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激光雷达的“军备竞赛”,已悄然打响。这个自动驾驶进阶的主要硬件,已被越来越多的车企所应用,其扮演的角色也越来越重要,伴随大量资本的注入,让激光雷达成为了自动驾驶这场“战争”的导火索。
本文将对车载激光雷达的分类、工作原理为大家做详细说明,同时介绍一些目前搭载激光雷达车型,如果你对热门科技感兴趣,或想买高阶自动驾驶车型,可以做个参考(全文干货建议收藏),也可关注电动生活公众号了解更多。
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何为车载激光雷达?
定义:车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪,是一种移动型三维激光扫描系统,也是城市建模最有效果的工具之一。主要由发射系统、接收系统、信息处理三部分组成,基本原理就是将三维激光扫描仪+POS系统装在车上,可以更长、更远范围内建立3D模型。
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激光雷达使用存争议
在激光雷达量产落地引发竞逐的同时,业界对于自动驾驶技术路线却仍存争议。部分观点认为,摄像头在数据形式和精度上不足,自动驾驶感知层面需要补充激光雷达;另一部分观点则认为,激光雷达不必要,且过于昂贵。特斯拉CEO马斯克更是曾表示“激光雷达免费都不会用”,想从算法上解决视觉信息的处理问题。
我为大家梳理一下,首先特斯拉做的自动驾驶,是要低成本实现商业化,视觉方案可以达到他的目标,所以目前特斯拉的现在的宣传口径没有问题,而特斯拉也在偷偷地测试激光雷达。
国内造车新势力,初衷就是为了更高级别的自动驾驶,所以直接使用上了最高端传感器——激光雷达。虽然现在的方案有分歧,但激光雷达的目标检测,定位建图都是视觉无法替代的,到了L3、L4级别自动驾驶,激光雷达是不可避免的搭载,所以未来的殊途同归是必然。
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激光雷达:自动驾驶香饽饽的养成
2021年被称为激光雷达的元年,如今经过这两年的发展,实现搭载的品牌越来越多,像蔚来、小鹏、威马、智己、极狐等。激光雷达可以说,是实现更高级别自动驾驶(L3级别以上),以及更高安全性的良好途径,相比于毫米波雷达,激光雷达的分辨率更高、稳定性更好、三维数据也更可靠。
现在的L2级自动驾驶硬件大多由摄像头+毫米波雷达+超声波雷达组成。摄像头的优势在于识别清晰,但人眼遇到的强光、天黑、眼盲等问题,摄像头同样有;超声波雷达就是我们常说的倒车雷达,成本非常低,但测量距离短,容易受到天气干扰,只在车速慢时有优势;毫米波雷达就是无线电波雷达,穿透烟雾能力强,可以很好的弥补摄像头的不足,多用于盲点监测、变道辅助,不惧怕强光、适应恶劣天气、分辨率可达5cm,但判断精度相对差些,行车时效果更是大打折扣(特斯拉执着使用此雷达+摄像头的组合)。
激光雷达(Lidar)光束范围很窄,所以需要更多的纵向光束,以覆盖大的面积,所以线束决定着画面大小,扫描再通过返回的时间测量距离,并精准、快速构建模型,相比目前的其他雷达强太多,所以更适合自动驾驶系统,但也同样易受天气影响,成本较高。
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激光雷达:为什么是自动驾驶解决方案?
