與其他技術(shù)一樣，自動(dòng)駕駛技術(shù)最早也是美國軍方的自留地。初期的自動(dòng)駕駛軍用卡車車頂就像安裝著幾個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的“咖啡罐”?？突仿〈髮W(xué)設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛悍馬更是像頭頂一個(gè)巨型的“乒乓球”。
要說脫離現(xiàn)有設(shè)計(jì)框架的產(chǎn)品，還得提起已經(jīng)退役的谷歌“螢火蟲”測試車，它造型憨態(tài)可掬，頭頂一個(gè)看起來像警笛的傳感器。如果你不了解它，恐怕會(huì)覺得這是世界上最可愛的警車。
雖然車頂佩戴的“裝飾品”形態(tài)各異，但上述提到的三個(gè)例子都殊途同歸，因?yàn)闊o論是咖啡罐、乒乓球還是警笛，其實(shí)都是激光雷達(dá)。
激光雷達(dá)會(huì)向四周發(fā)射激光，每秒生成 30 萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果沒有它，自動(dòng)駕駛汽車如同一個(gè)盲人。
從現(xiàn)在的情況來看，自動(dòng)駕駛汽車可謂是“成也激光雷達(dá)，敗也激光雷達(dá)”。雖然激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車的“眼睛”，但單個(gè)售價(jià)卻高達(dá) 7.5 萬美元，比車的價(jià)格都貴。而且別忘了，這個(gè)傳感器只是自動(dòng)駕駛這盤大餐中的其中一個(gè)“調(diào)料”罷了。
不過，這樣的尷尬局面正在被一點(diǎn)點(diǎn)打破，固態(tài)激光雷達(dá)開始站上歷史舞臺(tái)。
據(jù)新智駕了解，固態(tài)激光雷達(dá)取消了移動(dòng)部件，價(jià)格大幅下降，而且還能讓自動(dòng)駕駛汽車“視力”tigao 。也就是說，固態(tài)激光雷達(dá)正在為第一批買得起的自動(dòng)駕駛汽車的而用戶趟出一條路。
接下來，我們就對固態(tài)激光雷達(dá)進(jìn)行一次深度的追根溯源。
激光雷達(dá)的工作原理
激光雷達(dá)這個(gè)詞其實(shí)是“light”（光）和“radar”（雷達(dá)）兩個(gè)詞組成的，也就是說它也是雷達(dá)的一種，不過工作時(shí)靠的不是電波，而是激光。
雷達(dá)主要接收物體表面反射回來的無線電波脈沖，以決定物體和自己的相對方位（靠電波脈沖的返回時(shí)間）。激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)大致相似，不過接收的卻是激光脈沖。
只要向周邊發(fā)射出足夠的激光，就能得出周圍世界的三維“點(diǎn)云”圖像。對人來說，三維“點(diǎn)云”圖像看起來像是藝術(shù)創(chuàng)作，但對自動(dòng)駕駛汽車來說，它是自動(dòng)駕駛汽車了解周圍世界的可靠線索。
正如行業(yè)內(nèi)大部分人的看法：“想搭建一個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)一個(gè)都不能少。”雖然自動(dòng)駕駛汽車搭載了激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭等傳感器，但定位這個(gè)關(guān)鍵功能主要還是靠激光雷達(dá)：車輛不僅要識(shí)別出自己在地圖上的位置，而且精確度還必須非常高。
說起定位，一般人會(huì)第一個(gè)想到 GPS。但在精度上，GPS 并不如激光雷達(dá)。前者的精度只能控制在直徑為 4.8 米的圓內(nèi)，而激光雷達(dá)能將精度控制在 10 厘米內(nèi)。
眼下，除了特斯拉 CEO Elon Musk，幾乎所有行業(yè)內(nèi)的專家都相信，激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn) Level 4/5 自動(dòng)駕駛的必要條件。
