激光雷達遲遲沒有在汽車領域大規模應用,原因顯然是幾萬(wan) 美元的價(jia) 格太貴了,可能比車還貴。很多人選擇鑽研深度學習(xi) 和圖像識別來取消激光雷達,也有人選擇激光雷達的廉價(jia) 化。
目前激光雷達價(jia) 格高的原因包括了需求量少,組裝和調試成本高。Velodyne公司此前的機械旋轉式產(chan) 品在車用激光雷達領域占據統治地位,後續推出混合固態的產(chan) 品,成本有所降低,正在逐步研發純固態激光雷達。Velodyne LiDAR獲得百度與(yu) 福特1.5億(yi) 美元的投資,計劃到2020年左右成本降至500美金。Waymo(穀歌自動駕駛)和Uber(收購自Otto)自研機械旋轉式激光雷達的嚐試會(hui) 在後文提到。禾賽科技、速騰聚創、北科天繪、鐳神智能等中國公司也湧入低成本車用激光雷達領域。
有公司傾(qing) 向於(yu) 取消機械旋轉結構、根本性降低激光雷達成本的手段,方法之一就是利用MEMS微振鏡(MEMS指的是微機電係統),把所有的機械部件集成到單個(ge) 芯片,利用半導體(ti) 工藝生產(chan) 。選擇這一路線的公司包括了:
荷蘭(lan) Innoluce公司(從(cong) 飛利浦剝離,已經被著名汽車半導體(ti) 供應商英飛淩全資收購),預計2018年量產(chan) ,成本不超過100美元,在探測範圍和分辨率方麵超過其它固態激光雷達,能夠實現白天單次發射探測距離250米、角分辨率0.1°,激光功率利用效率大於(yu) 95%,使用的激光器由歐司朗光電半導體(ti) 供應。英飛淩公司認為(wei) 高速運算平台隻是係統的一小部分。
2016年底,研究超微型投影顯示和傳(chuan) 感技術的MicroVision公司,和意法半導體(ti) 合作推廣激光束掃描(LBS)技術,應用場景包括了激光雷達,以及微型投影儀(yi) 、VR、AR和HUD等市場。
曾經生產(chan) 機械旋轉式激光雷達的歐姆龍,2017 年初開始在Opus提供的小型 MEMS 芯片基礎上,研發激光雷達。
日本先鋒公司,利用原本用於(yu) 掃描激光影碟的光學頭,生產(chan) MEMS激光雷達,“當訂單達到100萬(wan) ,先鋒便可以把價(jia) 格控製在100美元以下,預計會(hui) 在2019年開始量產(chan) 。”先鋒還與(yu) 高精度地圖服務商HERE合作,測繪地圖。
2017年,博世推出了兼顧激光掃描和投影的BML050方案,包括兩(liang) 個(ge) MEMS微鏡,可用於(yu) 交互式投影儀(yi) 。有新聞報道博世將在2020年前銷售激光雷達,暫時無法判斷是基於(yu) MEMS還是其他技術。
奧迪的矩陣式激光車燈,使用微鏡(DMD)來控製激光方向,順便做激光雷達也不錯,不需要再給Ibeo的激光雷達騰地方了。
激光雷達創業(ye) 公司 Luminar Technologies,從(cong) 招聘信息推測,對機械旋轉或者MEMS方案的激光雷達有興(xing) 趣。
其他在微機械設計MEMS領域有技術積累的公司也有可能進入激光雷達領域,或者成為(wei) 核心零件供應商。
另外一個(ge) 思路是完全取消機械結構,采用相控陣原理實現固態激光雷達:
生活中最常見的幹涉例子是水波,兩(liang) 處振動產(chan) 生的水波相互疊加,有的方向兩(liang) 列波互相增強,有的方向正好抵消,將這個(ge) 原理放大,采用多個(ge) 光源組成陣列,通過控製各光源發射的時間差,就能合成角度靈活,且精密可控的主光束,這就是相控陣的原理。