激光雷达可以提供精准的3D测量数据,在相对苛刻的天气和光照条件下可以更好的完成工作。激光雷达可以与毫米波雷达,摄像头等传感器数据结合,为车辆在行驶环境中提供静态和动态物体的可靠识别数据,有助于障碍物检测、避免碰撞和安全导航,并且激光雷达是一个高度可用、可量产的解决方案。
具体优势:
(1)分别率及精度:在车辆自动行驶中,产生大量的可靠测量数据,精确到厘米级别,清晰识别物体;
(2)工作环境:受外界环境变化干扰小,能够适应恶劣的天气和光线下正常工作,保障车辆自动行驶过程中的安全;
(3)反应速度:发射光脉冲通过往返时间计算距离,周围行人和物体皆可探测,实时感知四周环境,做出及时判断。
传统的机械旋转激光雷达技术最早也最成熟,由于体积较大,所以装备困难,在车载应用方面却几乎无法实现车规级验证,现在沦落为测试车专用了;纯固态激光雷达是未来发展方向,目前还不成熟、批量生产较为困难;半固态激光雷达能以较低的成本和较高的准确度实现扫描,目前相对成熟,是快速通过车规认证的技术方案,半固态雷达目前极为适合装车需求。
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半固态激光雷达是主流:分类/工作原理介绍
车载激光雷达之间,按结构不同大致可以分为:机械旋转激光雷达,混合半固态激光雷达和全固态激光雷达(Flash快闪和OPA相控阵,统称为非扫描式):
1、机械式激光雷达体积大、成本较高、装配难。它通过旋转实现横向360度的覆盖面,通过内部镜片实现垂直角度的覆盖面,同比有着更耐用稳定的特点,所以我们看到的自动驾驶路试车大多采用这种类型,雷达在车顶不停的在旋转完成横向扫描,靠增加激光束,实现纵向宽泛的扫描。
机械式激光雷达
2、半固态激光雷达是目前车载的主流产品。按照扫描方式,有如下分类:硅基MEMS、转镜、振镜+转镜、旋转透射棱镜。
半固态激光雷达分类、代表厂商、车型、价格
(1)转镜:转镜分为一维转镜和二维转镜。一维转镜通过旋转的多面体反射镜,将激光反射到不同的方向;二维转镜顾名思义内部集成了两个转镜,一个多边棱镜负责横向旋转,一个负责纵向翻转,实现一束激光包揽横纵双向扫描。转镜激光雷达体积小、成本低,与机械式激光雷达效果一致,但机械频率也很高,在寿命上不够理想。
二维转镜激光雷达
(2)MEMS:通过“振动”调整激光反射角度,实现扫描,激光发射器固定不动,但很考验接收器的能力,而且寿命同样是行业内的重大挑战。支撑振镜的悬臂梁角度有限,覆盖面很小,所以需要多个雷达进行共同拼接才能实现大视角覆盖,这就会在每个激光雷达扫描的边缘出现不均匀的畸变与重叠,不利于算法处理。另外,悬臂梁很细,机械寿命也有待进一步提升。
MEMS振镜
(3)振镜+转镜:在转镜的基础上加入振镜,转镜负责横向,振镜负责纵向,满足更宽泛的扫射角度,频率更高价格相比前两者更贵,但同样面临寿命问题。
振镜+转镜式激光雷达,我们可以理解为二维转镜负责纵向扫描的转镜,换为振镜
(4)棱镜:棱镜激光雷达也称为双楔形棱镜激光雷达,内部包括两个楔形棱镜,激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转,通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转。控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光束的扫描形态。
棱镜激光雷达累积的扫描图案形状像花瓣,中心点扫描次数密集,圆的边缘则相对稀疏,扫描时间持久才能丰富图像,所以需要加入多个激光雷达工作,以便达到更高的效果。棱镜可以通过增加激光线束和功率实现高精与长距离探测,但结构复杂、体积更难控制,轴承与衬套磨损风险较大。
棱镜激光雷达照射方式
3、全固态激光雷达很理想,目前难以量产。顾名思义此激光雷达没有任何机械摆动结构,自然也没有旋转。将机械化的激光雷达芯片化,体型更小、性能更好、寿命更可靠,但逃脱不了摩尔定律的轨道,目前有两种方式。
OPA固态激光雷达工作原理
(1)OPA固态激光雷达完全没有摆动固件,利用多个光源组成阵列,合成特定方向的光束,实现对不同方向的扫描。具有扫描速度快、精度高、可控性好、体积小(Quanergy激光雷达只有90x60x60mm)等优点,缺点是易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率,同时生产难度高。
Flash固态激光雷达工作原理
(2)Flash固态激光雷达,也可以说是非扫描式,它可以在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,利用光阵构建图像,就像是照相机,快速记录整个场景,减少了没有了转动与镜片磨损,相对更为稳定,不过缺陷也很明显,比如探测距离较近,对处理器要求较高,相对应成本也高。
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激光雷达是L3自动驾驶的捷径?
