自動(dòng)駕駛新進(jìn)展：激光雷達實(shí)現突破性小型化

　　剛剛成立獨立公司 Waymo的谷歌有著(zhù)大量競爭者，各家公司的自動(dòng)駕駛汽車(chē)正在道路上不斷進(jìn)行實(shí)驗。在匹茨堡的一次成功試運行之后，Uber 在 12 月 14 日啟動(dòng)了它在舊金山市的「自動(dòng)駕駛汽車(chē)」項目，這個(gè)決定迅速陷入了有關(guān)法規的爭議——Uber 還沒(méi)有拿到無(wú)人車(chē)的許可證。但 Uber 堅持認為這是不必要的，因為目前運營(yíng)的每一輛車(chē)都有備用駕駛員隨時(shí)準備在危險時(shí)接管控制(12 月 22 日，Uber 在舊金山的所有16輛無(wú)人車(chē)被當地車(chē)管局責令停止運營(yíng))。通用也剛剛宣布他們正在密歇根州進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)試驗。對于這些試驗型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，有一件事顯得尤為重要：汽車(chē)操縱系統需要有可靠的視覺(jué)。

　　目前還沒(méi)有任何一個(gè)人造系統可以和人類(lèi)的雙眼與大腦媲美，開(kāi)發(fā)者們必須尋找妥協(xié)的方案。這就是為什么工程師們正在使用巨大的支柱與鼓包來(lái)承載用于掃描道路情況的傳感器。在存在多個(gè)傳感器的情況下，假如一個(gè)傳感器沒(méi)有探測到危險情況(如駛來(lái)的汽車(chē)或橫穿馬路的行人)，其他傳感器可以察覺(jué)到它，并發(fā)出指令讓汽車(chē)做出回避動(dòng)作。

　　目前的自動(dòng)駕駛汽車(chē)主要使用三種傳感系統——攝像頭、超聲波探測器和雷達——它們是便宜并且易于部署的。第四種方式：Lidar，采用激光掃描和測距來(lái)建立車(chē)輛周?chē)h(huán)境的詳細三維模型。Lidar 圖像具有高度準確性，這使得它可以與前三種傳感器方式相提并論。然而激光傳感器面臨體積過(guò)大的問(wèn)題(看看谷歌自動(dòng)駕駛汽車(chē)的車(chē)頂，Uber 也是一樣)，同時(shí)，它的機械結構非常復雜，造價(jià)堪比承載系統的汽車(chē)本體。

　　目前，一些廠(chǎng)商正在開(kāi)發(fā)更小、更便宜的激光雷達系統。其中最有前途的是一種基于硅芯片的小型化設計。它的原型已經(jīng)交付各大汽車(chē)零部件供應商(如 Delphi 何 ZF)開(kāi)始生產(chǎn)。如果一切順利，在三年以?xún)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/激光雷達">激光雷達芯片就會(huì )出現在量產(chǎn)車(chē)上。

　　擯棄舊方法

　　帶來(lái)新一代微型激光雷達 lidar 的是英飛凌(Infineon)，一家德國芯片制造商。這家公司是雷達探測器芯片的最大生產(chǎn)商之一。雷達通過(guò)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電脈沖并接受被反射的信號工作，發(fā)射和接收到反射之間的時(shí)間延遲被用于計算和被探測物體之間的距離。如果對象是移動(dòng)物體，它的速度也可以被測定(通過(guò)多普勒效應)。

　　在 15 年前，雷達傳感器是一種需要定制的設備，每套售價(jià)約 3000 美元。英飛凌開(kāi)發(fā)了一種新的方法，使用半導體行業(yè)常見(jiàn)的硅制造工藝，并將雷達的許多功能集成到單個(gè)芯片上從而提高性能，這種設計使傳感器的價(jià)格迅速下降到幾百美元。雷達芯片不僅是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要部分，并且已經(jīng)越來(lái)越多地應用在常規車(chē)輛中，用于提供諸如自動(dòng)緊急制動(dòng)等安全配置。

　　Lidar 與傳統激光雷達有著(zhù)相似的發(fā)展歷程。激光雷達是在 20 世紀 60 年代激光實(shí)用化后發(fā)明的。它通過(guò)使用激光束掃描特定區域，隨后接受光反射測定與物體的距離。由于光具有比無(wú)線(xiàn)電波更短的波長(cháng)，很容易被小型物體反射，激光雷達可以探測到被雷達錯過(guò)的物體。激光雷達正被廣泛用于地圖測繪，測量大氣條件，以及掃描事故和犯罪現場(chǎng)等工作。

