自动驾驶的“眼睛” 激光雷达

自动驾驶的“眼睛” 激光雷达

近年来，各国政府对自动驾驶产业发展高度重视，纷纷推动自动驾驶法律的制定与完善，并发布了一系列政策予以支撑。我国也相继出台了多项重磅政策措施，有力推动了自动驾驶汽车产业的快速发展。

2015年，国务院印发了《中国制造2025》，明确指出到2020年要掌握智能辅助驾驶总体技术及各项关键技术，到2025年要掌握自动驾驶总体技术及各项关键技术。

为提升智能网联汽车发展水平，抢占战略新兴产业制高点，深圳市2018年陆续发布了《深圳市关于贯彻落实智能网联汽车道路测试管理规范（试行）的实施意见》、《深圳市智能网联汽车道路测试开放道路技术要求》。

2019年3月，深圳智能网联交通测试示范区正式启用，为智能驾驶、智能无人机、无人船等提供全方位、多场景的智能网联交通测试平台。

汽车要实现自动驾驶，实时感知外部环境的能力是必不可少的。激光雷达作为自动驾驶汽车的"眼睛"，其技术先进性某种程度上代表着自动驾驶行业的发展水平。今天，小智为大家介绍自动驾驶领域激光雷达的发展情况。

什么是激光雷达？

人靠眼睛看路，自动驾驶汽车也是，激光雷达就是自动驾驶汽车的"眼睛"。伴随自动驾驶的落地，主要用于三维扫描的激光雷达成为自动驾驶汽车的"标配"，甚至决定着自动驾驶行业的进化水平。

1.激光雷达不可取代

激光雷达是一种采用非接触激光测距技术的扫描式传感器，其工作原理与一般的雷达系统类似，通过发射激光光束来探测目标，并通过搜集反射回来的光束来形成点云和获取数据，这些数据经光电处理后可生成为精确的三维立体图像。

采用这项技术，可以准确的获取高精度的物理空间环境信息，测距精度可达厘米级，这使得激光雷达成为汽车自动驾驶、无人驾驶、定位导航、空间测绘、安保安防等领域最为核心的传感器设备。

2.激光雷达有哪些种类

从技术原理来看，激光雷达的类型主要有两种：

①旋转式激光雷达

旋转式激光雷达又称机械式激光雷达，通过多束激光竖列而排，绕轴进行360°旋转，每一束激光扫描一个平面，纵向叠加后呈现出三维立体图形。

旋转式激光雷达基本原理

安装在无人车车顶的激光雷达，激光线束一般不小于16，常见的有16、32、62线激光雷达，线束越高，可扫描的平面越多，获取目标的信息也就越详细，线束低的激光雷达由于点云密度较低，容易带来分辨率不高的问题。

美国硅谷Velodyne多线束激光雷达

②固态激光雷达

固态激光雷达摒弃了旋转式机械结构，按实现方式通常分为三种，即基于相控阵、Flash、MEMS。

(1)基于相控阵原理的固态激光雷达

运用相干原理（类似的是两圈水波相互叠加后，有的方向会相互抵消，有的会相互增强），采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发光时间差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可实现对不同方向的扫描。

光学相控阵一般都是通过电信号对其相位进行严格的控制实现光束指向扫描，因此也可以称为电子扫描技术。但易形成旁瓣，影响光束作用距离和角分辨率，同时生产难度高。

光控相控阵扫描基本原理示意

(2)基于3D Flash技术的固态激光雷达

Flash原意为快闪，Flash固态激光雷达的原理也是快闪，在短时间发射出一大片覆盖探测区域的激光（即面阵光），再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。

某种意义上，有些类似于黑夜中的照相机，光源由自己主动发出。虽然稳定性和成本不错，但问题在于探测距离较小，在技术的可靠性方面仍有待突破。

Flash（闪光）激光雷达基本原理

(3)基于MEMS的固态激光雷达

在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线，改变单个发射器的发射角度从而实现扫描，由此形成一种面阵的扫描视野。

