(dá)，這是業(yè)界已經(jīng)達(dá)成的共識。那何謂激光雷達(dá)？在無人機(jī)駕駛中的作用是什么？

激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測物體。激光雷達(dá)可以探測白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。由于反射度的不同，也可以區(qū)分開車道線和路面，但是無法探測被遮擋的物體、光束無法達(dá)到的物體，在雨雪霧天氣下性能較差。

激光雷達(dá)在無人駕駛運(yùn)用中擁有兩個核心作用。3D建模進(jìn)行環(huán)境感知。通過雷射掃描可以得到汽車周圍環(huán)境的3D模型，運(yùn)用相關(guān)算法比對上一幀和下一幀環(huán)境的變化可以較為容易的探測出周圍的車輛和行人。

附：激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

※注：圖源蓋世汽車研究院《車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)報告》，已在CIOE2019中【“光”+智能駕駛技術(shù)高峰論壇】上發(fā)布。

激光雷達(dá)在無人駕駛中的具體應(yīng)用

1．定位

定位在無人駕駛中十分鐘重要，只有有了實(shí)時的位置信息，系統(tǒng)才能做出下一步判讀，決定向何處進(jìn)發(fā)，以及如何前往?，F(xiàn)在定位的方式有許多種。如載波相位差分技術(shù)（RTK），但 RTK 還是會受信號的干擾。特別是在一些城市、建筑和樹比較多的地方，以及進(jìn)隧道、出隧道，它的信號容易中斷。同時，也有用攝像頭等傳感器感知外部環(huán)境、構(gòu)建環(huán)境模型并利用該模型確定車輛所在的位置的方式，但其對環(huán)境的依賴比較強(qiáng)，比如逆光或雨雪天氣下，這種定位容易失效。而激光雷達(dá)是依靠將車輛的初始位置與高精地圖信息進(jìn)行比對來獲得精確位置。首先，GPS、IMU和輪速等傳感器給出一個初始（大概）的位置。其次，將激光雷達(dá)的局部點(diǎn)云信息進(jìn)行特征提取，并結(jié)合初始位置獲得全局坐標(biāo)系下的矢量特征。最后，將上一步的矢量特征跟高精地圖的特征信息進(jìn)行匹配，得出精確的全球定位。所以，在定位方面，無論是從精度上還是穩(wěn)定性上來說，運(yùn)用激光雷達(dá)都有無可比擬的優(yōu)勢。而其唯一的缺點(diǎn)便在于目前激光雷達(dá)的生產(chǎn)成本較高，另一方面往固態(tài)方向上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，朝著固態(tài)的低成本和可量產(chǎn)化的方向去發(fā)展，許多國內(nèi)外廠家都在加速創(chuàng)新，在不久的將來成本將不會成為一個十分棘手的問題。

2．障礙物的檢測和分類

對于障礙物檢測和分類來講，目前有應(yīng)用視覺和激光雷達(dá)，這兩者并沒有沖突。激光雷達(dá)不依賴光照，它的視角是 360 度，計(jì)算量比較小，可以實(shí)時掃描，目前普遍用的是 100 毫秒以內(nèi)的。激光雷達(dá)在掃描的過程中，先識別障礙物，知道這個障礙物在空間中的位置，再根據(jù)存在的障礙物做分類。比如車、人，我們將這些障礙物分割成為獨(dú)立的個體，通過分割出來獨(dú)立的個體再去匹配，從而進(jìn)行障礙物的分類和物體的跟蹤。而跟蹤的過程，首先是分割點(diǎn)云，通過點(diǎn)云做關(guān)聯(lián)目標(biāo)，我們知道上一楨和下一楨是否屬于同一個物體，再進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，輸出目標(biāo)跟蹤信息。

3．用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System），簡稱ADAS，是利用安裝于車上的各式各樣的傳感器， 在第一時間收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)， 進(jìn)行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤等技術(shù)上的處理， 從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險， 以引起注意和提高安全性的主動安全技術(shù)。如果激光雷達(dá)能有效控制成本，ADAS等級數(shù)較低的駕駛輔助功能也需要用激光雷達(dá)。其原因在于，基于攝像頭的ADAS和無人駕駛系統(tǒng)，或者單獨(dú)使用毫米波的局限性很大。首先是視場角的問題，為了保證足夠的探測距離，視場角的角度不可太大，而這就導(dǎo)致車輛有非常大的橫向盲區(qū)。對此現(xiàn)象，有些公司設(shè)計(jì)了多攝像頭來解決此類問題，但效果并不理想，同樣的多目攝像頭會有重疊區(qū)域，還會增加處理數(shù)據(jù)的難度。其次是低速問題，事實(shí)證明，在低速情況下，攝像頭的表現(xiàn)不盡人意，甚至對一下移動緩慢或靜止的目標(biāo)都很難識別。所以激光雷達(dá)在ADAS方面有著很大的潛力。

