谁是机械旋转式激光雷达的继承者?

在今天的自动驾驶开发中,机械旋转式激光雷达还是主流。随着车规级激光雷达的到来,智能软件算法与固态激光雷达将成为新一轮 ADAS 与自动驾驶技术迭代的推动者。

作者 / 老车头 编辑 / 王德芙 出品 / 公众号“汽车之心”(ID:Auto-Bit)理论派经授权发布

机械旋转式激光雷达,曾经一机难求。

大概有多难呢?

2016 年,一枚由 Velodyne 制造的 16 线机械旋转式激光雷达售价约 8000 美元,一枚以同样原理制造的 64 线激光雷达售价高达 8 万美元。客户下单后,可能需要等待数月,64 线激光雷达交付周期则更长。

Velodyne 是机械旋转式激光雷达的发明者,也是全球排名第一位的激光雷达制造商。在当时,它几乎也是全球唯一一家能够批量生产 16 线/64 线激光雷达的厂商。

2016 年恰逢中国自动驾驶爆发的风口,业内大小公司对激光雷达的需求非常旺盛。

旺盛到什么程度?

那年 Velodyne 在北京设立亚太区办公室,到当年 4 月底就已经完成了亚太区一年的销售目标。

2015 年年底,百度专门成立了独立的自动驾驶事业部,并委任一名高级副总裁担任事业部总经理。

Velodyne 在这个时期,与百度的这位副总裁结识。次年,这位副总裁帮着促成了百度与福特共同出资 1.5 亿美元投资 Velodyne。

2017 年,这位百度副总裁出走创业,其发起的自动驾驶公司筹备的头几件大事之一,就是下了一个百万美金级的订单买下十几个 Velodyne 64 线激光雷达。

创业初期,这家公司常常向访客展示这十几只激光雷达,以示开发自动驾驶的决心和实力。

01、激光雷达初期

激光雷达的测距原理,简单来说,就是利用一对调教好的激光收发模组,通过测算激光发射与激光被反射回来接收的时间差再乘以光速进行测距。

将多对激光收发模组进行精确调教布置,然后用一种特殊的胶水固定在一个旋转部件上,这样就能形成 360°扫描测量的效果。

Velodyne 的创办人 David Hall 是「旋转以实现 360°扫描的激光雷达」的发明人。

在 2007 年夏天,他为这项发明申请了专利,专利号为 US 7969558。可能连 David Hall 都没有想到,这个专利后来会成为激光雷达发展史上一个重要的伏笔。

16 对激光收发模组堆叠在一起,放到旋转部件上,加上电源控制、计算等单元,封装到一个圆柱形的壳体内,整个体积比一个成年人的拳头要大一些,这样就是一枚 16 线的激光雷达。

因为激光雷达的壳体外观和冰球很像(英文是 Puck),所以 Velodyne 后来干脆就把机械式激光雷达产品统称为 Puck 家族。

前福特 CEO Mark Fields 拿着 Velodyne 的 Puck 多线激光雷达

一枚 16 线激光雷达售价要 8000 美元,并不是因为 16 对激光收发模组成本很高,而是因为对这些模组的组装与调教都是工人手工完成的。

这个时期,一件激光雷达成品的生产周期是按天计算的。2016 年,Velodyne 64 线激光雷达的产量大概是每周 2 台。

所以就难怪,前面提到一家自动驾驶创业公司,在成立初期需要「屯」一批 64 线的激光雷达,来保障研发需要。

02、激光雷达市场需求

如果把激光雷达应用的推广比喻成是一场接力赛:DARPA 挑战赛是第一棒,Google 无人车接了第二棒,特斯拉是第三棒。特斯拉 Autopilot 把激光雷达推到了风口。

2005 年,当时还在斯坦福执教,后来被称为「Google 无人车之父」的 Sebastian Thrun 率领车队拿下 DARPA 挑战赛的冠军。

当年的 DARPA 挑战赛,包括 Thrun 的斯坦福车队在内,几乎所有车队都使用了 David Hall 的 64 线激光雷达。这个时期,64 线激光雷达总共的交付量大概是几十台。

Sebastian Thrun 在 2007 年加入 Google,激光雷达也随着 Thrun 等人的工作,成为 Google 自动驾驶项目中重要的组成部分。

2014 年,特斯拉发布自动辅助驾驶功能 Autopilot,Autopilot 的主要传感器是摄像头和毫米波雷达,没有采用激光雷达。

2016 年,特斯拉在自动驾驶状态下发生了 2 起致死事故,在行业内引起轩然大波。这让行业内很多人相信,自动驾驶尤其是高级别的自动驾驶应用,需要激光雷达。

这个时间也刚好与中国乃至全球范围内自动驾驶创业的风口期重合,市场对激光雷达的需求大爆发。

在随后的 3 年里,机械旋转式激光雷达的市场热度一直高涨。

到 2019 年 3 月,Velodyne 累计出货了 3 万颗激光雷达。期间,在 16 线和 64 线产品之外,Velodyne 还陆续推出了全新的 32 线和 128 线激光雷达。

从 2016 – 2018 年,由中国公司开发的多线激光雷达也开始投产,速腾聚创与北科天绘等公司先后量产了 16 线、32 线机械旋转式激光雷达,禾赛后来推出 40 线机械旋转式激光雷达。

03、激光雷达的成本高昂

David Hall 是一个高产的发明家,他开发的技术被广泛应用在高端音响、潜艇以及激光雷达上,这些业务后来都成立了独立公司 Velodyne Acoustic、Velodyne Marine 和 Velodyne LiDAR。

Hall 发明机械旋转式激光雷达的时候,自动驾驶还看不到大规模量产的前景,当时的激光雷达也不是为车载规模应用设计的。但到 2015 – 2016 年,人们已经强烈希望自动驾驶系统能够通过汽车前装的方式量产。

