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十年后,威力登继续着它的传奇,它的产品仍然是自动驾驶汽车的核心部件。不过有一点没变——激光雷达的价格只是从很贵变成了相当贵,离普及的目标还很远。
因此,威力登和大量新兴激光雷达初创企业的主要目标就是改变这种尴尬局面。
本文将对激光雷达技术进行深入的分析。除了激光雷达的工作原理,本文还将解释它所面临的挑战。毕竟要达到自动驾驶汽车的商业化要求并不容易。
一些专家认为,建造低价激光雷达的关键是用实心设计取代传统的旋转机械设计,这样可以大大减少可移动部件的数量。激光雷达的结构和量产不仅简单,而且成本低。说到这里,谁也不知道要多久才能造出低成本的汽车级激光雷达。
谢天谢地,所有的专家都对这份报纸持积极态度。为此,他们还列举了大量技术进步的例子,比如计算器和防抱死制动系统。它们的价格从高不可攀变成了非常便宜,靠的就是量产。显然,激光雷达会重复同样的路径,即激光雷达的价格不会成为自动驾驶汽车普及的绊脚石。
生不逢时的激光雷达急先锋
自20世纪60年代以来,科学家一直使用激光进行测距。当时,麻省理工学院的一个团队用激光测量了地球和月球之间的距离。不过,说到车载激光雷达技术,就不得不提到威力登的发明者大卫·霍尔(David Hall)。
霍尔是21世纪初威力登的首席执行官(兼创始人),当时该公司主要经营音频设备。但私下里,霍尔是个不折不扣的机器人爱好者。
“我们的团队在推广威力登立体音响的借口下登上了战斗机器人和机器人大战比赛(都是机器人比赛)的舞台。”霍尔在接受《连线》杂志采访时说。
因此,当诞生了互联网的DARPA(高级研究计划局)粗制滥造出另一项名为“大挑战”(Grand Challenge)的自动驾驶汽车竞赛时,霍尔决定参与其中。
在2004年的比赛中,霍尔和他自己的兄弟们“上了战场”,他们的卡车配备了两个摄像头。然而,如此简陋的配置并不能帮助他们赢得比赛,甚至完成比赛。不幸的是,没有一辆车在那场比赛中笑到最后。
一年后,在第二次比赛中,霍尔兄弟放弃了相机方案,改用激光雷达。其他团队也转用激光雷达,但当时市面上的产品都相当原始。
当时最流行的激光雷达是有病的LMS-291,它只是一个2D激光雷达系统,也就是说它的“视力”达不到2.0,只能“看到”世界的一部分。
这套系统可以帮助赛车探测到像墙壁、树木等立在地面上的障碍物,但如果遇到形状不规则的障碍物,比如废弃的铁路,它还是会手足无措。另外,这个系统只能检测,不能识别。它不知道前面是行人还是路标。
为了取胜,霍尔兄弟直接研发了新型激光雷达。他们在可以360度旋转的万向节上安装了一个64线激光发射器。这样,整个系统可以捕捉到真实的3D图像。
可惜他们的车没有赢得那年的比赛,但是霍尔兄弟研发的激光雷达引起了其他车队的注意。霍尔在第三届和第四届(决赛)比赛中成为激光雷达供应商。在上次比赛中,六辆成品车中有五辆使用了威力登的激光雷达。
为什么对自动驾驶汽车来说激光雷达至关重要?
在那之后,威力登成为了激光雷达市场的统治者。谷歌在当年的挑战中收集了大量参与者,创建了自动驾驶部门,然后使用了威力登的激光雷达。参与自动驾驶仪开发的其他公司无一例外地成为了威力登产品的买家。
目前,大多数自动驾驶汽车都配备了三种类型的传感器:摄像头、雷达和激光雷达。然而,每种类型的传感器都有自己的“矛”和“弱点”。
比如相机可以拍摄高清的彩色照片,但是没有测距能力,几乎无法测量远处物体的速度。
雷达具有良好的测距和测速能力,近年来其成本一直在下降。“当物体靠近车辆时,雷达效果真的很好。”休斯敦大学雷达专家克雷格·格伦尼解释说。”然而,因为它使用无线电波,雷达细节在远距离是不够的.”
