激光雷达完成传感三合一

未来的全自动驾驶汽车将依赖于不同传感技术的组合——先进的视觉系统、雷达、光成像、探测和测距(LiDAR)。在这三者中，激光雷达是目前成本最高的部分，全世界都在努力降低这些成本。

机械式激光雷达目前已经上市，价格在数百美元。这些数字必须降低，才能使成本敏感的汽车行业大规模采用该技术成为可能。

除了成本因素，激光雷达供应商必须能够展示其产品的高性能和可靠性。对于高级驾驶辅助系统和自动驾驶来说，99%的可靠性是不够的。在汽车制造的安全关键方面，设备必须证明“六个9”——99.9999%的可靠性。

先进技术在汽车上的重要性怎么强调都不为过。英特尔的以153亿美元收购以色列视觉系统供应商Mobileye就是一个很好的例子。英特尔和Mobileye去年与宝马(BMW)合作开发自动驾驶汽车技术。

激光雷达是该技术的关键组成部分，投资者正在为从事这项技术的初创公司打开钱包。上个月，蓝筹投资者向TetraVue投资了1000万美元，这是一家位于加州卡尔斯巴德的激光雷达初创公司，投资者包括富士康、Nautilus Venture Partners、罗伯特·博世风险投资公司和三星Catalyst Fund。

位于加州帕洛阿尔托的自动驾驶软件初创公司Autonomic已经从福特汽车和Social Capital筹集了约1100万美元。这四位联合创始人之前曾在Pivotal Labs工作。

技术驱动程序
Technavio预测，到2020年，全球汽车激光雷达传感器市场的复合年增长率将超过34%。据市场研究公司估计，2015年汽车激光雷达市场价值6161万美元，其中大部分支出在欧洲/中东/非洲地区和美洲。

该公司去年6月发布了一份《2016-2020年全球汽车激光雷达传感器市场》报告，并将在今年第三季度更新该报告。

Technavio汽车电子研究首席行业分析师之一Siddharth Jaiswal表示:“汽车行业的激光雷达技术正在经历快速发展，无论是在技术进步还是在市场动态方面。”

Technavio列举的主要进展包括:

1.降低成本，努力实现规模经济。激光雷达制造商正致力于通过采用高效的处理技术来降低系统成本，并在某些情况下根据客户细分市场来定位产品。Jaiswal说:“例如，谷歌的自动驾驶汽车上使用的Velodyne激光雷达单元的价格是64束Velodyne HDL- 64E，价格为8万美元。”Velodyne还提供32束和16束激光雷达，价格分别为4万美元和8000美元，可用于经济项目。我们预计激光雷达技术将遵循汽车行业“雷达”的类似路径，在汽车行业，成本在市场采用中发挥了至关重要的作用。因此，成本是玩家关注的重点领域。”
2.紧凑的设计。Velodyne在2005年发布的第一个激光雷达传感器又大又重——重约5公斤——不得不放在车顶上。现在，它的重量不到一公斤，而且固态版本足够紧凑，可以装进车里。
3.传感器融合。结合成像的技术趋势传感器十多年来，激光雷达一直是一个流行的技术研究课题。如果融合结果是通过验证另一种传感器类型来确认一种传感器的输出，则数据输出变得更加可靠。但是，如果验证不能证明一个传感器的结果与另一个传感器的结果相匹配，那么系统就会变得不可靠。
4.激光雷达在公路资产管理中的应用。交通速度道路评估状况调查(TRACS)于2000年在英国的主干道网络上引入。英国公路局在TRACS调查下对主干道路面情况进行例行自动化调查。激光雷达用于测量与传感器头之间的距离，与TRACS测量相比，激光雷达可以测量距离测量车更远的物体。

图1:2020年激光雷达价格趋势。来源:Technavio

“在自动驾驶传感器套件中，激光雷达处于非常有利可图的位置，”Jaiswal说。“360度地图是其与其他传感器技术的关键区别，其探测物体的能力，甚至在完全没有光线的情况下，也在oem中占据了一席之地。此外，自动驾驶汽车中最昂贵的设备激光雷达传感器单元的价格明显下降，可能会推动汽车激光雷达传感器的采用。例如，Velodyne在2016年推出了其新型激光雷达传感器ULTRA Puck VLP-32A。据称，它是最经济实惠的激光雷达传感器，能够满足SAE定义的车辆自动化水平1-5级，而且与业内以前的产品版本相比，它也非常紧凑。由于采用了固态结构，传感器足够小，可以安装在外部镜子上，同时将3D传感范围扩展到200米(656英尺)。Velodyne将汽车量产的目标价格设定在每台300美元以下，与之前的紧凑型激光雷达每台7900美元相比，成本大幅降低。”

