自動(dòng)駕駛新進(jìn)展：激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)突破性小型化

　　剛剛成立獨(dú)立公司 Waymo的谷歌有著大量競(jìng)爭(zhēng)者，各家公司的自動(dòng)駕駛汽車(chē)正在道路上不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在匹茨堡的一次成功試運(yùn)行之后，Uber 在 12 月 14 日啟動(dòng)了它在舊金山市的「自動(dòng)駕駛汽車(chē)」項(xiàng)目，這個(gè)決定迅速陷入了有關(guān)法規(guī)的爭(zhēng)議——Uber 還沒(méi)有拿到無(wú)人車(chē)的許可證。但 Uber 堅(jiān)持認(rèn)為這是不必要的，因?yàn)槟壳斑\(yùn)營(yíng)的每一輛車(chē)都有備用駕駛員隨時(shí)準(zhǔn)備在危險(xiǎn)時(shí)接管控制(12 月 22 日，Uber 在舊金山的所有16輛無(wú)人車(chē)被當(dāng)?shù)剀?chē)管局責(zé)令停止運(yùn)營(yíng))。通用也剛剛宣布他們正在密歇根州進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)試驗(yàn)。對(duì)于這些試驗(yàn)型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，有一件事顯得尤為重要：汽車(chē)操縱系統(tǒng)需要有可靠的視覺(jué)。

　　目前還沒(méi)有任何一個(gè)人造系統(tǒng)可以和人類(lèi)的雙眼與大腦媲美，開(kāi)發(fā)者們必須尋找妥協(xié)的方案。這就是為什么工程師們正在使用巨大的支柱與鼓包來(lái)承載用于掃描道路情況的傳感器。在存在多個(gè)傳感器的情況下，假如一個(gè)傳感器沒(méi)有探測(cè)到危險(xiǎn)情況(如駛來(lái)的汽車(chē)或橫穿馬路的行人)，其他傳感器可以察覺(jué)到它，并發(fā)出指令讓汽車(chē)做出回避動(dòng)作。

　　目前的自動(dòng)駕駛汽車(chē)主要使用三種傳感系統(tǒng)——攝像頭、超聲波探測(cè)器和雷達(dá)——它們是便宜并且易于部署的。第四種方式：Lidar，采用激光掃描和測(cè)距來(lái)建立車(chē)輛周?chē)h(huán)境的詳細(xì)三維模型。Lidar 圖像具有高度準(zhǔn)確性，這使得它可以與前三種傳感器方式相提并論。然而激光傳感器面臨體積過(guò)大的問(wèn)題(看看谷歌自動(dòng)駕駛汽車(chē)的車(chē)頂，Uber 也是一樣)，同時(shí)，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，造價(jià)堪比承載系統(tǒng)的汽車(chē)本體。

　　目前，一些廠(chǎng)商正在開(kāi)發(fā)更小、更便宜的激光雷達(dá)系統(tǒng)。其中最有前途的是一種基于硅芯片的小型化設(shè)計(jì)。它的原型已經(jīng)交付各大汽車(chē)零部件供應(yīng)商(如 Delphi 何 ZF)開(kāi)始生產(chǎn)。如果一切順利，在三年以?xún)?nèi)激光雷達(dá)芯片就會(huì)出現(xiàn)在量產(chǎn)車(chē)上。

　　擯棄舊方法

　　帶來(lái)新一代微型激光雷達(dá) lidar 的是英飛凌(Infineon)，一家德國(guó)芯片制造商。這家公司是雷達(dá)探測(cè)器芯片的最大生產(chǎn)商之一。雷達(dá)通過(guò)發(fā)送無(wú)線(xiàn)電脈沖并接受被反射的信號(hào)工作，發(fā)射和接收到反射之間的時(shí)間延遲被用于計(jì)算和被探測(cè)物體之間的距離。如果對(duì)象是移動(dòng)物體，它的速度也可以被測(cè)定(通過(guò)多普勒效應(yīng))。

　　在 15 年前，雷達(dá)傳感器是一種需要定制的設(shè)備，每套售價(jià)約 3000 美元。英飛凌開(kāi)發(fā)了一種新的方法，使用半導(dǎo)體行業(yè)常見(jiàn)的硅制造工藝，并將雷達(dá)的許多功能集成到單個(gè)芯片上從而提高性能，這種設(shè)計(jì)使傳感器的價(jià)格迅速下降到幾百美元。雷達(dá)芯片不僅是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要部分，并且已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在常規(guī)車(chē)輛中，用于提供諸如自動(dòng)緊急制動(dòng)等安全配置。

　　Lidar 與傳統(tǒng)激光雷達(dá)有著相似的發(fā)展歷程。激光雷達(dá)是在 20 世紀(jì) 60 年代激光實(shí)用化后發(fā)明的。它通過(guò)使用激光束掃描特定區(qū)域，隨后接受光反射測(cè)定與物體的距離。由于光具有比無(wú)線(xiàn)電波更短的波長(zhǎng)，很容易被小型物體反射，激光雷達(dá)可以探測(cè)到被雷達(dá)錯(cuò)過(guò)的物體。激光雷達(dá)正被廣泛用于地圖測(cè)繪，測(cè)量大氣條件，以及掃描事故和犯罪現(xiàn)場(chǎng)等工作。

