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理想與現(xiàn)實的碰撞:什么方案是當下激光雷達量產(chǎn)的最優(yōu)解?

星之球科技 來源:汽車之心Autobit2021-04-13 我要評論(0 )   

上海車展在即。今年,小鵬、蔚來、極狐、R 汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產(chǎn)車型。自動駕駛這件事上,中國車企這次集體站在了特斯拉的對立面。

上海車展在即。

今年,小鵬、蔚來、極狐、R 汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產(chǎn)車型。

自動駕駛這件事上,中國車企這次集體站在了特斯拉的對立面。

特斯拉認為,純視覺可以實現(xiàn)完全自動駕駛。

今天主流的中國車企,則開始量產(chǎn)帶激光雷達的自動駕駛方案。

為什么說激光雷達是 L3 級智能駕駛必備的傳感器?

自動駕駛的感知任務就是去實時建立一個準確的 3D 環(huán)境模型。

深度學習加單目、三目視覺是無法完成這個任務的。

單目/三目攝像頭的致命缺陷就是這類系統(tǒng)必須先識別才能探測得知目標的信息,目標識別(分類)和探測(Detection)是一體無法分割的。

深度學習算法的認知范圍來源于數(shù)據(jù)集的廣度和豐富性,而數(shù)據(jù)集永遠是有限的,因此深度學習算法肯定會出現(xiàn)漏檢。

如果無法識別目標,系統(tǒng)會認為前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個原因。

以上,也就是說單目/三目的系統(tǒng)漏檢是無法避免的,因此它只能用于 L2 的系統(tǒng)。

L2 以上,則必須要有激光雷達,激光雷達將帶來壓倒性的安全優(yōu)勢。

某種意義上,激光雷達廠商的角色可以算是系統(tǒng)集成商。

傳統(tǒng)激光行業(yè)可以提供包括激光發(fā)射與接收部分的成熟零組件,行業(yè)內(nèi)這些零組件都有超過 15 年的技術沉淀,像 1550 納米的激光接收二極管。

激光雷達公司們在激光二極管領域的技術沉淀最多也不會超過 3 年,因此它們的主要工作是設計掃描器。

掃描器也可以采購現(xiàn)成的產(chǎn)品。

如日本 Nidec 的多邊形掃描器,Mirrorcle 的 MEMS 振鏡。

一定程度上,研發(fā)激光雷達產(chǎn)品的門檻沒有那么高。

激光雷達廠家要想掌握核心技術,就是自研自產(chǎn)掃描器。

1、理想與現(xiàn)實的碰撞:當下激光雷達量產(chǎn)的最優(yōu)解

理想的激光雷達技術非Flash 莫屬。

無論從性能、生態(tài)、成本、體積、車規(guī)來考慮,F(xiàn)lash 激光雷達都是幾乎完美的。

但是目前 Flash 激光雷達的瓶頸是性能太差,這主要是 Flash 激光雷達的激光發(fā)射端是 VCSEL 陣列。

而 VCSEL 陣列的功率密度遠不能和傳統(tǒng)的激光二極管比,一旦突破這個瓶頸,F(xiàn)lash 激光雷達即可橫掃市場。

但目前來看,F(xiàn)lash 激光雷達要實現(xiàn)量產(chǎn)突破至少還要 5 年時間。

另一個技術路線是硅光電的 FMCW 激光雷達,技術成熟度還低于 Flash,并且即便技術成熟,價格也要比 Flash 激光雷達要高。

FMCW 激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發(fā)生器,調(diào)諧器工作在太赫茲頻段,即便大規(guī)模量產(chǎn),成本也要遠高于 Flash 激光雷達。