此外，激光雷达可以使用成熟的半导体工艺技术来开发。技术，固态版本没有活动部件。

Yole Développement成像活动负责人Pierre Cambou表示:“激光雷达被认为是精确3D测绘、车辆感知和导航的关键技术。“首先是通过使用短波红外(SWIR)二极管、雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管进行性能和耐用性的竞赛。在降低成本方面也有巨大的努力。这主要是试图通过可操纵的激光，使激光雷达成为固态，微机电系统微镜，或探测器阵列。

但Cambou指出，自动驾驶有不同的方法，激光雷达并不是所有方法都必不可少的。“激光雷达是自动驾驶汽车的基本设备，我更愿意称之为机器人汽车。将会有很多层次的自治。激光雷达可能是城市自动紧急制动所必需的，可能与雷达和摄像头一起使用。这种多模态方法现在已经得到了很好的定义。没有人再质疑它了。”

随着价格的下降，激光雷达的市场将从目前的6亿美元增长到未来5年的12亿美元。他说:“如今，汽车行业有三个入门价位:3000美元、300美元和30美元。”“摄像头目前的价格为30美元，激光雷达的价格为3000美元。激光雷达播放器的目标是降低成本，在不牺牲太多性能的情况下达到300美元的目标。我们将在未来三年内看到这种激光雷达进入市场，可能会使用固态方法。”

这只是整个视觉传感器市场的一小部分。Cambou表示:“目前的共识是，汽车雷达和汽车视觉的收入几乎相同，但视觉是50%的前方ADAS和50%的泊车辅助。“2016年，我们的汽车视觉传感器价值已达10亿美元，年复合增长率为24%。到2021年，汽车视觉传感器的收入将达到73亿美元。”

图2:激光雷达市场增长。来源:Yole Développement

什么有用，什么没用
阿明·卡什，ADAS和自动驾驶的主管导师图形西门子旗下的一家公司表示，人们对激光雷达的兴趣始于十多年前，因为当时雷达传感器的成本很高，每个传感器的成本约为500美元。当时激光雷达传感器非常昂贵，每台高达26万美元。

“三年前，你看到许多公司或初创公司开始投资并研究激光雷达领域，”Kashi说。“每个主要的一级市场都开始投资或收购激光雷达领域的公司。”

其中包括大陆集团(Continental)和天合集团(TRW)等公司。Kashi之前在Quanergy Systems工作，该公司开发了一种机械式激光雷达传感器，目前正在研究一种相控阵激光雷达传感器。Quanergy公司的固态激光雷达传感器售价约为250美元。

与此同时，西门子旗下的Mentor Graphics公司正在为oem和Tier 1寻址激光雷达提供硬件、软件和设计服务。“我们还提供他们的传感器可以运行的软件IP。在一天结束的时候，所有的传感器都必须以某种方式融合。需要有一个处理平台或系统来处理所有这些不同的信息，并使其可供决策引擎使用。这就是我们的兴趣所在。”

他说，摄像头、激光雷达和雷达是相互补充的，可以弥补每种技术的不足。这是至关重要的，因为激光雷达在大雾和低云、沙尘暴、暴雨和大雪中效果较差。

他指出:“你在自动驾驶汽车上使用的传感器仍然必须有非常好的分辨率。”“有很多公司在研究激光雷达技术，很多初创公司，他们都有非常引人注目的概念。有趣的是，这条商业化之路是否会成功。其中一些非常模仿，但从一个伟大的概念到汽车级传感器是一个巨大的挑战。与此相关的是大量投资。”

不过，在各种激光雷达技术之间进行比较并不总是那么简单，而且随着竞争的加剧，比较也不容易。

创业公司Quanergy的首席执行官Louay Eldada说:“有很多误导性的信息。“有人在做传统的机械激光雷达(用于直升机的大型旋转机械激光雷达)，他们称自己为混合固态激光雷达，因为半导体含量非零。这只是欺骗。”

Eldada表示，这种产品在桶大小的产品中有一个小芯片。“在汽车领域，没有人还在使用机械激光雷达。我们坚信，我们的固态激光雷达是迄今为止该领域最令人兴奋的发展。”

Quanergy去年获得了9000万美元的B轮融资，使其私人融资总额达到约1.5亿美元，公司估值超过10亿美元。德尔福汽车(Delphi Automotive)、GP Capital、Motus Ventures、三星风投(Samsung Ventures)和森萨塔科技(Sensata Technologies)参与了B轮融资。