激光雷達從(cong) 機械轉動向聚束成形的進化趨勢與(yu) 雷達完全相同:軍(jun) 事上廣泛應用的相控陣雷達一般擁有上千個(ge) 發射天線單元,通過調節波束合成的方式,可以改變雷達掃描的方向而不需要機械部件運轉,靈活性很高,適合應對高機動目標,還可發射窄波束作為(wei) 電子戰天線。相控陣還可以用於(yu) 把宇宙太陽能電池板的能量傳(chuan) 回地麵,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)已經進行過這方麵實驗。
固態激光雷達的優(you) 點包括了:數據采集速度快,分辨率高,對於(yu) 溫度和振動的適應性強;通過波束控製,探測點(點雲(yun) )可以任意分布,例如在高速公路主要掃描前方遠處,對於(yu) 側(ce) 麵稀疏掃描但並不完全忽略,在十字路口加強側(ce) 麵掃描。隻能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執行這種精細操作的。
固態激光雷達的典型代表是美國的Quanergy公司,單麵相控陣最大視角120度。預生產(chan) 的S3激光雷達計劃在2017年交貨,價(jia) 格250美元,5年內(nei) 低於(yu) 100 美元。最早搭載Quanergy激光雷達感應器的車輛將在2018年麵市。已經獲得了大型汽車零部件供應商德爾福,以及三星電子的戰略投資。Quanergy還在與(yu) Koito合作整合激光雷達的汽車前照燈。
這張圖可以看到Quanergy用光源陣列來合成波束
Quanergy將固態激光雷達的推薦方案與(yu) 友商進行了對比,認為(wei) 可以實現低於(yu) 多攝像頭方案的傳(chuan) 感器成本。
2014年參與(yu) Quanergy 種子輪和A輪的是特斯拉創始團隊Martin Eberhard等人組建的 Wardenclyffe Partners,當時Elon Musk是投資人之一。Wardenclyffe Partners的公開投資案例隻有Quanergy一家。
2016年Quanergy收購了著名軍(jun) 工企業(ye) 雷神公司的人體(ti) 跟蹤軟件,開始進軍(jun) 安全行業(ye) 。2017年3月,Quanergy申請參與(yu) 特朗普總統的“美麗(li) 的邊境牆”計劃。Quanergy CEO認為(wei) 安全行業(ye) 的市場規模與(yu) 汽車行業(ye) 相當,試圖說服美國總統棄用混凝土,而選擇更便宜的 Q-Guard 虛擬圍欄。其他激光雷達廠商沒有參與(yu) 這個(ge) 競爭(zheng) 。特朗普要求美墨邊境牆覆蓋建築和供電困難的沙漠、山脈等環境,同時生產(chan) 太陽能電池板和儲(chu) 能係統的特斯拉也可以參與(yu) 給Quanergy的方案供電,當然要討好消費者的特斯拉大概不敢接這筆生意吧,已經有uber的教訓了。
法國汽車零部件供應商法雷奧,2010年與(yu) 德國激光雷達供應商 Ibeo 合作開發並量產(chan) 的SCALA高精度機械式激光雷達,最大檢測距離為(wei) 150m,法雷奧在此激光雷達基礎上,加上mobilesye,開發了Cruise4U 自動駕駛解決(jue) 方案。2016年采埃孚收購了Ibeo40%的股份,以幫助Ibeo研發固態激光雷達,也在研究更高效的數據標定。
法雷奧的合作夥(huo) 伴不止Ibeo,2014年法雷奧與(yu) 加拿大的 LeddarTech 合作開發固態激光雷達,由LeddarTech提供技術和專(zhuan) 利,計劃2018年量產(chan) ,照射距離最遠為(wei) 100m。