　　通常，激光雷達使用旋轉鏡面來(lái)引導其激光束，發(fā)出的光束在人類(lèi)不可見(jiàn)的光譜近紅外部分。商用激光雷達價(jià)格可達 5 萬(wàn)美元左右，而目前最為暢銷(xiāo)，但較小、功率較低的版本售價(jià)約為 1 萬(wàn)美元。許多激光雷達制造商，如加州的 Velodyne 公司，正在試圖開(kāi)發(fā)所謂「固態(tài)」激光雷達，這是一種更為小型化的版本，取消了所有運動(dòng)部件。一些研究人員正在嘗試使用激光閃爍代替常亮光束，并利用芯片上的微型傳感器陣列捕獲反射。

　　英飛凌公司有著(zhù)自己獨特的思路，他們使用了不同種類(lèi)的發(fā)射器，并使用了微機電系統(MEMS)。這種特殊的 MEMS 是英飛凌在 2016 年 10 月收購的荷蘭公司 Innoluce 開(kāi)發(fā)的。該設備由一個(gè)橢圓形的反射鏡組成，尺寸為 3mm×4mm，被整合在硅芯片上。反射鏡連接了致動(dòng)器，可以改變激光束的方向。英飛凌表示，這種設計允許激光器使用全功率集中掃描，同時(shí)，它使用了閃爍系統。

　　「MEMS lidar 可以每秒收集 5000 個(gè)數據點(diǎn)，其掃描范圍可遠至 250 米，」英飛凌汽車(chē)傳感及控制部門(mén)負責人 Ralf Bornefeld 說(shuō)道。盡管這套設備仍然有反射鏡，但 lidar 擁有和其他硅芯片一樣的可靠性。在大規模生產(chǎn)的情況下(例如附加在擋風(fēng)玻璃上)，MEMS lidar 在汽車(chē)制造商端的成本可以低于 250 美元。這些小型激光雷達同時(shí)也可用于其他應用，如機器人和無(wú)人機等領(lǐng)域。

　　包括 Bornefeld 在內的很多工程師都認為，未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)將使用多個(gè)微型激光雷達，普通雷達，超聲波傳感器和攝像頭組成陣列?！该糠N傳感器系統都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，」Bornefeld 說(shuō)道?！父咝У卣纤鼈儾拍転樽詣?dòng)駕駛汽車(chē)提供安全保障?！?/p>

　　雷達可以精確地測量距離和速度，并在黑暗或濃霧的環(huán)境中正常工作——此時(shí)攝像頭無(wú)法獲取有效信息，但雷達產(chǎn)生的圖像不夠精細，難以讓計算機系統進(jìn)行分類(lèi)。另一方面，有一些材質(zhì)(如橡膠)會(huì )吸收而不是反射雷達波，從而讓雷達無(wú)法探測，造成安全隱患，此時(shí)攝像頭的優(yōu)勢就顯現出來(lái)了。攝像頭可以捕獲高分辨率圖片，以供人工智能軟件進(jìn)行分析，然后應用圖像識別技術(shù)來(lái)識別需要避免的對象。Lidar 具有在黑暗中探測小型物體，并收集高分辨率圖像的能力，但可能無(wú)法穿透濃霧。在未來(lái)的無(wú)人駕駛汽車(chē)上，超聲波探測器仍然將發(fā)揮作用，這種價(jià)格便宜的探測設備可被用于制造停車(chē)傳感器。

　　谷歌，Uber 和大多數汽車(chē)制造商都希望盡快應用 lidar，因此他們非常樂(lè )于看見(jiàn)這些技術(shù)的新進(jìn)展。但不是每個(gè)人都在擁抱激光雷達，伊隆·馬斯克和他的特斯拉放棄了這一技術(shù)。馬斯克認為，在特斯拉汽車(chē)上安裝的攝像頭、雷達和超聲波傳感器系統的性能正在快速提升，目前還不需要引入其他設備。

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　　伊隆·馬斯克也許很快就會(huì )改變他的想法。在今年 5 月，一位特斯拉車(chē)主在使用自動(dòng)駕駛模式時(shí)撞向一輛貨柜車(chē)最終身亡。雖然目前的自動(dòng)駕駛設備要求駕駛者必須把雙手放在方向盤(pán)上，雙眼觀(guān)察路面(現在谷歌 Waymo 和 Uber 自動(dòng)駕駛汽車(chē)上的預備駕駛員也是如此)，但在這次事故中，特斯拉汽車(chē)的攝像頭和雷達都沒(méi)有發(fā)現擋在面前的貨柜車(chē)——它被漆成白色，和當時(shí)的天空幾乎融為一體，也許系統把貨柜車(chē)識別成了其他的什么東西，如橫跨頭頂的交通標志。在這種情況下，lidar 是否會(huì )獲取正確的信息?永遠沒(méi)有人會(huì )知道。但是，當越來(lái)越多的無(wú)人駕駛汽車(chē)在道路上展開(kāi)冒險的時(shí)候，擁有更多的鼓包和探頭總會(huì )讓乘客們更加安心。