所以在这个过程中,行业内的公司一方面采购大量的激光雷达用于自动驾驶原型系统的开发和测试,另一方面业内也存在很多争议和矛盾。

矛盾主要集中在激光雷达的成本、车规和可量产性上。

Elon Musk 是激光雷达最大的唱衰者。

去年 Musk 发表了一番关于「用激光雷达的都是傻子」的著名言论,这很大程度上是因为在 2014 年 Autopilot 开始量产的时候,机械旋转式激光雷达价格非常昂贵而且没法量产。

屁股决定脑袋,Elon Musk 坚定地站队「不用激光雷达」。

最早使用 Velodyne 64 线激光雷达的 Waymo,现在已经在使用自研的激光雷达。

这几年,随着 Waymo 的无人车开始批量部署,Waymo 与 Velodyne 的合作关系,逐步从「采购 64 线激光雷达」,发展成「定制激光雷达」,再到「自研激光雷达」。

Waymo 与捷豹路虎合作的无人车,顶部是 Waymo 自研的激光雷达

Waymo 现在使用的一套长距+中距+短距的激光雷达组合都是自研的。

这种切换背后,Waymo 的诉求是降低硬件成本、提高规模生产的能力、提高硬件的性能、提高系统的稳定性等等。

04、车规级激光雷达

与此同时,在机械式非旋转激光雷达领域,国际零部件供应商法雷奥在 2017 年推出全球第一款车规级激光雷达 SCALA。

SCALA 随着当年全新的奥迪 A8 量产,A8 因此成为全球第一款号称搭载 L3 级自动驾驶系统的汽车。

Valeo SCALA

法雷奥 SCALA 的研发开始于 2010 年。

初期,法雷奥通过与德国传感器技术公司 Ibeo 合作开发 SCALA 的原型,并于 2013 年开始生产样机。

在 2017 年 11 月全新奥迪 A8 上市之前,法雷奥生产了超过 5000 颗 SCALA 用于测试验证工作。

机械非旋转式的 SCALA 与 Velodyne 为代表的机械旋转式激光雷达,最大的差别在于:SCALA 是从设计的第一天起就为车载的自动驾驶应用准备的。

因此其设计阶段就考虑了可制造性、车规等需要,其元器件选型也考虑到了批量生产和满足车载环境的要求。

随着 A8 等车型出货,法雷奥在 2019 年 9 月公布已经交付了超过 10 万台 SCALA。

这些激光雷达主要被用在包括奥迪 A8、A7、A6、Q7、Q8 等车型的辅助驾驶系统上。

2019 年 7 月,法雷奥高管 Marc Vrecko 进一步对外公布,SCALA 获得了全球 4 大车企集团价值 5.64 亿美元的订单,这些订单的生命周期将可能延续到 2024 – 2025 年,其最终产生的收入可能达到 10 – 15 亿美元。

SCALA 的案例证明了车规级的激光雷达拥有着更广袤的市场。

05、固态激光雷达

随着中国公司量产多线激光雷达,Velodyne 售价 8000 美元的 16 线产品,在 2017 年被国产同级别的产品拉到大约 2 – 3 万元的区间。

2018 年年初,Velodyne 宣布 16 线产品从 8000 美元降至 3999 美元。到 2019 年 4 月,已经有中国厂商喊出 16 线激光雷达 3999 元的批量出货价。

竞争真正白热化的时候,Velodyne 在 2019 年 8 月,以专利侵权为由分别起诉了速腾聚创与禾赛两家公司,诉讼指出两家公司侵犯的正是 David Hall 在 2007 年夏天申请的「558」专利。

在改善机械旋转式激光雷达性能,提高多线激光雷达生产能力的同时,一部分公司开始布局车规级固态激光雷达。

2017 年 4 月,Velodyne 对外发布固态激光雷达 Velarray,Velarray 采用了 Veldyne 自研的 Micro LiDAR Array 微型激光阵列技术。

速腾 RS-LiDAR-M1

2018 年 1 月,速腾聚创发布 MEMS 固态激光雷达的原型机预览版 M1 Pre,随后又于 2019 年 CES 发布了基于 M1 Pre 迭代的开发者版本 RS-LiDAR-M1,并在今年 CES 前开始发售 RS-LiDAR-M1 Simple 和 RS-LiDAR-M1 Smart。

2020 年 CES 上,大疆孵化的 Livox 发布了基于非重复式扫描技术的激光雷达 Horizon 和 Tele-15。

此外,还有德国的 Ibeo、以色列的 Innoviz、硅谷的 Quanergy 发布了多种不同技术路线的固态激光雷达,博世在开发用于 L3 – L5 自动驾驶的激光雷达,法雷奥也在开发 SCALA 的下一代产品。

以速腾聚创的 RS-LiDAR-M1 为例,其视场角为 120°× 25°,150 米范围内能够检测反射率 10% 的物体,其基于 MEMS 微振镜的扫描系统能够实现 25°垂直视场角内 125 线的扫描效果。

区别于 2017 年就实现前装量产的 SCALA,新一代瞄准车规级的固态激光雷达希望具备更远的探测距离,更大的视场角和更稠密的点云分布,也就是更强的感知能力。

在今天的自动驾驶开发中,机械旋转式激光雷达还是主流。车规级激光雷达带来的不光是更好的硬件,还有更好的软件。

在 ADAS 领域,Mobileye 的成功不只是视觉传感器的普及,而且是「视觉传感器+计算芯片+智能算法」的胜利。

随着车规级激光雷达的到来,智能软件算法与固态激光雷达将成为新一轮 ADAS 与自动驾驶技术迭代的推动者。

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