車載激光雷達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、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、GPS這五類傳感器或其中某幾個的組合來實現(xiàn)自主移動功能。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，激光雷達的最大優(yōu)勢在于使用環(huán)境限制較小，即不管在白天或是夜晚都能正常使用。對于標準車在雷達及毫米波雷達，當其所發(fā)射的電磁波在傳播路徑上遇到尺寸比波長小的物體時，將會發(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，反射回來可供雷達接收的能量則很小，因此，無法探測大量存在的小型目標，即使是毫米波雷達，也探測不到直徑很小的線狀目標。而用于雷達系統(tǒng)的激光波長一般只有微米的量級，因而它能夠探測非常微小的目標，測量精度也遠遠高于毫米波雷達及其他車載標準雷達。

　　激光雷達的缺點是在大雨大雪等惡劣天氣中使用效果會受到影響，比如谷歌無人駕駛汽車從未在大雨大雪等惡劣條件下測試。激光雷達能夠獲得周邊環(huán)境的點云數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)在多用于在測量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測量自身與人體距離的智能裝備，在測量與人的距離方面這一功能上尚無完美替代方案。

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

　　4 “環(huán)境感知+導(dǎo)航定位”造就激光雷達的核心地位

　　LiDAR——Light Detection And Ranging，即激光雷達，是利用激光、全球定位系統(tǒng)GPS 和慣性測量裝置(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，就是激光束探測目標的位置、速度等特征量的高精度雷達系統(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(Lidar)和毫米波雷達(RADAR)的主要區(qū)別是激光雷達發(fā)射的是可見和近紅外光波而毫米波雷達使用的是無線電波。

　　3D 激光雷達在無人駕駛運用中擁有兩個核心作用。1)3D 建模進行環(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，運用相關(guān)算法比對上一幀和下一幀環(huán)境的變化可以較為容易的探測出周圍的車輛和行人。2)SLAM 加強定位。3D 激光雷達另一大特性是同步建圖(SLAM)， 實時得到的全局地圖通過和高精度地圖中特征物的比對， 可以實現(xiàn)導(dǎo)航及加強車輛的定位精度。

　　車載激光雷達設(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，每秒采集的云點就越多。然而線束越多也就代表著激光雷達的造價就更加昂貴，以Velodyne 的產(chǎn)品為例，64 線束的激光雷達價格是16 線束的10 倍。2)對于較高要求標準的 IMU，是基于光纖陀螺的技術(shù)制造的。其價格昂貴，大約在 150 萬元左右。對于較低要求的 IMU，有許多廠家的設(shè)備可以選擇，價格根據(jù)型號變化，在 10 萬元到 50 萬元之間。3)Velodyne 的車載激光雷達目前看來并沒有加入IMU 部件。

　　目前行業(yè)對是否使用激光雷達仍然抱有爭議，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，將現(xiàn)有的傳感器發(fā)揮的極致也能實現(xiàn)無人駕駛，而德爾福、豐田均已開始和激光雷達企業(yè)合作。激光雷達是否運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未來的市場滲透率。如果低成本的激光雷達方案如能達到同樣效果，將極大的推動無人駕駛進度，滲透率也會直線上升。麥肯錫認為無人駕駛解決方案成本達到2 萬美金時，無人駕駛汽車將具備極大的商業(yè)價值。我們做一個大膽的假設(shè)： 2025 年，2000 美金的激光雷達被普遍認可，全球有5%左右的汽車成為無人駕駛或高度自動駕駛汽車，那么激光雷達的市場需求將達到110 億美金。

　　5 車載激光雷達的產(chǎn)業(yè)格局和低成本發(fā)展趨勢

　　目前，車載激光雷達的產(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)的激光雷達產(chǎn)品主要以2D激光雷達為主，多用于地形測繪、建筑測量、家用服務(wù)機器人等領(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)也開始嘗試逐步進入車用激光雷達行業(yè)。同時，由于目前昂貴的價格成為車用激光雷達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。

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

　　Velodyne: 車用激光雷達的行業(yè)先導(dǎo)

　　近年來，Velodyne的3D激光雷達業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，谷歌在其最早的自動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)品的測量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne的3D激光雷達產(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)計的Ultra Puck激光雷達。

　　Google 采用的價值7.5 萬美元的Velodyne HDL-64E 可以說是激光雷達中的勞斯萊斯，通過64 束的激光束進行垂直范圍26.8 度，水平360 度的掃描，每秒能產(chǎn)生130 萬的數(shù)據(jù)點。相比同類產(chǎn)品如Sick LaserRangefinde(價值6000 美金)每秒產(chǎn)生6000 個數(shù)據(jù)點，在量級上是不可同日耳語的。但Velodyne 產(chǎn)品相對測繪類的車載3D 激光雷達動輒幾十萬美金的價格，仍然是較為廉價的選擇。

　　于2015年12 月10 日路測成功的百度無人駕駛汽車車身上，部署了毫米波雷達、視頻等感應(yīng)器，其車頂還安置了一個體積較大、價值70 萬余人民幣的64 位激光雷達(Velodyne HDL64-E)。能對本車周邊半徑70 米范圍內(nèi)的環(huán)境進行三維掃描，以3D 激光云點的方式呈現(xiàn)，給予自動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 均致力于實現(xiàn)無人駕駛的最終階段—— 完全自動駕駛。LiDAR 傳感器的高精度掃描，適用于復(fù)雜環(huán)境探測，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。背部是包括信號處理器和穩(wěn)定裝置。

　　在2016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D激光雷達混合固態(tài)超級冰球(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto) ，這款產(chǎn)品為32線束激光雷達，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時價格低廉，未來在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，其目標價格可降至500美元，性價比較高。但這款激光雷達目前的版本只是車企測試版，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不僅在外形及價格成本上有較大突破，在專業(yè)技術(shù)上也有所改進。Velodyne對該款產(chǎn)品激光發(fā)射裝置設(shè)置了2微秒時差，即32個激光發(fā)射器并非同時發(fā)射激光，而是以2微秒的時間間隔按順序發(fā)射激光，這種設(shè)置可防止高發(fā)射率物體使激光雷達致盲，產(chǎn)品的性能得到提升。