2017年亞洲消費類電子產(chǎn)品展覽會(CES Asia 2017)于北京時間2017年6月7日至9日在上海舉辦。我們不難發(fā)現(xiàn)，此次眾廠商在無人駕駛方面的布局有所增加，寶馬公司以及英特爾公司也分別開展了試駕活動和無人機的展示。我們可以肯定的是，無人駕駛是汽車的未來，但眾多傳感器是實現(xiàn)無人駕駛必不可少的，尤其是激光雷達，更是重中之重。
激光雷達（LiDAR）是無人駕駛汽車中最強大的傳感器之一。它可以區(qū)分真實移動中的行人和人物海報、在三維立體的空間中建模、檢測靜態(tài)物體、精確測距。它是通過發(fā)射激光束來探測目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，具有測量精度高、方向性好等優(yōu)點， 在軍事領(lǐng)域以及民用的地理測繪等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 由于激光雷達可以形成精度高達厘米級的 3D 環(huán)境地圖， 因此在 ADAS 及無人駕駛系統(tǒng)中具有重要作用。
激光雷達的原理與結(jié)構(gòu)
與雷達原理相似，激光雷達使用的技術(shù)是飛行時間（TOF， Time of Flight）。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標(biāo)與自己的相對距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別，從而提高測量精度。
在ADAS系統(tǒng)中，激光雷達通過透鏡、激光發(fā)射及接收裝置，基于TOF飛行時間原理獲得目標(biāo)物體位置、移動速度等特征數(shù)據(jù)并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理器；同時，汽車的速度、加速度、方向等特征數(shù)據(jù)也將通過CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器對目標(biāo)物體及汽車本身的信息數(shù)據(jù)進行綜合處理并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的被動警告指令或主動控制指令，以此實現(xiàn)輔助駕駛功能。
下圖展現(xiàn)的是谷歌無人駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車上使用的激光雷達的布局：
激光雷達的分類
激光雷達按有無機械旋轉(zhuǎn)部件分類，包括機械激光雷達和固態(tài)激光雷達。機械激光雷達帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達則依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無需機械旋轉(zhuǎn)部件。
機械激光雷達由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機械旋轉(zhuǎn)部件是指圖中可360°控制激光發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。
固態(tài)激光雷達與機械雷達不同，它通過光學(xué)相控陣列（OpticalPhasedArray）、光子集成電路（PhotonicIC）以及遠場輻射方向圖（FarFieldRadiationPattern）等電子部件代替機械旋轉(zhuǎn)部件實現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。
由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達的體積大小也不盡相同。機械激光雷達體積較大、價格昂貴、測量精度相對較高，一般置于汽車外部。固態(tài)激光雷達尺寸較小、性價比較高、測量精度相對低一些，但可隱藏于汽車車體內(nèi)，不會破壞外形美觀。
根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。顧名思義，單線束激光雷達掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線， 其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。不過， 由于單線束激光雷達具有測量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點， 多被應(yīng)用于安全防護、地形測繪等領(lǐng)域。
多線束激光雷達掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區(qū)別在于激光雷達垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對于激光雷達在汽車上的安裝位置要求有所不同。
Velodyne激光雷達
Velodyne是車用激光雷達的行業(yè)先導(dǎo)，公司成立于1983年，以頭戴式耳機、低音音箱以及3D激光雷達為主要業(yè)務(wù)。近年來，Velodyne的3D激光雷達業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，谷歌在其最早的自動駕駛原型汽車中所使用的LiDAR傳感器就是由該公司開發(fā)的，其產(chǎn)品的測量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標(biāo)桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達產(chǎn)品種類豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專門為智能駕駛汽車設(shè)計的Ultra Puck激光雷達。
