車載激光雷達(dá)低成本方案將加速無人駕駛到來

　　ADAS及無人駕駛系統(tǒng)中常用的環(huán)境傳感器包括激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器、GPS這五類傳感器或其中某幾個(gè)的組合來實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)功能。這五種傳感器各具特征，各自有所側(cè)重，一般在復(fù)雜系統(tǒng)中組合使用。相比于攝像頭，激光雷達(dá)的最大優(yōu)勢(shì)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)車在雷達(dá)及毫米波雷達(dá)，當(dāng)其所發(fā)射的電磁波在傳播路徑上遇到尺寸比波長小的物體時(shí)，將會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，即波的大部分能流繞過物體繼續(xù)向前方傳播，反射回來可供雷達(dá)接收的能量則很小，因此，無法探測(cè)大量存在的小型目標(biāo)，即使是毫米波雷達(dá)，也探測(cè)不到直徑很小的線狀目標(biāo)。而用于雷達(dá)系統(tǒng)的激光波長一般只有微米的量級(jí)，因而它能夠探測(cè)非常微小的目標(biāo)，測(cè)量精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于毫米波雷達(dá)及其他車載標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)。

　　激光雷達(dá)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，比如谷歌無人駕駛汽車從未在大雨大雪等惡劣條件下測(cè)試。激光雷達(dá)能夠獲得周邊環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)在多用于在測(cè)量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測(cè)量自身與人體距離的智能裝備，在測(cè)量與人的距離方面這一功能上尚無完美替代方案。

　　另外，激光雷達(dá)也存在著價(jià)格昂貴等劣勢(shì)。激光雷達(dá)的測(cè)量精度與其雷達(dá)線束的多少有關(guān)，線束越多，測(cè)量精度越精準(zhǔn)，ADAS無人駕駛系統(tǒng)的安全性也越高。但同時(shí)，線束越多，其價(jià)格也越昂貴。目前，雖然低成本化是激光雷達(dá)的一大趨勢(shì)，但出于對(duì)駕駛安全性的考慮，高價(jià)激光雷達(dá)仍然占據(jù)主流。

　　4 “環(huán)境感知+導(dǎo)航定位”造就激光雷達(dá)的核心地位

　　LiDAR——Light Detection And Ranging，即激光雷達(dá)，是利用激光、全球定位系統(tǒng)GPS 和慣性測(cè)量裝置(Inertial Measurement Unit，IMU)三者合一，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。簡而言之，就是激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的高精度雷達(dá)系統(tǒng)。原用于軍事領(lǐng)域，目前已延伸至汽車無人駕駛領(lǐng)域。激光雷達(dá)(Lidar)和毫米波雷達(dá)(RADAR)的主要區(qū)別是激光雷達(dá)發(fā)射的是可見和近紅外光波而毫米波雷達(dá)使用的是無線電波。

　　3D 激光雷達(dá)在無人駕駛運(yùn)用中擁有兩個(gè)核心作用。1)3D 建模進(jìn)行環(huán)境感知。通過激光掃描可以得到汽車周圍環(huán)境的3D 模型，運(yùn)用相關(guān)算法比對(duì)上一幀和下一幀環(huán)境的變化可以較為容易的探測(cè)出周圍的車輛和行人。2)SLAM 加強(qiáng)定位。3D 激光雷達(dá)另一大特性是同步建圖(SLAM)， 實(shí)時(shí)得到的全局地圖通過和高精度地圖中特征物的比對(duì)， 可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航及加強(qiáng)車輛的定位精度。

　　車載激光雷達(dá)設(shè)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)車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于 2D 激光掃描儀的性能。激光發(fā)射器線束的越多，每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線束越多也就代表著激光雷達(dá)的造價(jià)就更加昂貴，以Velodyne 的產(chǎn)品為例，64 線束的激光雷達(dá)價(jià)格是16 線束的10 倍。2)對(duì)于較高要求標(biāo)準(zhǔn)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 萬元左右。對(duì)于較低要求的 IMU，有許多廠家的設(shè)備可以選擇，價(jià)格根據(jù)型號(hào)變化，在 10 萬元到 50 萬元之間。3)Velodyne 的車載激光雷達(dá)目前看來并沒有加入IMU 部件。