激光雷達(dá)的行業(yè)趨勢

市場需求：L3級以上無人駕駛的必備傳感器

激光雷達(dá)是高精度的傳感器，但是有與過于昂貴，無人駕駛業(yè)界對激光雷達(dá)的存廢之爭一直沒有停止過。非激光雷達(dá)陣營主要是以特斯拉為代表的的傳統(tǒng)車企，他們傾向于漸進(jìn)式路線，從ADAS輔助駕駛逐漸升級過度到自動駕駛，以端到端的深度學(xué)習(xí)砍掉傳統(tǒng)的激光雷＝雷達(dá)，激光雷大陣營主要是以谷歌為代表的科技公司，他們傾向于一步到位路線，以激光雷達(dá)為主傳感器，等技術(shù)方案成熟成本下降后，再大規(guī)模商用。

未來發(fā)展方向：固態(tài)激光雷達(dá)

理論上來說，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動部件的雷達(dá)，光相控陣（Optical Phased Array）及Flash是其典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。但近年來，一些非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)也被統(tǒng)稱為“固態(tài)激光雷達(dá)”，它們具備了固態(tài)激光雷達(dá)很多的性能特點(diǎn)，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但這些技術(shù)方案會有一些微小的移動部件，從嚴(yán)格意義上來說不能算純固態(tài)激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)工作原理

固態(tài)激光雷達(dá)主要是依靠波的反射或接收來探測目標(biāo)的特性，大多源自三維圖像傳感器的研究，實(shí)際源自紅外焦平面成像儀，焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

固態(tài)激光雷達(dá)形成的三種技術(shù)路線

經(jīng)過多年的發(fā)展，固態(tài)激光雷達(dá)的基本框架已經(jīng)比較清晰了，以下是目前主流的三種方案。

1.MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微機(jī)電系統(tǒng)

MEMS指代的是將機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化的設(shè)計(jì)，將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過微電子工藝集成在硅基芯片上，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟，完全可以量產(chǎn)。主要是通過MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)垂直方面的一維掃描，整機(jī)360度水平旋轉(zhuǎn)來完成水平掃描，而其光源是采用光纖激光器，這主要是由于905納米的管子重頻做不高，重頻一高平均功率就會太大，會影響激光管的壽命。

從嚴(yán)格意義上來說，MEMS并不算是純固態(tài)激光雷達(dá)，這是因?yàn)樵贛EMS方案中并沒有完全消除機(jī)械，而是將機(jī)械微型化了，掃描單元變成了MEMS微鏡。

2.OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)

相比其他技術(shù)方案，OPA方案給大家描述了一個激光雷達(dá)芯片級解決方案的美好前景，它主要是采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對不同方向的掃描。雷達(dá)精度可以做到毫米級，且順應(yīng)了未來激光雷達(dá)固態(tài)化、小型化以及低成本化的趨勢，但難點(diǎn)在于如何把單位時間內(nèi)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高以及投入成本巨大等問題。

3.Flash

Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)劣

利用光學(xué)相控陣掃描技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)的確有很多優(yōu)勢，例如：

①其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，無需旋轉(zhuǎn)部件，在結(jié)構(gòu)和尺寸上可以大大壓縮，提高使用壽命并使其成本降低。

②掃描精度高，光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度，可以達(dá)到千分之一度量級以上。

③可控性好，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描。

④掃描速度快，光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性，一般都可以達(dá)到MHz量級。

當(dāng)然固態(tài)激光雷達(dá)也同樣存在一些劣勢，如：

①掃描角有限，固態(tài)意味著激光雷達(dá)不能進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，只能探測前方。因此要實(shí)現(xiàn)全方位掃描，需在不同方向布置多個（至少前后兩個）固態(tài)激光雷達(dá)

②旁瓣問題，光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

③加工難度高，光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達(dá)的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術(shù)突破。

④接收面大、信噪比差：傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)只需要很小的接收窗口，但固態(tài)激光雷達(dá)卻需要一整個接收面，因此會引入較多的環(huán)境光噪聲，增加了掃描解析的難度。

總的來說，目前，固態(tài)激光雷達(dá)在其本該有的特性上（可靠性強(qiáng)、成本低及測距遠(yuǎn)），市面上現(xiàn)有的雷達(dá)產(chǎn)品很難同時滿足，這也決定了固態(tài)激光雷達(dá)在短時間內(nèi)是很難被產(chǎn)品化。同時也導(dǎo)致了目前所有固態(tài)雷達(dá)公司的交貨日期都在不斷延長。

雖然很多業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，未來固態(tài)化、小型化、低成本化將是未來激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢，但目前，機(jī)械式激光雷達(dá)仍是主流。

（文章來源：ISweek工采網(wǎng)、SLAMTEC）