車(chē)載激光雷達低成本方案將加速無(wú)人駕駛到來(lái)

　　ADAS及無(wú)人駕駛系統中常用的環(huán)境傳感器包括激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、GPS這五類(lèi)傳感器或其中某幾個(gè)的組合來(lái)實(shí)現自主移動(dòng)功能。這五種傳感器各具特征，各自有所側重，一般在復雜系統中組合使用。相比于攝像頭，激光雷達的最大優(yōu)勢在于使用環(huán)境限制較小，即不管在白天或是夜晚都能正常使用。對于標準車(chē)在雷達及毫米波雷達，當其所發(fā)射的電磁波在傳播路徑上遇到尺寸比波長(cháng)小的物體時(shí)，將會(huì )發(fā)生衍射現象，即波的大部分能流繞過(guò)物體繼續向前方傳播，反射回來(lái)可供雷達接收的能量則很小，因此，無(wú)法探測大量存在的小型目標，即使是毫米波雷達，也探測不到直徑很小的線(xiàn)狀目標。而用于雷達系統的激光波長(cháng)一般只有微米的量級，因而它能夠探測非常微小的目標，測量精度也遠遠高于毫米波雷達及其他車(chē)載標準雷達。

　　激光雷達的缺點(diǎn)是在大雨大雪等惡劣天氣中使用效果會(huì )受到影響，比如谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)從未在大雨大雪等惡劣條件下測試。激光雷達能夠獲得周邊環(huán)境的點(diǎn)云數據模型，現在多用于在測量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測量自身與人體距離的智能裝備，在測量與人的距離方面這一功能上尚無(wú)完美替代方案。

　　另外，激光雷達也存在著(zhù)價(jià)格昂貴等劣勢。激光雷達的測量精度與其雷達線(xiàn)束的多少有關(guān)，線(xiàn)束越多，測量精度越精準，ADAS無(wú)人駕駛系統的安全性也越高。但同時(shí)，線(xiàn)束越多，其價(jià)格也越昂貴。目前，雖然低成本化是激光雷達的一大趨勢，但出于對駕駛安全性的考慮，高價(jià)激光雷達仍然占據主流。

　　4 “環(huán)境感知+導航定位”造就激光雷達的核心地位

　　LiDAR——Light Detection And Ranging，即激光雷達，是利用激光、全球定位系統GPS 和慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit，IMU)三者合一，獲得數據并生成精確的數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。簡(jiǎn)而言之，就是激光束探測目標的位置、速度等特征量的高精度雷達系統。原用于軍事領(lǐng)域，目前已延伸至汽車(chē)無(wú)人駕駛領(lǐng)域。激光雷達(Lidar)和毫米波雷達(RADAR)的主要區別是激光雷達發(fā)射的是可見(jiàn)和近紅外光波而毫米波雷達使用的是無(wú)線(xiàn)電波。

　　3D 激光雷達在無(wú)人駕駛運用中擁有兩個(gè)核心作用。1)3D 建模進(jìn)行環(huán)境感知。通過(guò)激光掃描可以得到汽車(chē)周?chē)h(huán)境的3D 模型，運用相關(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?chē)能?chē)輛和行人。2)SLAM 加強定位。3D 激光雷達另一大特性是同步建圖(SLAM)， 實(shí)時(shí)得到的全局地圖通過(guò)和高精度地圖中特征物的比對， 可以實(shí)現導航及加強車(chē)輛的定位精度。

　　車(chē)載激光雷達設備的主要成本花在 GPS/IMU 和 2D 激光掃描儀，約占總成本的 80%。1)車(chē)載激光雷達系統的優(yōu)劣主要取決于 2D 激光掃描儀的性能。激光發(fā)射器線(xiàn)束的越多，每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線(xiàn)束越多也就代表著(zhù)激光雷達的造價(jià)就更加昂貴，以Velodyne 的產(chǎn)品為例，64 線(xiàn)束的激光雷達價(jià)格是16 線(xiàn)束的10 倍。2)對于較高要求標準的 IMU，是基于光纖陀螺的技術(shù)制造的。其價(jià)格昂貴，大約在 150 萬(wàn)元左右。對于較低要求的 IMU，有許多廠(chǎng)家的設備可以選擇，價(jià)格根據型號變化，在 10 萬(wàn)元到 50 萬(wàn)元之間。3)Velodyne 的車(chē)載激光雷達目前看來(lái)并沒(méi)有加入IMU 部件。

　　目前行業(yè)對是否使用激光雷達仍然抱有爭議，特斯拉的總裁Elon Musk 就公開(kāi)表示無(wú)人駕駛并不需要激光雷達，將現有的傳感器發(fā)揮的極致也能實(shí)現無(wú)人駕駛，而德?tīng)柛?、豐田均已開(kāi)始和激光雷達企業(yè)合作。激光雷達是否運用極大程度上取決于成本和效果，目前尚難以判斷激光雷達未來(lái)的市場(chǎng)滲透率。如果低成本的激光雷達方案如能達到同樣效果，將極大的推動(dòng)無(wú)人駕駛進(jìn)度，滲透率也會(huì )直線(xiàn)上升。麥肯錫認為無(wú)人駕駛解決方案成本達到2 萬(wàn)美金時(shí)，無(wú)人駕駛汽車(chē)將具備極大的商業(yè)價(jià)值。我們做一個(gè)大膽的假設： 2025 年，2000 美金的激光雷達被普遍認可，全球有5%左右的汽車(chē)成為無(wú)人駕駛或高度自動(dòng)駕駛汽車(chē)，那么激光雷達的市場(chǎng)需求將達到110 億美金。