在2016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D激光雷達混合固態(tài)超級冰球（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），這款產(chǎn)品為32線束激光雷達，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時價格低廉，未來在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，其目標(biāo)價格可降至500美元，性價比較高。但這款激光雷達目前的版本只是車企測試版，而非最終供貨版本，正式量產(chǎn)版本要到2018年才能面世。
Ultra Puck不僅在外形及價格成本上有較大突破，在專業(yè)技術(shù)上也有所改進。Velodyne對該款產(chǎn)品激光發(fā)射裝置設(shè)置了2微秒時差，即32個激光發(fā)射器并非同時發(fā)射激光，而是以2微秒的時間間隔按順序發(fā)射激光，這種設(shè)置可防止高發(fā)射率物體使激光雷達致盲，產(chǎn)品的性能得到提升。
Quanergy全固態(tài)激光雷達
2012年底，以3D激光雷達傳感器為主要產(chǎn)品的Quanergy公司在硅谷成立。2014年9月，Quanergy和奔馳達成戰(zhàn)略合作，為奔馳研發(fā)車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人車。2014年10月，該公司獲得了3000萬美元的A輪融資。2015年10月，Quanergy公司宣布與Delphi公司合作，為無人駕駛汽車開發(fā)一種新型的激光雷達系統(tǒng)，每臺單價低于1000美元。目前，Quanergy共推出了兩款3D激光雷達產(chǎn)品，一款是安裝在奔馳智能駕駛測試車上的TheMarkVIII，另一款就是第一款專為智能駕駛汽車設(shè)計的全固態(tài)激光雷達S3。
S3全固態(tài)激光雷達基于相控陣技術(shù)代替了機械激光雷達的外部旋轉(zhuǎn)部件，大幅度縮小了產(chǎn)品體積，便于在汽車上安裝且不占據(jù)過多空間。同時，約250美元的價格也易于讓市場更接受。但是，由于其使用的有關(guān)電子部件不能像機械旋轉(zhuǎn)部件一樣360°旋轉(zhuǎn)，只能探測前方不超過180°的視角范圍，因此一輛智能汽車一般至少需要4至6個S3激光雷達。
實際上，該款全固態(tài)激光雷達在測量精度、水平視野等參數(shù)特性上還有待進一步提升。S3激光雷達是Quanergy公司與Delphi公司合作后所推出的中間產(chǎn)品，并非最終供貨產(chǎn)品。雖然該產(chǎn)品暫時只是作為研究成果存在，并未上市推廣，但其全固態(tài)技術(shù)突破對于車用激光雷達的發(fā)展卻有著重大的意義。
綜上所述、無論是VelodyneUltra Puck提供的“混合固態(tài)”激光雷達還是Quanergy S3基于光學(xué)相控陣列的全“固態(tài)”激光雷達，都預(yù)示著激光雷達的固態(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，我們又向無人駕駛的量產(chǎn)邁出了一大步。Quanergy全固態(tài)激光雷達
2012年底，以3D激光雷達傳感器為主要產(chǎn)品的Quanergy公司在硅谷成立。2014年9月，Quanergy和奔馳達成戰(zhàn)略合作，為奔馳研發(fā)車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人車。2014年10月，該公司獲得了3000萬美元的A輪融資。2015年10月，Quanergy公司宣布與Delphi公司合作，為無人駕駛汽車開發(fā)一種新型的激光雷達系統(tǒng)，每臺單價低于1000美元。目前，Quanergy共推出了兩款3D激光雷達產(chǎn)品，一款是安裝在奔馳智能駕駛測試車上的TheMarkVIII，另一款就是第一款專為智能駕駛汽車設(shè)計的全固態(tài)激光雷達S3。
S3全固態(tài)激光雷達基于相控陣技術(shù)代替了機械激光雷達的外部旋轉(zhuǎn)部件，大幅度縮小了產(chǎn)品體積，便于在汽車上安裝且不占據(jù)過多空間。同時，約250美元的價格也易于讓市場更接受。但是，由于其使用的有關(guān)電子部件不能像機械旋轉(zhuǎn)部件一樣360°旋轉(zhuǎn)，只能探測前方不超過180°的視角范圍，因此一輛智能汽車一般至少需要4至6個S3激光雷達。
實際上，該款全固態(tài)激光雷達在測量精度、水平視野等參數(shù)特性上還有待進一步提升。S3激光雷達是Quanergy公司與Delphi公司合作后所推出的中間產(chǎn)品，并非最終供貨產(chǎn)品。雖然該產(chǎn)品暫時只是作為研究成果存在，并未上市推廣，但其全固態(tài)技術(shù)突破對于車用激光雷達的發(fā)展卻有著重大的意義。
綜上所述、無論是VelodyneUltra Puck提供的“混合固態(tài)”激光雷達還是Quanergy S3基于光學(xué)相控陣列的全“固態(tài)”激光雷達，都預(yù)示著激光雷達的固態(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，我們又向無人駕駛的量產(chǎn)邁出了一大步。
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