雖然現(xiàn)在的激光雷達(dá)售價(jià)昂貴，但與其他技術(shù)一樣，“時(shí)間是最好的砍價(jià)機(jī)器”。但一個(gè)必須面臨的現(xiàn)實(shí)問題是：如果繼續(xù)使用老式的機(jī)械激光雷達(dá)，這句話并不能成為真理，畢竟各種活動(dòng)和旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)讓此類產(chǎn)品很難大幅降價(jià)，體積和性能更是無法滿足市場要求。
還好，研究人員找到了固態(tài)激光雷達(dá)解決方案，自動(dòng)駕駛汽車的未來再次變得一片光明。
歡迎來到固態(tài)激光雷達(dá)時(shí)代
固態(tài)電子學(xué)的誕生已經(jīng)改變了我們的生活方式，從看時(shí)間到聽音樂都有它的影響。
如果要打個(gè)比方，可以想想十幾年前的 CD 機(jī)，進(jìn)入固態(tài)時(shí)代后，我們聽歌都換成了手機(jī)。雖然聽音樂這個(gè)動(dòng)作沒有變，但現(xiàn)在的手機(jī)放在振動(dòng)器上也能放音樂，而 CD 機(jī)恐怕不行，這就是固態(tài)存儲(chǔ)的功勞，激光雷達(dá)也正在朝這個(gè)方向前進(jìn)。
傳統(tǒng)的機(jī)械激光雷達(dá)就像老式 CD 機(jī)，它們體積巨大而且價(jià)格昂貴，固態(tài)激光雷達(dá)則能完美解決機(jī)械激光雷達(dá)的兩大問題。
不過，激光雷達(dá)的固態(tài)化可不是說說那么容易，如何在不移動(dòng)鏡頭或反光鏡的情況下讓激光散射出去？如何將激光雷達(dá)做成固態(tài)？還好，工程師們想出了許多有效的辦法。
第一種叫做 Flash LiDAR。只要有光源，就能用脈沖一次覆蓋整個(gè)視場。隨后再用飛行時(shí)間（ToF）方法接收相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制出激光雷達(dá)周圍的圖像。簡單來說，這就是一個(gè)能看到距離卻識(shí)別不了色彩的相機(jī)。
不過，這種方案在操作中會(huì)遇到一些小障礙。
首先，要想看得夠遠(yuǎn)，激光器的功率就得足夠大，這就意味著價(jià)格上漲。其次，激光的功率必須有所控制，否則會(huì)傷害人類的視網(wǎng)膜，而功率不夠探測距離就上不去。
當(dāng)然，傷害視網(wǎng)膜的問題并非無法解決，用人眼不可見的特殊波段就行。但這樣的解決方案還是會(huì)引起產(chǎn)品成本上漲，因?yàn)榱畠r(jià)的硅成像儀捕捉不到這種較為安全的頻譜。想達(dá)成設(shè)計(jì)效果就得換砷化鎵成像儀，整套系統(tǒng)下來恐怕得要 20 萬美元。
還好，F(xiàn)lash LiDAR 并非固激光雷達(dá)的唯一解決方案。業(yè)內(nèi)還出現(xiàn)了另一種方案，即 MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)。
顧名思義，MEMS 系統(tǒng)中也有活動(dòng)部件，因此它只能算半固態(tài)激光雷達(dá)。不過，它也身材小巧，而且在技術(shù)上相對傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)有了較大進(jìn)步。
其結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，只要一束激光和一塊反光鏡。具體來說，激光射向這塊類似陀螺一樣旋轉(zhuǎn)的反光鏡就行，反光鏡通過轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對激光方向的控制。
當(dāng)然，這個(gè)難度在于，如何保證整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完美協(xié)同。因?yàn)樾D(zhuǎn)的反光鏡可能會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響，而這在汽車上幾乎是家常便飯。
有業(yè)內(nèi)人士指出，“MEMS 反光鏡可能會(huì)出現(xiàn)漂移失準(zhǔn)。當(dāng)氣溫發(fā)生較大變化時(shí)，整套系統(tǒng)就需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)，實(shí)在是太麻煩。如果反光鏡卡住，就更麻煩了。”