激光雷达兼顾了上述两种传感器的优点。像雷达一样,激光雷达在测距方面非常强大,一些激光雷达还具有测速能力。同时,它的分辨率高于雷达,这意味着它可以探测更小的物体,并识别它们是行人、摩托车还是垃圾场。
与相机不同,激光雷达在任何光线条件下都能很好地工作。
当然,激光雷达并不完美,它最大的缺点就是价格高。当时,用于赛车的威力登64线激光雷达的价格高达75,000美元。直到最近一两年,它开发了更小更便宜的32线和16线产品,但最低价格是7999美元。去年年底,威力登还推出了新的128线激光雷达。虽然性能极强,但霍尔也对这款激光雷达的价格守口如瓶。
去年,威力登宣布从福特公司获得了一份大订单。它想开发一种新型的固态激光雷达。一旦它进入大规模生产,价格可能会降至500美元以下。不过,威力登并未公布福特的详细购买数量和购买价格。至于这种固态激光雷达何时进入量产,目前还不得而知。
现在威力登停不下来了,因为激光雷达市场竞争太激烈了。
固态激光雷达的崛起
正因如此,许多专家认为,激光雷达要想进入主流市场,必须改用固态设计,但这需要新的设备向不同方向发射激光,以覆盖车辆的周围环境。
目前,研究人员已经提出了三种主要的固态激光雷达解决方案:
第一种是基于MEMS(微机电系统)。整个系统只需要一面小镜子引导一束固定的激光束向不同的方向射出。因为镜子小,所以惯性矩不大,可以快速移动,快到不到一秒就可以跟踪2D扫描模式。
目前研发MEMS激光雷达的主要有两家公司:Luminar和Innoviz。此外,英飞凌激光雷达公司最近收购了MEMS激光雷达初创公司Innoluce。去年10月,国内激光雷达厂商速腾聚创公布了固态激光雷达MEMS(微机电系统)和OPA(相控阵)的最新研发进展。
MEMS激光雷达的一个优点是传感器可以动态调整其扫描模式,从而聚焦特殊物体,收集更远、更小物体的详细信息并进行识别,这是传统机械激光雷达无法做到的。
第二部激光雷达采用相控阵设计,装有一排发射机,可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。如果发射器同步发射激光,激光会向同一个方向发射。但是,如果左发射器的相位落后于右发射器的相位,则激光将向左和向右发射。
虽然原理简单易懂,但是大部分相控阵激光雷达还停留在实验室。高效功率转换器首席执行官亚历克斯·利多(Alex Lidow)表示,“我不得不说,相控阵激光雷达属于未来。现在我们仍然处于旋转或MEMS激光雷达的时代,前者更占优势。”
说到相控阵激光雷达,就不得不提到Quanergy,一家作为Strobe关键技术顾问的创业公司。去年10月,Strobe被通用汽车收购,因此通用汽车可能也在处理这项技术。
第三个是闪光激光雷达,它更像一个摄像头。激光束会直接向各个方向扩散,所以只需一次闪光就能照亮整个场景。然后,该系统将使用微型传感器阵列来收集从不同方向反射的激光束。
闪光激光雷达的一个优点是可以快速记录整个场景,避免了扫描时目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。然而,这种方法有其自身的缺点。
“像素越大,需要处理的信号就越多。把大量像素塞进光电探测器,必然会带来各种干扰,结果就是精度的降低。”卡内基梅隆大学的机器人专家Sanjiv Singh解释道。
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探测距离是车载激光雷达的一大局限
现在是福特高管的吉姆·麦克布莱德也在2005年组织了一支团队参加DARPA的自动驾驶竞赛。他在接受采访时解释了专家做出这一判断的原因。
麦克布赖德首先假设了一个场景,即自动驾驶汽车在进入高速时想要并入车流。“当时车流量至少100 km/h,也就是说这车每秒能跑30米。在这种情况下,大多数汽车达到100 km/h至少需要6-10秒,所以它们必须能够看到自己周围车辆的情况,也就是距离自己180-300米的车辆。”
对于任何激光雷达系统来说,将激光发射到300米的距离并检测其反射信号都不是一件容易的事情。各大厂商也想尽办法,想办法增加激光雷达的探测距离。
现在大部分激光雷达传感器的激光都在近红外范围,一般厂家会选择905 nm的波长。但它接近可见光的波长(红光的波长约为780 nm),而激光会损伤人眼,烧坏视网膜上的感光探测细胞,所以905 nm激光的功率受到严格限制。
为了避免伤害人眼,研究人员决定改用另一种波长的激光。例如,Luminar开发了一种使用1550纳米激光的激光雷达。因为远在可见光范围之外,所以对人眼安全很多。
通过解决安全问题,可以大大提高1550 nm激光雷达的功率。相关数据显示,研究人员将激光雷达的功率提高了40倍,探测远程激光信号的难度也小了很多。但是,有得有失。1550 nm的激光器和探测器价格昂贵,因为制造时需要更多的特殊材料。