　　通常，激光雷達(dá)使用旋轉(zhuǎn)鏡面來(lái)引導(dǎo)其激光束，發(fā)出的光束在人類(lèi)不可見(jiàn)的光譜近紅外部分。商用激光雷達(dá)價(jià)格可達(dá) 5 萬(wàn)美元左右，而目前最為暢銷(xiāo)，但較小、功率較低的版本售價(jià)約為 1 萬(wàn)美元。許多激光雷達(dá)制造商，如加州的 Velodyne 公司，正在試圖開(kāi)發(fā)所謂「固態(tài)」激光雷達(dá)，這是一種更為小型化的版本，取消了所有運(yùn)動(dòng)部件。一些研究人員正在嘗試使用激光閃爍代替常亮光束，并利用芯片上的微型傳感器陣列捕獲反射。

　　英飛凌公司有著自己獨(dú)特的思路，他們使用了不同種類(lèi)的發(fā)射器，并使用了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。這種特殊的 MEMS 是英飛凌在 2016 年 10 月收購(gòu)的荷蘭公司 Innoluce 開(kāi)發(fā)的。該設(shè)備由一個(gè)橢圓形的反射鏡組成，尺寸為 3mm×4mm，被整合在硅芯片上。反射鏡連接了致動(dòng)器，可以改變激光束的方向。英飛凌表示，這種設(shè)計(jì)允許激光器使用全功率集中掃描，同時(shí)，它使用了閃爍系統(tǒng)。

　　「MEMS lidar 可以每秒收集 5000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其掃描范圍可遠(yuǎn)至 250 米，」英飛凌汽車(chē)傳感及控制部門(mén)負(fù)責(zé)人 Ralf Bornefeld 說(shuō)道。盡管這套設(shè)備仍然有反射鏡，但 lidar 擁有和其他硅芯片一樣的可靠性。在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下(例如附加在擋風(fēng)玻璃上)，MEMS lidar 在汽車(chē)制造商端的成本可以低于 250 美元。這些小型激光雷達(dá)同時(shí)也可用于其他應(yīng)用，如機(jī)器人和無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。

　　包括 Bornefeld 在內(nèi)的很多工程師都認(rèn)為，未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)將使用多個(gè)微型激光雷達(dá)，普通雷達(dá)，超聲波傳感器和攝像頭組成陣列?！该糠N傳感器系統(tǒng)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，」Bornefeld 說(shuō)道。「高效地整合它們才能為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供安全保障?！?/p>

　　雷達(dá)可以精確地測(cè)量距離和速度，并在黑暗或濃霧的環(huán)境中正常工作——此時(shí)攝像頭無(wú)法獲取有效信息，但雷達(dá)產(chǎn)生的圖像不夠精細(xì)，難以讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)。另一方面，有一些材質(zhì)(如橡膠)會(huì)吸收而不是反射雷達(dá)波，從而讓雷達(dá)無(wú)法探測(cè)，造成安全隱患，此時(shí)攝像頭的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了。攝像頭可以捕獲高分辨率圖片，以供人工智能軟件進(jìn)行分析，然后應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)識(shí)別需要避免的對(duì)象。Lidar 具有在黑暗中探測(cè)小型物體，并收集高分辨率圖像的能力，但可能無(wú)法穿透濃霧。在未來(lái)的無(wú)人駕駛汽車(chē)上，超聲波探測(cè)器仍然將發(fā)揮作用，這種價(jià)格便宜的探測(cè)設(shè)備可被用于制造停車(chē)傳感器。

　　谷歌，Uber 和大多數(shù)汽車(chē)制造商都希望盡快應(yīng)用 lidar，因此他們非常樂(lè)于看見(jiàn)這些技術(shù)的新進(jìn)展。但不是每個(gè)人都在擁抱激光雷達(dá)，伊隆·馬斯克和他的特斯拉放棄了這一技術(shù)。馬斯克認(rèn)為，在特斯拉汽車(chē)上安裝的攝像頭、雷達(dá)和超聲波傳感器系統(tǒng)的性能正在快速提升，目前還不需要引入其他設(shè)備。

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　　伊隆·馬斯克也許很快就會(huì)改變他的想法。在今年 5 月，一位特斯拉車(chē)主在使用自動(dòng)駕駛模式時(shí)撞向一輛貨柜車(chē)最終身亡。雖然目前的自動(dòng)駕駛設(shè)備要求駕駛者必須把雙手放在方向盤(pán)上，雙眼觀(guān)察路面(現(xiàn)在谷歌 Waymo 和 Uber 自動(dòng)駕駛汽車(chē)上的預(yù)備駕駛員也是如此)，但在這次事故中，特斯拉汽車(chē)的攝像頭和雷達(dá)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)擋在面前的貨柜車(chē)——它被漆成白色，和當(dāng)時(shí)的天空幾乎融為一體，也許系統(tǒng)把貨柜車(chē)識(shí)別成了其他的什么東西，如橫跨頭頂?shù)慕煌?biāo)志。在這種情況下，lidar 是否會(huì)獲取正確的信息?永遠(yuǎn)沒(méi)有人會(huì)知道。但是，當(dāng)越來(lái)越多的無(wú)人駕駛汽車(chē)在道路上展開(kāi)冒險(xiǎn)的時(shí)候，擁有更多的鼓包和探頭總會(huì)讓乘客們更加安心。