MEMS微振镜的扫描角度是由控制电路调节的，保证角度精度是主要的技术难点。目前基于MEMS方式的激光雷达，国内外有很多的厂家在研发，如法国Valeo，国内禾赛光电及速腾聚创等。MEMS相对于前两者，技术上更容易实现。

MEMS固态激光雷达原理示意

MEMS固态激光雷达技术优势

1.MEMS微振镜商业化应用成熟

MEMS固态激光雷达的核心部件是MEMS微振镜，其技术应用已经比较成熟。早在在1996年，德州仪器（TI）就将静电驱动的MEMS微振镜在投影显示领域成功实现了商业化应用。

此外，在3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像、光通讯等领域，MEMS微振镜也有成熟的应用。而光学相控阵激光雷达和闪光（Flash）激光雷达由于受芯片成熟度不足等各种问题的牵制，离落地还有一段较长的路要走。

2.便于自动化量产，成本极具优势

传统的机械式激光雷达要实现多少线束，就需要多少组发射模块与接收模块，包括跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等，对装配要求非常高，量产出货效率堪忧。

而采用二维MEMS微振镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束，内部组件实现芯片化，有利于自动化量产。传统机械式雷达售价高达数万美金，如此高昂的价格很难在自动驾驶推广应用，而MEMS固态激光雷达成本可控制在数百美金，降低近百倍。

Velodyne多线束激光雷达参数

3.体积小，便于系统化集成

MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸和重量，提高了车载系统集成的可操作性。

此外，机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度，固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度，加快扫描速度快与精度。

自动驾驶领域激光雷达技术现状

1.自动驾驶技术等级

自动驾驶的级别分为五个等级：

Level 0：No Automation（无自动化）;

Level 1：Driver Assistance（驾驶员辅助）;

Level 2：Partial Automation（部分自动化）;

Level 3：Conditional Automation（有条件自动驾驶）;

Level 4：High Automation（高度自动驾驶）;

Level 5：Full Automation（完全自动驾驶）.

全球第一款具备真正意义上的自动驾驶能力的量产车——全新奥迪A8在2017年7月发布上市，奥迪尽管已经走在了行业最前沿，但目前实现的还是3级的自动驾驶，也就是说这是一种在限定环境条件下，需要驾驶员始终有接管能力的自动驾驶，距离无限条件无需接管的全自动驾驶还有相当长的路要走。

而真正车规级的激光雷达只有一款，那就是来自法雷奥的机械式激光雷达SCALA，已经配置于Level 3自动驾驶车奥迪A8。

2.国外主要激光雷达厂商

国外在激光雷达领域的研究起步较早，早在上个世纪50年代，美国就开始了对自主驾驶、无人驾驶以及车载激光雷达的研究，并在80年代得到迅速发展，达到世界领先水平。

为了促进自主驾驶的发展，美国国防部还专门制定了DAPAR计划，并在90年代提出了DEMO计划，研究激光雷达、立体红外相机、宽频高频树叶穿透雷达、毫米波调频连续波雷达等多种传感器。

在自动驾驶领域，业内人士都知道Velodyne 64线"大花盆"，它是自动驾驶的宠儿，HDL-32线、VLP-16线激光雷达也是原型车上的热门激光雷达。

Velodyne、Quanergy、Waymo三家美国厂商基本囊括了无人驾驶领域主流汽车开发商的供应端口，某种程度上，这三家企业的技术进展，可作为整个行业的技术进展来参考。国外在无人驾驶激光雷达拥有领先技术的企业汇总如下。

国外主要激光雷达公司产品概况

3.国内主要激光雷达厂商

国内激光雷达起步较晚，从事三维成像激光雷达研究的单位主要有哈尔滨工业大学、华中科技大学、浙江大学、天津大学、电子科技大学、北京大学、电子部27所、航天部8358所等。

虽然国内在相关方面的研究已经有一定的成绩，但无论是测量精度、效率、实时性，还是数据处理等都与国外存在较大差距。

近几年，随着自动驾驶技术研发和各类机器人技术升级需求爆发，涌现出了一批优秀的创业公司，如禾赛、速腾聚创、思岚科技等，在一维和二维市场基本上已经实现了技术的国产替代。大部分企业逐渐拥有了成熟且稳定的产品，甚至有少数企业在高线束3D激光雷达的研发上，技术参数水平直追欧美。

