無(wú)人駕駛是汽車(chē)的未來(lái)，但要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人駕駛，激光雷達(dá)將是不可或缺的一個(gè)傳感器，雖然它不是萬(wàn)能的，但在它的配合下，無(wú)人駕駛將更加安全和可實(shí)現(xiàn)。

激光雷達(dá)(LiDAR)是無(wú)人駕駛汽車(chē)中最強(qiáng)大的傳感器之一。它可以區(qū)分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報(bào)、在三維立體的空間中建模、檢測(cè)靜態(tài)物體、精確測(cè)距。它是通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)探測(cè)目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)， 在軍事領(lǐng)域以及民用的地理測(cè)繪等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 由于激光雷達(dá)可以形成精度高達(dá)厘米級(jí)的 3D 環(huán)境地圖， 因此在 ADAS 及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中具有重要作用。

激光雷達(dá)的原理與結(jié)構(gòu)

與雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間(TOF， Time of Flight)。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，從而提高測(cè)量精度。

在ADAS系統(tǒng)中，激光雷達(dá)通過(guò)透鏡、激光發(fā)射及接收裝置，基于TOF飛行時(shí)間原理獲得目標(biāo)物體位置、移動(dòng)速度等特征數(shù)據(jù)并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理器；同時(shí)，汽車(chē)的速度、加速度、方向等特征數(shù)據(jù)也將通過(guò)CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器對(duì)目標(biāo)物體及汽車(chē)本身的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的被動(dòng)警告指令或主動(dòng)控制指令，以此實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能。

下圖展現(xiàn)的是谷歌無(wú)人駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車(chē)上使用的激光雷達(dá)的布局：

激光雷達(dá)的分類(lèi)

激光雷達(dá)按有無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分類(lèi)，包括機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達(dá)則依靠電子部件來(lái)控制激光發(fā)射角度，無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。

機(jī)械激光雷達(dá)由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件是指圖中可360°控制激光發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。

固態(tài)激光雷達(dá)與機(jī)械雷達(dá)不同，它通過(guò)光學(xué)相控陣列(Optical Phased Array)、光子集成電路(Photonic IC)以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖(Far Field Radiation Pattern)等電子部件代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達(dá)的體積大小也不盡相同。機(jī)械激光雷達(dá)體積較大、價(jià)格昂貴、測(cè)量精度相對(duì)較高，一般置于汽車(chē)外部。固態(tài)激光雷達(dá)尺寸較小、性?xún)r(jià)比較高、測(cè)量精度相對(duì)低一些，但可隱藏于汽車(chē)車(chē)體內(nèi)，不會(huì)破壞外形美觀。

根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達(dá)又可分為單線束激光雷達(dá)與多線束激光雷達(dá)。顧名思義，單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線， 其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無(wú)法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。不過(guò)， 由于單線束激光雷達(dá)具有測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點(diǎn)， 多被應(yīng)用于安全防護(hù)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。

多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場(chǎng)上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)。2.5D激光雷達(dá)與3D激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過(guò)10°，而后者可達(dá)到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車(chē)上的安裝位置要求有所不同。

Velodyne激光雷達(dá)

Velodyne是車(chē)用激光雷達(dá)的行業(yè)先導(dǎo)，公司成立于1983年，以頭戴式耳機(jī)、低音音箱以及3D激光雷達(dá)為主要業(yè)務(wù)。近年來(lái)，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(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(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(lèi)豐富，包括16線束、32線束及64線束等，其中還有專(zhuān)門(mén)為智能駕駛汽車(chē)設(shè)計(jì)的Ultra Puck激光雷達(dá)。

在2016年1月的美國(guó)CES消費(fèi)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(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(chē)安裝攜帶，同時(shí)價(jià)格低廉，未來(lái)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?xún)r(jià)比較高。但這款激光雷達(dá)目前的版本只是車(chē)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(zhuān)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。

Quanergy全固態(tài)激光雷達(dá)

2012年底，以3D激光雷達(dá)傳感器為主要產(chǎn)品的Quanergy公司在硅谷成立。2014年9月，Quanergy和奔馳達(dá)成戰(zhàn)略合作，為奔馳研發(fā)車(chē)內(nèi)傳感系統(tǒng)和無(wú)人車(chē)。2014年10月，該公司獲得了3000萬(wàn)美元的A輪融資。2015年10月，Quanergy公司宣布與Delphi公司合作，為無(wú)人駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)一種新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)，每臺(tái)單價(jià)低于1000美元。目前，Quanergy共推出了兩款3D激光雷達(dá)產(chǎn)品，一款是安裝在奔馳智能駕駛測(cè)試車(chē)上的TheMarkVIII，另一款就是第一款專(zhuān)為智能駕駛汽車(chē)設(shè)計(jì)的全固態(tài)激光雷達(dá)S3。

S3全固態(tài)激光雷達(dá)基于相控陣技術(shù)代替了機(jī)械激光雷達(dá)的外部旋轉(zhuǎn)部件，大幅度縮小了產(chǎn)品體積，便于在汽車(chē)上安裝且不占據(jù)過(guò)多空間。同時(shí)，約250美元的價(jià)格也易于讓市場(chǎng)更接受。但是，由于其使用的有關(guān)電子部件不能像機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件一樣360°旋轉(zhuǎn)，只能探測(cè)前方不超過(guò)180°的視角范圍，因此一輛智能汽車(chē)一般至少需要4至6個(gè)S3激光雷達(dá)。

實(shí)際上，該款全固態(tài)激光雷達(dá)在測(cè)量精度、水平視野等參數(shù)特性上還有待進(jìn)一步提升。S3激光雷達(dá)是Quanergy公司與Delphi公司合作后所推出的中間產(chǎn)品，并非最終供貨產(chǎn)品。雖然該產(chǎn)品暫時(shí)只是作為研究成果存在，并未上市推廣，但其全固態(tài)技術(shù)突破對(duì)于車(chē)用激光雷達(dá)的發(fā)展卻有著重大的意義。

綜上所述、無(wú)論是Velodyne Ultra Puck提供的“混合固態(tài)”激光雷達(dá)還是Quanergy S3基于光學(xué)相控陣列的全“固態(tài)”激光雷達(dá)，都預(yù)示著激光雷達(dá)的固態(tài)化、小型化、低成本化是大勢(shì)所趨。有了這樣低成本高精度的激光雷達(dá)，我們又向無(wú)人駕駛的量產(chǎn)邁出了一大步。

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