傳感器百家爭鳴 自動(dòng)駕駛趕上了好時(shí)代

　　據麥姆斯咨詢(xún)介紹，自動(dòng)駕駛為基于光子學(xué)的傳感器帶來(lái)了機遇和挑戰。自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要激光雷達(LiDAR)、攝像頭、雷達和超聲波等許多類(lèi)型的傳感器，預計每年數百萬(wàn)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)將為這些傳感器帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機遇。

　　當然，與機遇相伴的是，挑戰也很多。攝像頭和激光雷達必須高可靠地生成安全導航所需要的數據，在各種溫度、照明水平和目標反射率下運行多年。并且，還需要在低成本下提供這種性能，好比以消費類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格，提供航天產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　上圖激光雷達圖像中的顏色編碼反映強度，很容易看到車(chē)輛的黑色輪胎。這種性能對于自動(dòng)駕駛很重要，因為道路上時(shí)常會(huì )出現車(chē)輛需要避讓的散落輪胎

　　因此，激光雷達和攝像頭供應商正在不斷創(chuàng )新。如果自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠在近年內成功在大眾市場(chǎng)閃亮登場(chǎng)，激光雷達和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步功不可沒(méi)。

　　Yole技術(shù)和市場(chǎng)分析師Alexis Debray指出，對多種傳感器的需求，源于這些不同技術(shù)的不同基本功能?！皵z像頭具有良好的空間分辨率，但缺乏深度信息，”他說(shuō)，“雷達具有良好的深度感知，但受限于橫向空間分辨率。而激光雷達能夠以中等分辨率實(shí)現兩者兼具?！?/p>

　　Debray稱(chēng)，攝像頭相比雷達可以提供100倍的空間分辨率。而落在兩者之間的激光雷達，其分辨率約為雷達的20倍，攝像頭的五分之一，填補了覆蓋范圍的空白。

　　自動(dòng)駕駛使用多種類(lèi)型的傳感器，還有另一個(gè)原因?！澳蔷褪前踩?，需要從多個(gè)傳感器獲取自動(dòng)駕駛需要的冗余信息，”Debray說(shuō)。

　　因此，激光雷達和雷達都用于提供有關(guān)物體距離的信息，以及物體之間距離變化的速度信息。攝像頭可以捕捉物體的顏色和其他特征。這些傳感數據可用于將物體分類(lèi)，例如被風(fēng)吹起的塑料袋，或者需要避讓的行人或其他車(chē)輛，這些對于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。攝像頭還可以捕捉街道交通標志、探測車(chē)道標記。

　　激光雷達已經(jīng)首次裝配在量產(chǎn)汽車(chē)中進(jìn)入大眾市場(chǎng)，盡管目前有些系統的覆蓋范圍和探測距離仍有限。然而，自動(dòng)駕駛應用的激光雷達系統需要足夠高的分辨率和足夠遠的探測距離，以精確感知車(chē)輛的周?chē)h(huán)境。美國加州的激光雷達領(lǐng)導廠(chǎng)商Velodyne LiDAR首席技術(shù)官Anand Gopalan表示，這些要求對激光雷達系統提出了挑戰。Velodyne公司參與了全球許多自動(dòng)駕駛汽車(chē)項目。

　　峰值功率

　　假設一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)正以120公里/小時(shí)的速度在高速上行駛，在前方幾百米處出現了黑色的破損輪胎。據Gopalan介紹，輪胎的反射率約為10%，在這種情況下，激光雷達投射在輪胎上的數十億光子，只有數百個(gè)能反射回來(lái)。

　　“我們需要在激光器上獲得高峰值功率，”Gopalan說(shuō)，“因為它可以在每次測量距離的脈沖中發(fā)射盡可能多的光子。而探測器需要高靈敏度和低噪音?！?/p>

　　在激光雷達圖像中顏色編碼反映強度，車(chē)道標志會(huì )“浮現”出來(lái)

　　這些返回的信息需要組合成距離數據的點(diǎn)云，然后對其進(jìn)行解讀。系統可能只有一秒的時(shí)間來(lái)執行這些操作并采取某種行動(dòng)，因為在高速上行駛的汽車(chē)的剎停距離可能需要近百米或更長(cháng)。

　　Gopalan說(shuō)，業(yè)內廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始為第一波自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)行規劃，預計到2022年將推出幾十萬(wàn)輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)。他補充說(shuō)，自動(dòng)駕駛所需要的傳感器在性能、可擴展性和成本方面，到時(shí)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足行業(yè)的初期要求。他預測，隨著(zhù)銷(xiāo)量的增加，這些傳感器的成本將進(jìn)一步下降。

　　將傳感器捕捉的數據通過(guò)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送回中央處理單元需要能耗，而分析這些數據需要更多的能耗和計算資源。因此，降低成本的一種途徑是使傳感器變得更智能，提高邊緣計算處理能力。

　　先進(jìn)的CMOS圖像傳感器可以提供適用于新一代駕駛輔助和自動(dòng)駕駛系統的分辨率，這些圖像傳感器有助于對象的分類(lèi)，從而實(shí)現更安全的導航

　　滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛車(chē)輛需求的另一種方法是推出新技術(shù)。美國加州的激光雷達創(chuàng )業(yè)公司Quanergy Systems便提供了一個(gè)案例。Quanergy Systems首席執行官兼聯(lián)合創(chuàng )始人Louay Eldada稱(chēng)，該公司的核心專(zhuān)長(cháng)在于光學(xué)相控陣技術(shù)。