此外，太陽光可能也會(huì)影響其工作效果。如果面向太陽，太陽光會(huì)反射進(jìn)激光雷達(dá)，讓探測器進(jìn)入飽和狀態(tài)，車輛就拿不到其他數(shù)據(jù)。
相控陣登場
在上世紀(jì) 90 年代拿到光電學(xué)博士后，Quanergy 的創(chuàng)始人兼 CEO Louay Eldada 就在潛心破解這個(gè)問題，并在固態(tài)激光雷達(dá)行業(yè)扮演領(lǐng)航者的角色。
Eldada 是哥倫比亞大學(xué)電子工程專業(yè)博士，專攻低成本、高精度激光雷達(dá)方向，創(chuàng)立 Quanergy 之前賣掉過 3 家創(chuàng)業(yè)公司。
Quanegy 成立于 2012 年。創(chuàng)立至今，共計(jì)拿到 1.6 億美金融資，估值一度超過 15 億美金，成為名副其實(shí)的激光雷達(dá)獨(dú)角獸。盡管 OPA 在業(yè)內(nèi)有諸多爭議，但不可否認(rèn)的是，Quanergy 是第一個(gè)敢于吃螃蟹的激光雷達(dá)公司。
Quanergy 的競爭力和創(chuàng)新性來自三方面：激光相控陣（Optical Phased Array）、光學(xué)集成電路（Photonic IC）和遠(yuǎn)場輻射（Far Field Radiation Pattern）。其中激光相控陣是實(shí)現(xiàn)「固態(tài)」的重要技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械掃描技術(shù)相比，激光相控陣掃描技術(shù)有掃描速度快、精度高、可能性好的優(yōu)勢。
Eldada 和自己的團(tuán)隊(duì)決定向雷達(dá)取經(jīng)，畢竟它也算是激光雷達(dá)的“近親”。
結(jié)果顯示，曾經(jīng)的雷達(dá)也像激光雷達(dá)一樣旋轉(zhuǎn)，直到研發(fā)人員發(fā)明了相控陣技術(shù)。利用獨(dú)立天線同步形成的微陣列，相控陣可以向任何方向發(fā)送無線電波，完全省略了“旋轉(zhuǎn)”這一步驟——只需控制每個(gè)天線發(fā)送信號(hào)間的時(shí)機(jī)或陣列，工程師就能控制信號(hào)射向特定位置。
早在上世紀(jì) 50 年代，相控陣技術(shù)就被用在雷達(dá)中（現(xiàn)在最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)就在使用相控陣?yán)走_(dá)），不過如何將這項(xiàng)技術(shù)用在激光雷達(dá)中卻是 Eldada 團(tuán)隊(duì)最近才弄明白的。
“我們有大量的（100 萬個(gè)）光學(xué)天線原件。”Eldada 解釋。“它們可以基于各自間的相位關(guān)系形成一幅輻射方向圖，其尺寸和指向都是固定的。”
通過對這 100 萬個(gè)獨(dú)立發(fā)射器進(jìn)行精確控制，Quanergy 只用硅就能操縱光。“干涉效應(yīng)決定了光的走向，而在機(jī)械式激光雷達(dá)上，鏡頭或反光鏡是決定項(xiàng)。”Eldada 解釋。
這種解決方案下，所有的機(jī)械激光雷達(dá)中的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)都消失不見，只需要芯片就夠了。眼下，Quanergy 的激光雷達(dá)會(huì)搭載多塊芯片，售價(jià)已經(jīng)降至 900 美元。不過，未來版本只需一塊芯片就能工作，售價(jià)也會(huì)跌至 100 美元以下。
固態(tài)化帶來的好處并不只是售價(jià)的降低。
“固態(tài)激光雷達(dá)的應(yīng)用還能讓用戶根據(jù)需求修改鏡頭的形狀以完成特定的變焦任務(wù)。這種能力可讓車輛實(shí)現(xiàn)跳躍式觀察，在駕駛員意識(shí)不到的情況下對場景進(jìn)行識(shí)別，決定路上哪些物體值得詳細(xì)分析。”Eldada 解釋。