除了增加激光功率,我们还可以通过增加探测器的灵敏度来延长激光雷达的探测距离。被福特高价收购的Argo AI,去年收购了普林斯顿光波——一家使用高灵敏度探测器(单光子雪崩二极管)制作激光雷达的公司。这种探测器相当灵敏,它可以被一个合适频率的光子激活。
同时,这些高灵敏度的探测器并不是新的,在军事和勘探领域已经使用了很多年。去年,普林斯顿表示将把这项技术引入汽车市场。
飞行时间(TOF)vs 连续波调频
除了通过飞行时间来测量距离,一些制造商还开发了一种更复杂的方法,这种方法被命名为CWFM。从命名可以看出,这种方法会向目标发射连续的激光束。光束将被分成两束,其中一束将飞向目标并反射回来,然后在飞行过程中与另一束重新组合。
激光雷达发出的激光束的频率会稳步增加,而从中分离出来的两束光会飞行不同的距离,重新组合后频率会有所不同。这就产生了一个不同频率的干涉图案,研究人员可以从中获得第一束光束的飞行距离。
这种方法有几个优点。首先,“连续波调频激光雷达完全不怕背景光的影响。”美国军火巨头洛马公司的保罗·苏尼解释道。“传统的飞行时间激光雷达一旦遇到其他相同频率的光源,可能会不知所措。”同时,CWFM系统更加灵敏,即使面对强烈的眩光也能正常工作。
这一点相当重要,因为未来自动驾驶汽车一般会配备多个激光雷达传感器,大量激光会在空内飞来飞去,所以传统的飞行时间激光雷达肯定会受到干扰。
CWFM还有一个很大的优势,就是可以消灭被探测物体的距离和速度。对此,苏尼解释说:“如果你的传感器和路上的车辆有相对运动,信号就会有多普勒频移。如果只测一个频率,就会出问题。”相比之下,CWFM激光雷达将测量增加和减少的频率。通过计算,可以解决距离和速度的问题。
目前,一家名为Aeda的新公司正在从事CWFM激光雷达技术的研究,《纽约时报》也做了专题报道。另外,上面提到的频闪可能也在做类似的研发。
如何设计激光雷达?恐怕各家公司都尝试过各种可能的方案,但即使是专家也不敢断言哪种设计会笑到最后。不过大家都很有信心,未来几年激光雷达的价格会大幅降低。
历史无数次告诉我们,高不可攀的产品最终会飞入寻常百姓家,前提是进行量产。
利多认为,激光雷达会重复当年ABS的流行路线。” 1979年,我在通用汽车公司开发ABS . “利多说。“当时,安装该系统需要8000美元,对于消费市场来说太贵了。不过,航空空公司是买得起的。随着ABS系统价格的下降,就连大货车也享受到了这项新技术。别忘了,卡车有18个轮子。
几十年后的今天,一套ABS硬件只需20美元。
“我亲眼见证了这一技术演变。”利多补充道。“车企恨不得把所有不必要的成本都省下来,激光雷达系统不比当年的ABS系统复杂。”
利多大胆预测,未来激光雷达传感器的价格可能会降至10美元。
卡内基梅隆大学的辛格同意激光雷达的大幅降价指日可待。“计算器刚诞生时也卖1000美元。随着产量的增加,价格开始逐渐下降,人们把各种元器件集成到一个芯片上。”
在激光雷达行业,这样的故事也在发生。研究人员试图将所有的传感器组件塞进一个芯片。
“我们的激光雷达芯片来自300毫米晶圆。如果能达到年产一百万辆,其生产成本可以降到10美元。”麻省理工学院的研究人员克里斯·波尔顿和迈克尔·沃茨在一篇论文中写道。该芯片采用光学相控阵技术,不需要机械部件。
当然,年产量一百万的目标很难实现。一些分析师甚至警告说,这种产品在真正进入消费市场之前,还得在实验室里呆上几年。“所有公司都在试图生产可以取代威力登激光雷达的低价固态产品,但恐怕没那么容易。”
除了大规模生产的挑战之外,固态激光雷达还有一个巨大的缺点,即它的视野相当有限。
福特公司的麦克布莱德表示,相控阵系统“最多只能看到50度的场景”。目前还没有人能突破这个瓶颈,MEMS的视野也只有30到60度。
这意味着,如果要更换目前的顶装旋转式激光雷达,必须在车内安装至少6到12个固态激光雷达,固态产品的价格优势将会消失。所以说机械激光雷达会消亡还为时过早。“一个转盘并不贵,而且别忘了,车上有很多旋转的机械部件,用几万公里都没问题。”利多说。
然而,历史的车轮正在滚滚向前。虽然降低激光雷达的价格需要工程师们的不断努力,但在这条道路上没有不可克服的困难。所以高质量的激光雷达价格有可能跌到1000甚至100美元。
这意味着自动驾驶汽车的价格终于可以被普通消费者接受了。在此之前,7.5万美元的激光雷达价格足以让人望而却步。
目前,大量资本正在注入激光雷达行业,以开发性能更强、价格更低的激光雷达产品。现在,虽然我们无法预测激光雷达什么时候会便宜,但是可以想象,曾经是高价“宠儿”的激光雷达,随着时间的推移会越来越便宜,性能也会越来越好。
最后,如果你对激光雷达更感兴趣,2018年1月16日,雷锋网新智家将在硅谷举办GAIR硅谷智能驾驶峰会。我们邀请了全球顶级激光雷达公司威力登CTO Anand go palan等重磅嘉宾进行主题演讲。他是威力登固化和ASIC研发背后的“关键先生”。有关峰会的更多信息,请点击https://gair.leiphone.com/gair/gairsv2018,,敬请关注。
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