另一家初创公司XenomatiX也专注于固态激光雷达。这家总部位于比利时的公司的首席执行官菲利普·基恩斯(Filip Geuens)表示:“初创公司在被认为对自动驾驶至关重要的开发方面处于领先地位。”“为了获得自动驾驶所需的传感器和软件，一些大公司进行了巨额投资和昂贵的收购。从技术角度来看，这些公司中的大多数都在朝着同一个方向发展。我们预计他们都将遇到重要的障碍。我们走在一个不同的方向，做事情的方式也略有不同，因为我们相信这是克服这些障碍的最佳方式。”

Geuens说，XenomatiX正试图消除激光雷达系统之间的传感混乱，许多系统利用直接飞行时间发出一束光或一束光。“我们的方向是同时发出数千束光束。这是一个很大的挑战。我们也注意到眼睛安全的限制。这是我们所有人都面临的最重要的障碍。我们同时发出了很多光束，这就更难了。好处是，它使系统在多个激光雷达系统同时运行的实际情况下更加可靠。”

一些公司声称，摄像头和雷达足以实现自动驾驶。Geuens不这么认为。他说，驾驶汽车涉及到一个3D世界，而激光雷达对于各个方向的感知至关重要。

市场混乱
汽车行业的一个大问题是原始设备制造商和一级汽车制造商之间的拉锯战。传统上，原始设备制造商希望一级供应商能够为他们提供所需的先进技术，而一级供应商则需要在向原始设备制造商展示技术之前，先获得成熟的技术。根据众多业内人士的说法，汽车零部件供应商不希望在没有OEM批量采购订单的情况下，在研发上投入大量资金。

Geuens表示，英特尔即将收购Mobileye是将高科技产品引入汽车行业的“一大步”。

但是，朝着自动驾驶汽车发展的竞争，以及实现这一目标所需的大量技术创新，正在改变之前的一些方法。总部位于魁北克的Phantom Intelligence公司总裁Jean-Yves Deschênes说:“现在，激光雷达技术作为一个整体正在发生变化。”“这种变化是由汽车行业造成的。”

5到10年前，激光雷达主要用于建筑、测绘和军事目的。这些设备都是典型的巨大而笨重的设备，有很多镜子。

“很多人都在寻找解决方案，”他说。“最近的研究和我们现在听到的很多公司都在试图取代这些镜子。我们生产扫描激光雷达原理，通过使用MEMS反射镜，光束转向，等等。很多地图都朝着这个方向发展。幻影智能坚信，解决方案更多地取决于闪光激光雷达技术。闪光激光雷达更像是3D相机的模拟物。你不用用窄光束逐步扫描视场来重建图像，而是用激光脉冲在一个大的表面上闪烁图像，并使用多个像素来重建图像。”

激光雷达的缺点是回波返回到传感器，Deschênes指出，他倾向于他所说的更智能的信号处理。他预测，自动驾驶将分为五个级别，全自动驾驶汽车将在2025年推出，而这项技术将在2030年被广泛采用。

现实的检验
客观地说，激光雷达是一项众所周知的技术，最终找到了有利可图的市场应用。

一位业内人士表示:“激光雷达的原理——通过飞行时间的脉冲和回波发送的光——并没有真正改变。”“自发明以来，在过去40年左右的时间里，物理学从未改变过。不断发展的变化更多地体现在组件和系统集成上。根本原则没有改变。”

该消息人士指出，Flash激光雷达已经研发了五年，并将其比作CMOS图像传感器。“这是一个值得关注的领域——闪光激光雷达技术。它承诺的是一个非常低成本的解决方案，而不一定是高性能。”

华盛顿州雷德蒙德(Redmond)产品工程高级总监凯文·沃森(Kevin Watson)说。总部位于美国的上市公司MicroVision对此并不认同。他在谈到闪光激光雷达时表示:“我认为这不会有任何发展。”“多年来，我们一直认为激光雷达传感器的圣杯是基于MEMS反射镜的激光扫描仪，因为它们非常小，生产成本相对低廉，而且非常可靠。它们很小，可以在一辆汽车周围藏好几个。”

沃森称激光雷达是汽车电子领域“最重要的传感器”。“视觉系统很棒，但它们完全是被动系统。激光雷达已启动。”

但激光雷达也有其局限性。雷达可以识别墙壁，具有更大的范围，在雾中也能工作，而激光雷达和视觉可能会混淆。沃森表示，实现仅次于最高级别的4级自动驾驶“还有很长的路要走”，并补充说，这可能在10年内都无法实现。“这是一个非常非常棘手的问题。只是有很多工作要做。”

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