　　5 車(chē)載激光雷達的產(chǎn)業(yè)格局和低成本發(fā)展趨勢

　　目前，車(chē)載激光雷達的產(chǎn)品及生產(chǎn)廠(chǎng)商主要集中于國外，包括美國Velodyne公司、美國Quanegy公司以及德國IBEO公司等。國內的激光雷達產(chǎn)品主要以2D激光雷達為主，多用于地形測繪、建筑測量、家用服務(wù)機器人等領(lǐng)域。不過(guò)，國內以鐳神智能、思嵐科技等創(chuàng )業(yè)公司以及巨星科技、大族激光等上市公司為代表的企業(yè)也開(kāi)始嘗試逐步進(jìn)入車(chē)用激光雷達行業(yè)。同時(shí)，由于目前昂貴的價(jià)格成為車(chē)用激光雷達市場(chǎng)推廣的最大障礙，因此低成本化是其未來(lái)最主要的發(fā)展趨勢。

　　5.1 國外企業(yè)破風(fēng)而行，不斷尋求技術(shù)突破

　　Velodyne: 車(chē)用激光雷達的行業(yè)先導

　　近年來(lái)，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(dòng)駕駛原型汽車(chē)中所使用的LiDAR傳感器就是由該公司開(kāi)發(fā)的，其產(chǎn)品的測量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內處于標桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達產(chǎn)品種類(lèi)豐富，包括16線(xiàn)束、32線(xiàn)束及64線(xiàn)束等，其中還有專(zhuān)門(mén)為智能駕駛汽車(chē)設計的Ultra Puck激光雷達。

　　Google 采用的價(jià)值7.5 萬(wàn)美元的Velodyne HDL-64E 可以說(shuō)是激光雷達中的勞斯萊斯，通過(guò)64 束的激光束進(jìn)行垂直范圍26.8 度，水平360 度的掃描，每秒能產(chǎn)生130 萬(wàn)的數據點(diǎn)。相比同類(lèi)產(chǎn)品如Sick LaserRangefinde(價(jià)值6000 美金)每秒產(chǎn)生6000 個(gè)數據點(diǎn)，在量級上是不可同日耳語(yǔ)的。但Velodyne 產(chǎn)品相對測繪類(lèi)的車(chē)載3D 激光雷達動(dòng)輒幾十萬(wàn)美金的價(jià)格，仍然是較為廉價(jià)的選擇。

　　于2015年12 月10 日路測成功的百度無(wú)人駕駛汽車(chē)車(chē)身上，部署了毫米波雷達、視頻等感應器，其車(chē)頂還安置了一個(gè)體積較大、價(jià)值70 萬(wàn)余人民幣的64 位激光雷達(Velodyne HDL64-E)。能對本車(chē)周邊半徑70 米范圍內的環(huán)境進(jìn)行三維掃描，以3D 激光云點(diǎn)的方式呈現，給予自動(dòng)駕駛汽車(chē)的智能決策系統提供周?chē)h(huán)境最原始的判斷依據。百度和Google 均致力于實(shí)現無(wú)人駕駛的最終階段—— 完全自動(dòng)駕駛。LiDAR 傳感器的高精度掃描，適用于復雜環(huán)境探測，使得無(wú)人駕駛汽車(chē)可以在人車(chē)混雜的道路上無(wú)限接近“零事故”駕駛。

　　圖2：HDL-64E正面和背面構造

　　觀(guān)察Velodyne HDL-64E 的內部結構，主要由上下兩部分組成。每部分都發(fā)射32 束的激光束，由兩塊16 束的激光發(fā)射器組成。背部是包括信號處理器和穩定裝置。

　　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(chē)專(zhuān)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(xiàn)束激光雷達，體積小巧、便于汽車(chē)安裝攜帶，同時(shí)價(jià)格低廉，未來(lái)在大規模量產(chǎn)的情況下，其目標價(jià)格可降至500美元，性?xún)r(jià)比較高。但這款激光雷達目前的版本只是車(chē)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(jià)格成本上有較大突破，在專(zhuān)業(yè)技術(shù)上也有所改進(jìn)。Velodyne對該款產(chǎn)品激光發(fā)射裝置設置了2微秒時(shí)差，即32個(gè)激光發(fā)射器并非同時(shí)發(fā)射激光，而是以2微秒的時(shí)間間隔按順序發(fā)射激光，這種設置可防止高發(fā)射率物體使激光雷達致盲，產(chǎn)品的性能得到提升。