目前激光雷達掃描器可以分為機械式與光學式兩大類,機械類再可分為微機械、MEMS和 SLAM。

SLAM 比較罕見,目前市面主要看到的產(chǎn)品就是微機械和 MEMS。

微機械再可分為四小類,分別是旋轉(zhuǎn)式(包括旋轉(zhuǎn)鏡和多邊形掃描)、電流計式(Velarray)、多棱鏡和音圈式。

MEMS 分為 MEMS 振鏡和 DMD 微鏡兩大類。

MEMS 振鏡再可分為壓電、電磁和靜電三大類。

2、MEMS 路線為什么異軍突起?巨大的成本優(yōu)勢

激光雷達的發(fā)展方向是朝 Flash 的全固態(tài)發(fā)展。

法雷奧是目前唯一有量產(chǎn)客戶的激光雷達廠家,長距離車規(guī)級產(chǎn)品 SCALA 采用轉(zhuǎn)鏡式設計,短距離的產(chǎn)品采用 Flash。

然而,法雷奧的下一代長距離的 SCALA 卻是 MEMS 激光雷達,這是為何?

法雷奧激光雷達發(fā)展路線圖

法雷奧是車規(guī)級轉(zhuǎn)鏡激光雷達鼻祖,也最清楚轉(zhuǎn)鏡式激光雷達的缺點,那就是成本下降空間有限。

當下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉(zhuǎn)鏡式激光雷達,成本恐難低于 400 美元。

這里,我們來分析一下激光雷達的成本結構。

激光雷達成本可以分為 BOM 成本、生產(chǎn)成本和研發(fā)成本。

先來看 BOM 成本。

以 Velodyne 的 Puck VLP-16 16 線激光雷達為例, 其零售價為 3800 美元,BOM 成本大約 1000 美元。

這當中主要是激光發(fā)射二極管和激光接收二極管,16 線需要 16 個發(fā)射,16 個接收。

發(fā)射二極管的價格一般是 20-25 美元,典型的如 Excelitas 的 TPGEW1S09H,905 納米,峰值光功率 70 瓦,輸入 12V,峰值電流 30A。

1550 納米激光二極管價格大約是 905 納米硅激光二極管價格的 3-5 倍,但其光功率很低,通常用在激光通信領域。

在激光雷達中需要選用到成本更高的 1550 納米光纖激光器才能達到瓦級光功率,合計大約 580-740 美元。

電機和外殼以及結構件大約 50 美元,電路板大約 100 美元,光學鏡頭、濾光片和保護罩等光學器件也需要 100 美金以上。

這樣的機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達合計 BOM 成本大約 830 - 990 美元。

資料來源:techinsights

在主要的元件中,兩個芯片比較貴。

一個是德州儀器的 ADC08500,這是個高速 ADC,高達 500MSPS,因此價格比較昂貴,千顆以上采購規(guī)模要 30 美元一片,這是德州儀器收購國際半導體所帶來的產(chǎn)品線。

另外一個是英特爾收購的 Altera 的 FPGA,型號為 EP3C16U256C7N,價格大約 14美元。

資料來源:techinsights

背面主要是三顆芯片,主數(shù)據(jù)處理芯片 Altera的FPGA,型號為 EP3C25F324I7,價格大約 22 美元。

還有兩片存儲器,價格估計只有 5 美元。

還有一些比較貴的高精度晶振,激光雷達是納秒級產(chǎn)品,時鐘精度要求極高。用的元件精度普遍都要很高。

芯片及主動元件大約占 80 美元,被動元件占 15 美元,PCB 大約 5 美元。

上圖是法雷奧的 SCALA 這樣的旋轉(zhuǎn)鏡激光雷達成本結構,年產(chǎn)量達十萬級。

其 BOM 成本大約 300 美元,16 線需要增加 12 套發(fā)射與接收,也就是大約 400 美元。

這已經(jīng)是年產(chǎn)量十萬級的規(guī)模。

這個價格顯然有點高了。

對于 MEMS 激光雷達,發(fā)射和接收激光器大幅度減少,即使做到等效上百線,有些只有幾個發(fā)射,接收可以用單線的 SiPM,也可以用陣列,比較靈活。

BOM 成本大幅度降低,其主要成本集中在 MEMS 振鏡上,大規(guī)模量產(chǎn) MEMS 振鏡可以降低到 30 到 50 美元,目前從外采購則是 1000 美元上下。

基于振鏡和光源不同,MEMS 激光雷達 BOM 成本目前大約 450 到 1200 美元。

對于 Flash 激光雷達,沒有掃描器,高功率 VCSEL 和高性能 SPAD 都處于萌芽階段,目前價格都很高,萬級像素的 Flash 激光雷達 BOM 大約 700-1000 美元左右。

未來大規(guī)模生產(chǎn)可以輕松降低到 100 美元以下。

那么 MEMS 的缺點是什么?