国内主要激光雷达公司产品概况

MEMS激光雷达发展趋势分析

1.自动驾驶汽车发展需求强劲

Yole在最新出版的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》中预计，到2021年自动驾驶汽车的总量将达到44000辆。与此同时，激光雷达市场也因此受益，预计将从2018年的13亿美元增长到2024年的60亿美元。其中，汽车应用占据激光雷达市场的70%份额。

2018-2024年激光雷达应用市场预测

按照自动驾驶L1—L5的等级划分，L3及以下属辅助驾驶或低级别自动驾驶，L4、L5才算得上高级别自动驾驶甚至无人驾驶。目前的自动驾驶都处于L3以下阶段，毫米波雷达甚至摄像头都能够满足汽车的视觉需求，特斯拉就应用了前者。

但要想发展到高级别自动驾驶阶段，受测距、分辨率、精度、信息全面性的影响，激光雷达不可替代。

2.MEMS固态激光雷达是未来技术趋势

在从机械式激光雷达向固态激光雷达的演变过程中，一些企业选择直接进入全固态激光雷达，也有许多企业深耕于混合固态技术路线——MEMS激光雷达。

根据Yole最新发布的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》报告中显示：MEMS和Flash技术路线更受到激光雷达制造商的青睐。

固态激光雷达采用连续扫描方式，其垂直和水平角分辨率在低帧率（比如5Hz）下可以做到0.03°（Velodyne 128线雷达是0.11°），生成"图像级"的效果，是机械雷达无法比拟的。加上MEMS工艺的集成化、低成本、高产效，MEMS固态激光雷达将是传统机械式激光雷达的革新者，将引领激光雷达的小型化和低成本化。

3.MEMS固态激光雷达的普及，车规取证是关键

一款车规级的、符合量产的MEMS固态激光雷达应该满足如下条件：

①符合车规级的设计、生产流程及质量要求；

②工作温度上，比如一般车规级产品的工作温度要达到-40°C到80°C以上；

③产品质量上，一般产品需能在所有环境下达到10到15年的寿命；

④自动驾驶车辆所用的传感器产品，功能安全性一定要能达到ASIL-B级别甚至更高水准。

固态雷达没有旋转部件，看似更容易过车规，但全世界迄今唯一过车规的激光雷达，仅有法国Valeo的一款机械旋转的雷达。

固态雷达的扫描器件往往是一个不成熟的全新零件，会面临更多的量产工艺和可靠性的问题，在成熟的供应商出现之前，这个核心部件可靠性的问题是很多固态雷达公司一道无法逾越的鸿沟。"不稳定"，"无法量产"是目前固态雷达公司的普遍状态。

未来展望

目前车载激光雷达的主流仍然是机械式激光雷达，但从长远而言，它终究难以满足自动驾驶普及提出的大规模、低成本、车规级需求。激光雷达迟迟没有在汽车领域大规模应用，原因显然是几万美元的价格太贵了。

此外，机器人、AVG小车、空间测绘和无人机等领域对环境感知能力的技术升级需求将进一步推动轻小型固态激光雷达发展。可以预见的是，未来激光雷达将朝着固态化、小型化、量产化的趋势发展，并且达到高可靠性和低成本。

从这个趋势来看，不管用什么技术路径，要实现激光雷达的产业化，都必须满足高可靠性、低成本、高精度、高分辨率等条件。

MEMS固态激光雷达开发对比其他固态激光雷达方案，最大的优点就是落地快，微镜技术相对成熟而且可以跟不同的供应商采购。此外，这种技术振荡的幅度很小，频率也很高，足以防止MEMS振镜与汽车之间的机械振动。

由于MEMS固态激光雷达产业链较为完整成熟，技术可行性较高，是目前固态激光雷达最被看好的发展路径。

在这条枪声刚刚打响的赛道上，我市应抓住历史机遇，快人一步，抢占先机，赢得未来！

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