自动驾驶是未来的趋势,目前市面上量产的仍然是L2级别自动驾驶,目前没有任何一款具备L3级别自动驾驶的车辆上路,L3级别不需要驾驶员对路况进行实时监控,只需要在系统提醒时接管车辆,L3才是真正解放双手的科技级别。
激光雷达的分辨率更高、体积小、质量轻、抗干扰能力相对强、低空探测性能好等众多优势,可以为自动驾驶带来质的提升。相比于视觉路线以及其他雷达传感器,激光雷达可以说是实现更高级别自动驾驶的捷径。
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激光雷达市场前景
尽管国外激光雷达市场发展较早,但目前国内激光雷达市场已经开始呈现百花齐放的局面,不少初创企业在机械雷达方面较为领先,并向固态雷达发展。
在目前技术条件下,激光雷达是实现L3 自动驾驶技术的捷径。L3智能驾驶汽车在2021年批量发布,有望带动激光雷达在2022年实现规模量产。未来随着量产激光雷达成本的降低,出于安全考虑激光雷达有望成为中高端汽车标配,车载激光雷达市场规模有望进一步扩大。
据相关咨询公司预测,至2025年全球激光雷达市场规模为135.4亿美元(破百亿),较2019年可实现64.5%的年均复合增长率。其中,中国激光雷达市场规模将达到43.1亿美元,较2019年实现63.1%的年均复合增长率。
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激光雷达的不足与改善
激光雷达在应用中也存在着不足。比如,大雾和大雨会减弱激光信号的强度,精度会下降,并且现在的激光雷达的点云是基于几何呈现的,虽然能分辨出形状,却不能辨别颜色和纹理等,这意味着激光雷达还无法区分纸袋和石头的不同。
为了改善激光雷达的缺陷,所以车辆在自动驾驶的感知层面还加入了摄像头。有分析认为,摄像头的高分辨率和激光雷达的精准测距,恰好互为补充。相比于依靠摄像头的纯视觉感知,激光雷达与摄像头融合,带来信息获取能力的提升,算法要求得以降低,行驶安全也会多一份保障。
自动驾驶一定是未来出行的主流,激光雷达是自动驾驶汽车的一双“眼睛”,在不远的未来会成为每辆智能汽车的标配。激光雷达要想成为“车规”级产品,必须要同时满足“成本够低”、“可靠”以及“可量产”三个重要条件。
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搭载激光雷达车型汇总
小鹏P5、蔚来ET7、阿尔法S华为HI版、智己L7、宝马iX、AITO问界、威马M7
1
● 小鹏P5
【激光雷达品牌】大疆Livox
【数量】2
【纵向线束】等效144线
2
● 蔚来ET7
【激光雷达品牌】Innovusion(图达通)
【数量】1
【纵向线束】等效300线
3
● 极狐阿尔法S 华为HI
【激光雷达品牌】华为
【数量】3
【纵向线束】96线
4
● 智己L7
【激光雷达品牌】Innovusion(图达通)
【数量】2
【纵向线束】预计等效300线
5
● 宝马iX
【激光雷达品牌】Innovusion(图达通)
【数量】1
【纵向线束】预计等效300线
6
● AITO问界
【激光雷达品牌】华为
【数量】1
【纵向线束】预计等效96线
7
● 威马M7
【激光雷达品牌】Innoviz
【数量】3
【纵向线束】等效504线
更多搭载激光雷达车型:
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长城WEY摩卡、上汽飞凡R7、哪吒S、蔚来ET5、埃安LX Plus、沙龙机甲龙、奥迪A8、奔驰EQS、长安放舟架构、本田Legend、沃尔沃XC90、Lucid Air等。
· 写在最后 ·
编辑总结
不管怎样,目前激光雷达是自动驾驶进阶的最佳选择,半固态激光雷达是当下,纯固态激光雷达是未来,不排除随着技术的发展还有更好的替代产品出现,但目前看这已是我们所能看到的边际了。至于,活在当下的半固态激光雷达中哪个是主力,这就要看谁更能满足“成本够低”、“可靠”、“可量产”这三个重要条件了。