缺點就是信噪比和有效距離及FOV 太窄。

因為 MEMS 只用一組發(fā)射激光和接收裝置,那么信號光功率必定遠低于機械激光雷達。

同時 MEMS 激光雷達接收端的收光孔徑非常小,遠低于機械激光雷達,而光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比,這導致功率進一步下降。

這就意味著最小信號探測能力的降低,同時也意味著有效距離的縮短。

掃描系統(tǒng)分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉(zhuǎn)角度的乘積共同決定,鏡面尺寸與偏轉(zhuǎn)角度是矛盾的,鏡面尺寸越大,偏轉(zhuǎn)角度就越小。

最后 MEMS 振鏡的成本和尺寸也是正比,目前 MEMS 振鏡最大尺寸是 Mirrorcle,可達 7.5 毫米,售價高達1199 美元。

速騰聚創(chuàng)投資的希景科技開發(fā)的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm,已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。

禾賽科技的 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡則是由自研團隊提供。

英飛凌收購的 Innoluce 也能自研 MEMS 振鏡。

MEMS 振鏡主要供應商 Mirrorcle 的產(chǎn)品一覽,很明顯,尺寸越大,角度越小。

3、電磁式 MEMS 振鏡:激光雷達最佳選擇

怎么解決或者改善這個問題,那就是電磁振鏡。

按照驅(qū)動方式的不同,MEMS掃描鏡可以分為靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動和電熱驅(qū)動四種驅(qū)動方式。

電熱驅(qū)動是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能,再轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動,其優(yōu)點是驅(qū)動力和驅(qū)動位移較大,但是響應速度較慢。

壓電驅(qū)動是利用壓電材料的壓電效應實現(xiàn)驅(qū)動,具有驅(qū)動力大、響應速度快等優(yōu)點,但是壓電材料存在遲滯現(xiàn)象。

電磁驅(qū)動是利用電磁或者永磁體實現(xiàn)驅(qū)動,具有較大的驅(qū)動力力和驅(qū)動位移,缺點是可能會受到電磁干擾。

靜電驅(qū)動是利用帶電導體間的靜電作用力實現(xiàn)驅(qū)動,具有功耗低、速度快、兼容性好等優(yōu)點。是目前使用廣泛的驅(qū)動方式。

靜電驅(qū)動是比較成熟的方式,上述 Mirrorcle 還有某以色列廠家都是采用靜電驅(qū)動。

靜電式 MEMS 振鏡原理圖

靜電驅(qū)動 MEMS 掃描鏡采用單晶硅制造,工藝簡單、成熟、成本低,芯片尺寸非常小,驅(qū)動功耗極低,封裝也比較簡單,屬電壓驅(qū)動型器件。

缺點是力也有點小,且是非線性的,此外存在吸合現(xiàn)象。

電磁式MEMS振鏡

電磁驅(qū)動的力密度大,電磁驅(qū)動 MEMS 掃描鏡也獲得廣泛的應用,其掃描角度大,可以實現(xiàn)線性掃描。

電磁驅(qū)動器件工藝涉及數(shù)十微米厚度的電磁線圈的制造,封裝需要配置永磁鐵,器件模塊尺寸稍大些。

該器件屬電流驅(qū)動型器件,驅(qū)動電流達數(shù)十毫安,驅(qū)動功耗較高。

器件既可工作于諧振狀態(tài),也可以工作于非諧振狀態(tài),當工作與諧振狀態(tài)時,驅(qū)動功耗可以大幅度降低。

電磁式的缺點是工藝復雜,門檻高,成本略高,體積略大,響應速度略慢于靜電,響應速度這點倒不成問題.