　　目前行業(yè)對(duì)是否使用激光雷達(dá)仍然抱有爭議，特斯拉的總裁Elon Musk 就公開表示無人駕駛并不需要激光雷達(dá)，將現(xiàn)有的傳感器發(fā)揮的極致也能實(shí)現(xiàn)無人駕駛，而德爾福、豐田均已開始和激光雷達(dá)企業(yè)合作。激光雷達(dá)是否運(yùn)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(dá)未來的市場滲透率。如果低成本的激光雷達(dá)方案如能達(dá)到同樣效果，將極大的推動(dòng)無人駕駛進(jìn)度，滲透率也會(huì)直線上升。麥肯錫認(rèn)為無人駕駛解決方案成本達(dá)到2 萬美金時(shí)，無人駕駛汽車將具備極大的商業(yè)價(jià)值。我們做一個(gè)大膽的假設(shè)： 2025 年，2000 美金的激光雷達(dá)被普遍認(rèn)可，全球有5%左右的汽車成為無人駕駛或高度自動(dòng)駕駛汽車，那么激光雷達(dá)的市場需求將達(dá)到110 億美金。

　　5 車載激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)格局和低成本發(fā)展趨勢(shì)

　　目前，車載激光雷達(dá)的產(chǎn)品及生產(chǎn)廠商主要集中于國外，包括美國Velodyne公司、美國Quanegy公司以及德國IBEO公司等。國內(nèi)的激光雷達(dá)產(chǎn)品主要以2D激光雷達(dá)為主，多用于地形測(cè)繪、建筑測(cè)量、家用服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。不過，國內(nèi)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)也開始嘗試逐步進(jìn)入車用激光雷達(dá)行業(yè)。同時(shí)，由于目前昂貴的價(jià)格成為車用激光雷達(dá)市場推廣的最大障礙，因此低成本化是其未來最主要的發(fā)展趨勢(shì)。

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

　　Velodyne: 車用激光雷達(dá)的行業(yè)先導(dǎo)

　　近年來，Velodyne的3D激光雷達(dá)業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，谷歌在其最早的自動(dòng)駕駛原型汽車中所使用的LiDAR傳感器就是由該公司開發(fā)的，其產(chǎn)品的測(cè)量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標(biāo)桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達(dá)產(chǎn)品種類豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專門為智能駕駛汽車設(shè)計(jì)的Ultra Puck激光雷達(dá)。

　　Google 采用的價(jià)值7.5 萬美元的Velodyne HDL-64E 可以說是激光雷達(dá)中的勞斯萊斯，通過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 萬的數(shù)據(jù)點(diǎn)。相比同類產(chǎn)品如Sick LaserRangefinde(價(jià)值6000 美金)每秒產(chǎn)生6000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在量級(jí)上是不可同日耳語的。但Velodyne 產(chǎn)品相對(duì)測(cè)繪類的車載3D 激光雷達(dá)動(dòng)輒幾十萬美金的價(jià)格，仍然是較為廉價(jià)的選擇。

　　于2015年12 月10 日路測(cè)成功的百度無人駕駛汽車車身上，部署了毫米波雷達(dá)、視頻等感應(yīng)器，其車頂還安置了一個(gè)體積較大、價(jià)值70 萬余人民幣的64 位激光雷達(dá)(Velodyne HDL64-E)。能對(duì)本車周邊半徑70 米范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行三維掃描，以3D 激光云點(diǎn)的方式呈現(xiàn)，給予自動(dòng)駕駛汽車的智能決策系統(tǒng)提供周圍環(huán)境最原始的判斷依據(jù)。百度和Google 均致力于實(shí)現(xiàn)無人駕駛的最終階段—— 完全自動(dòng)駕駛。LiDAR 傳感器的高精度掃描，適用于復(fù)雜環(huán)境探測(cè)，使得無人駕駛汽車可以在人車混雜的道路上無限接近“零事故”駕駛。

　　圖2：HDL-64E正面和背面構(gòu)造

　　觀察Velodyne HDL-64E 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(hào)處理器和穩(wěn)定裝置。

　　在2016年1月的美國CES消費(fèi)電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D激光雷達(dá)混合固態(tài)超級(jí)冰球(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto) ，這款產(chǎn)品為32線束激光雷達(dá)，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時(shí)價(jià)格低廉，未來在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，其目標(biāo)價(jià)格可降至500美元，性價(jià)比較高。但這款激光雷達(dá)目前的版本只是車企測(cè)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，在專業(yè)技術(shù)上也有所改進(jìn)。Velodyne對(duì)該款產(chǎn)品激光發(fā)射裝置設(shè)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(shè)置可防止高發(fā)射率物體使激光雷達(dá)致盲，產(chǎn)品的性能得到提升。