　　通過(guò)數千個(gè)光學(xué)天線(xiàn)元件之間的干涉，該公司的芯片可以在不使用任何運動(dòng)部件的情況下形成并偏轉光束。據Eldada稱(chēng)，Quanergy的激光雷達產(chǎn)品比同等性能的機械式激光雷達更小、更可靠。并且，這種系統功耗更低，可以用高幀率的低強度激光覆蓋周?chē)h(huán)境。

　　“這是一種紅外激光束。我們的工作波長(cháng)為905 nm，因為我們希望發(fā)射器和接收器等所有芯片都采用硅材料和工藝，”Eldada說(shuō)。

　　多激光雷達組合應用

　　Eldada指出，每輛車(chē)上可能需要多個(gè)激光雷達。自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須能夠精確地“看到”周?chē)囊磺?，汽?chē)制造商希望刷新率能夠達到50 fps，而單個(gè)激光雷達很難實(shí)現。如果激光雷達傳感器的安裝位置不影響車(chē)身設計，則意味著(zhù)車(chē)輛本身將會(huì )阻擋傳感器的部分視線(xiàn)?！耙虼?，每輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)將需要3~5個(gè)激光雷達，”Eldada說(shuō)，“其中，4個(gè)是最優(yōu)的組合。因而每個(gè)激光雷達的價(jià)格需要降到數百美元區間?！?/p>

　　加拿大激光雷達創(chuàng )業(yè)公司LeddarTech則帶來(lái)了另一種達到成本和性能目標的方案。LeddarTech總裁兼首席執行官Frantz Saintellemy表示，該公司開(kāi)發(fā)了自己的核心傳感技術(shù)，并為客戶(hù)提供如何為汽車(chē)應用構建激光雷達系統的完整解決方案。

　　LeddarTech基于信號采集和處理技術(shù)，可以使返回脈沖捕捉更多信息。據Saintellemy介紹，這可以用更低的成本獲得可接受的產(chǎn)品性能。例如，該公司的參考設計能夠使用905nm激光器和探測器達到數百米的探測距離，該波長(cháng)的激光器和探測器比1550nm器件性能低，但成本低得多。

　　“今天我們選擇專(zhuān)注于905nm波長(cháng)，因為這是目前更實(shí)際可行的技術(shù)方案，”Saintellemy說(shuō)，“隨著(zhù)1550nm技術(shù)變得更加標準化，我們可以通過(guò)選擇1550nm技術(shù)方案來(lái)顯著(zhù)提高我們的產(chǎn)品性能。但是，現在我們并不需要利用它來(lái)實(shí)現當前所需要的性能?！?/p>

　　多攝像頭組合應用

　　據Yole稱(chēng)，每輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)或將裝備10個(gè)以上的攝像頭，而目前汽車(chē)中一般只有2~4個(gè)攝像頭。更重要的是，與當今最先進(jìn)的汽車(chē)相比，未來(lái)自動(dòng)駕駛需要的攝像頭必須具有更低的噪聲、更好的校準性能和更強大的堅固性。

　　“用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的攝像頭與工廠(chǎng)中用于機器視覺(jué)的攝像頭類(lèi)似，”Debray說(shuō)。

　　OmniVision Technologies(豪威科技)汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)負責人Andy Hanvey表示，攝像頭的分辨率最初為2~8 MP，之后將升級到更高的分辨率。更好的成像能力可以帶來(lái)很多優(yōu)勢。

　　“隨著(zhù)分辨率的提高，可以使攝像頭能夠更遠地看到并更快地檢測到障礙物或危險，”Hanvey說(shuō)，“越早感知危險，對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)非常重要?！?/p>

　　對于堅固耐久性的要求，一方面是因為自動(dòng)駕駛車(chē)輛未來(lái)在路上行駛的時(shí)間將更長(cháng)?，F在，普通汽車(chē)通常每天有22~23個(gè)小時(shí)是閑置在車(chē)位上的。自動(dòng)駕駛汽車(chē)可能會(huì )刺激乘車(chē)共享的發(fā)展。如果是這樣，使用和閑置之間的比例可能會(huì )翻轉，全自動(dòng)駕駛汽車(chē)每天可能要運行20多個(gè)小時(shí)。

　　“這要求傳感器具有更高的可靠性，就像工業(yè)或商業(yè)設備必須比消費類(lèi)設備更加堅固、耐久，”位于美國鳳凰城的芯片制造商O(píng)N Semiconductor(安森美半導體)汽車(chē)傳感部門(mén)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)高級主管Geoff Ballew說(shuō)。ON Semiconductor是汽車(chē)圖像傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)先供應商。

　　此外，可靠性還需要網(wǎng)絡(luò )安全。惡意攻擊自動(dòng)駕駛汽車(chē)可能導致致命的結果。業(yè)界正在通過(guò)標準機構解決這個(gè)問(wèn)題。Ballew表示，ON Semiconductor已經(jīng)將其建議的功能納入其傳感產(chǎn)品中。

　　據Ballew稱(chēng)，多達20種不同分辨率的攝像頭最終可以安裝在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中。這個(gè)數量級的攝像頭可以覆蓋幾乎所有視角，確保車(chē)輛能夠充分看到周?chē)l(fā)生的所有狀況。同時(shí)，成像必須足夠清晰，以便處理器可以將攝像頭圖像與其他傳感器報告的信息組合，決定并快速采取行動(dòng)。

　　“關(guān)鍵是要對汽車(chē)進(jìn)行360°覆蓋，視野中的任何部分都至少有一個(gè)攝像頭覆蓋，并且具有近距離和遠距離覆蓋范圍，使汽車(chē)每個(gè)角度都有覆蓋冗余?！盉allew說(shuō)道。