因為目前后端的數(shù)據(jù)處理能力有限,現(xiàn)在激光雷達數(shù)據(jù)處理除傳統(tǒng)算法外基本都采用了深度學習算法,也用激光雷達識別目標,與視覺傳感器融合.

不過,由于數(shù)據(jù)量巨大,一般只能承受 10-15Hz 的幀率,電磁式可以做到 30Hz,靜電式更高,但意義不大。

另一個電磁干擾問題很容易解決,那就是增加磁屏蔽和加大磁場密度:采用目前最強的磁體 NdFeB,即釹鐵硼。

至于退磁問題,燒結釹鐵硼的居里溫度點是 312 攝氏度,居里溫度越高,磁材的工作溫度也相對越高,并且溫度穩(wěn)定性更好。

燒結釹鐵硼原料中加入鈷、鋱、鏑等元素可提高其居里溫度。

EH 牌號的釹鐵硼工作溫度可達 200 攝氏度,較低的 H 牌號也可以達 120 攝氏度,足以適應車載環(huán)境。

MEMS 振鏡的可靠性一直被拿來作為攻擊標靶,說 MEMS 振鏡像薯片一樣脆薄。

靜電式或許真有點如此,但電磁式就不同了,其體積大,懸臂可以做的強度更高,電磁振鏡可以做到 300G 以上的抗沖擊,遠超車規(guī)要求的 50G。

在軍用及航天中的慣性制導系統(tǒng)普遍采用 MEMS 技術,能夠承受超過 500g 的過載加速度。

該應用領域時限已經(jīng)超過 30 年,而技術也逐步由軍工轉(zhuǎn)向民用,并非新技術。

相比之下,機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機,達到 50G 抗沖擊也有困難。

實際在車上已經(jīng)有不少 MEMS 產(chǎn)品,包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、MEMS 硅麥克風、AR-HUD 和大燈用的 DMD 振鏡。

DMD 振鏡是德州儀器獨家供應,即 DLP 技術,DLP 技術已經(jīng)使用超過 20 年,可靠性毋容置疑。

林肯大陸和導航員使用的是德州儀器早期 DMD 芯片 DLP3030,只有 40 萬像素。

奔馳 AR HUD 使用德州儀器最新的 DMD 芯片 DLP5531(2018年下半年才量產(chǎn),所以林肯沒用上)有 130 萬像素,F(xiàn)OV 為 10X5°,VID 距離為 33 英尺即 10 米,奔馳稱這相當于 77 英寸顯示器。

不僅在 HUD 上使用了 DLP 投影,在車大燈上,奔馳還極盡奢華使用了 DLP 投影,也是 DLP5531。

使用 MEMS 微鏡的投影大燈

溫度方面由溫度超高的 DLP 投影背書,自然不成問題,實際 MEMS 振鏡可以看成一個半導體芯片。硅基半導體的溫度范圍可輕易做到攝氏零下 40 到 125 度。

機械式激光雷達使用的旋轉(zhuǎn)電機因為潤滑油的原因:

低溫狀態(tài)下油凝結成脂,出現(xiàn)難以啟動或者無法啟動的現(xiàn)象。

高溫狀態(tài)下,油會揮發(fā)到鏡面上,循環(huán)往復次數(shù)多了,會累積成油滴干擾光路。

這兩個問題在目前機械式雷達中普遍存在。法雷奧特別增加了 PTC 加熱和冷卻設施。

對傳統(tǒng)車廠來說,車規(guī)比性能重要,因此近距離選擇 Flash 激光雷達。

對新興車廠來說,性能比車規(guī)重要,因此選擇 Luminar,而介于兩者之間的廠家多選擇 MEMS,如寶馬,盡管 Innoviz 諸多不順,但寶馬并未放棄 MEMS 路線。

因為交期問題,Innoviz 不得已在初期選擇靜電振鏡,但正在轉(zhuǎn)向電磁振鏡。

綜合考慮性能、車規(guī)、成本、體積、生態(tài),MEMS 電磁振鏡激光雷達恐怕是這 5 年內(nèi)大多數(shù)廠家最好的選擇。


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