固態(tài)設(shè)備的使用壽命也是一大優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的機(jī)械激光雷達(dá)的故障間隔時(shí)間在 1000 至 2000 小時(shí)左右，固激光雷達(dá)壽命就要長得多，Quanergy 稱自家產(chǎn)品用 10 萬小時(shí)沒有問題。
那么，三種固態(tài)激光雷達(dá)，到底哪個(gè)才是自動(dòng)駕駛汽車的“Mr.Right”？
由于一時(shí)無法判斷這三種激光雷達(dá)到底誰更有前途，安波福干脆直接投資上述三種激光雷達(dá)方案：Quanergy、Leddartech 和 Innoviz。
三種激光雷達(dá)在視場、分辨率和探測距離上都有不同的權(quán)衡。因此，最終選擇哪款激光雷達(dá)還要看它的安裝位置和車輛對不同性能指標(biāo)的需求。
舉例來說，安裝在側(cè)面的激光雷達(dá)可能不需要特別出色的探測距離，Tier 1 和 OEM 希望通過不同激光雷達(dá)組合實(shí)現(xiàn)成本和效能的最佳平衡。
想買自動(dòng)駕駛汽車還得等多久？
1999 年時(shí)，捷豹推出了首款搭載巡航控制功能的車型——捷豹 XK。當(dāng)時(shí)這款雙門轎跑售價(jià)高達(dá) 10 萬美元。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)該功能的雷達(dá)售價(jià)相當(dāng)昂貴，有人甚至打趣的表示“這是買雷達(dá)送車”。
現(xiàn)在，購買一輛 18000 美元的卡羅拉就能用上這一功能。由此可以看到，激光雷達(dá)的學(xué)習(xí)曲線與當(dāng)年的雷達(dá)類似。在固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)完全成熟并進(jìn)入大眾市場前，自動(dòng)駕駛汽車必然是富人的玩物。
*【圖片來源：technologyx】
Quanergy 900美元的固態(tài)激光雷達(dá)就是自動(dòng)駕駛大眾化的重要推手，而 2019 年上市的 Fisker Emotion 將成為首款搭載該傳感器的車型，而且一裝就是 5 臺(tái)。
由于體型小巧，Quanergy 的激光雷達(dá)可以直接安裝在車輛的進(jìn)氣口里，并用鍍鉻裝飾進(jìn)行遮擋，完全不影響美觀，比原來頂著大鍋滿街跑的測試車好多了。
Eldada 相信，如果美國制造商愿意，我們最早 2020 年就能見到 Level 4 自動(dòng)駕駛汽車上路。“2021、2022 年其他廠商也會(huì)跟進(jìn)。2023 年，多數(shù)汽車廠商都會(huì)拿出自己的自動(dòng)駕駛汽車。”
由于 Fisker 定價(jià)高達(dá) 13 萬美元，因此其角色就像當(dāng)年的 XK，一臺(tái)昂貴的高科技先驅(qū)。最終，搭載固態(tài) 激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車會(huì)飛入尋常百姓家，它不再是奔馳 S 級(jí)或?qū)汃R 7 系的專屬，也就是說卡羅拉未來也會(huì)有自動(dòng)駕駛功能。
另外，汽車只是固態(tài)激光雷達(dá)的首個(gè)“宿主”。“你會(huì)在其他設(shè)備上見到它的身影，比如可穿戴設(shè)備、消防員或士兵的頭盔等，固態(tài)激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍幾乎是無限的。”Eldada 信心滿滿地表示。
2018 年 10 月 26 日 到 10 月 27 日，由蘇州高鐵新城管理委員會(huì)主辦，新智駕（微信公眾號(hào)：AI-Drive）、數(shù)域承辦、上海交通工程學(xué)會(huì)協(xié)辦的全球智能駕駛峰會(huì)將在蘇州相城舉行。
Louay Eldada 博士將在本次峰會(huì)進(jìn)行演講，分享關(guān)于固態(tài)激光雷達(dá)更多技術(shù)突破以及 Quanergy 產(chǎn)品的最新進(jìn)展。此外，我們還邀請了濱松光子、安森美、Innoviz 等激光雷達(dá)上下游公司，共同探討激光雷達(dá)的技術(shù)趨勢。
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