激光雷達技術提供商 LeddarTech 從(cong) 加拿大國家光學研究所分離。該公司的 Leddar M16 固態激光雷達,在參加 BattleBots 機器人格鬥比賽的 Chomp 機器人上得到了應用,Chomp借助激光雷達的精確測距,實現了氣壓錘的自動瞄準,成功幹掉了上屆冠軍(jun) Bite Force的武器傳(chuan) 動鏈條。這大概是目前為(wei) 止,搭載固態激光雷達的最著名機器人。在動輒被撞飛的激烈比賽當中,機械旋轉式激光雷達的可靠性值得懷疑(波士頓動力給旗下機器人配備的激光雷達是機械旋轉式)。
2016年9月,LeddarTech 開賣模塊化 Vu8 固態激光雷達,售價(jia) 475美元,檢測距離215米。2017 CES上,LeddarTech展示了下一代LeddarCore芯片,支持MEMS微鏡和2D/3D Flash 激光雷達。
TriLumina公司為(wei) 激光雷達提供高功率的可調製光源VCSEL,2016年獲得汽車供應商電裝的戰略投資。TriLumina在 2017CES 展示了基於(yu) LeddarCore IC 的256像素3D激光雷達解決(jue) 方案。
2015年 DARPA啟動了“模塊化光學孔徑構造模塊”(MOABB)項目,以研發超緊湊的光學雷達,實現100米遠距離處的3D成像,采用晶圓級加工工藝進行一體(ti) 化集成,比手機攝像頭更小,典型場景是:“在直升機或無人機上檢測叢(cong) 林下的狙擊手或坦克”。
MIT的片上激光雷達(lidar-on-a-chip)項目,特點在於(yu) 使用商用CMOS生產(chan) 技術,連接激光器的是橫截麵為(wei) 幾百納米的矽波導管(可以想象成極小的光纖),對其進行加熱來實現每個(ge) 天線的光束相位控製。預計成本10美元,有可能封裝到機器人的指尖上。
TetraVue的高分辨率激光雷達,將標準的2D CMOS/CCD,結合新的飛行時間(TOF)模式,距離100米以上,低於(yu) 200美元,投資者包括博世資本、三星、鴻海等。
以色列初創公司 Innoviz Technologies 的激光雷達預計100美元,已經獲得900萬(wan) 美元融資,並且與(yu) 汽車供應商麥格納達成合作。表示其使用的方法與(yu) Quanergy或者MIT的不同,但是無法搜到其專(zhuan) 利,具體(ti) 細節和區別無從(cong) 判斷。
Princeton Lightwave在2016年7月宣布進入車用激光雷達領域,該公司擅長蓋革模式激光雷達(Geiger-mode LiDAR),探測距離更遠,已經在航空測繪領域應用十幾年。
上海思嵐科技已經推出了麵向掃地機器人的廉價(jia) 激光雷達,同時也在研究固態激光雷達。
從(cong) 無人機激光雷達起家的北醒光子,正在研發多線長距和固態激光雷達。
Blackmore開發的調頻連續波(FMCW)激光雷達,並沒有采用最容易理解的主流飛行時間法(Time of Flight,ToF),而是通過測量反射波的頻率改變來測距,精度更高,原理與(yu) 傳(chuan) 統雷達類似;通過分離多普勒頻移,可以同時提供目標速度數據,不受霧、雨雪、灰塵影響。該公司獲得350萬(wan) 美元A輪投資。
ADI亞(ya) 德諾半導體(ti) 從(cong) Vescent公司購買(mai) 了可用於(yu) 改變光束方向的液晶光導技術,還與(yu) 提供固態照明模塊的TriLumina公司,合作開發低成本的汽車快閃激光雷達模組。
初創公司Phantom Intelligence在與(yu) 歐司朗光電半導體(ti) 合作研製固態激光雷達。
事實上有一些照明公司利用歐司朗的高功率紅外LED,實現了“燈 to燈”的光通信。這讓人好奇,激光雷達能否作為(wei) DSRC 和 LTE-V2X 之外的補充性車際通信手段。
雷達用來通信不是異想天開,美國曾經測試過,利用F-22猛禽戰鬥機的AN/APG-77主動電子掃描陣列(AESA)雷達進行大容量實時通信,傳(chuan) 輸對於(yu) 目前軍(jun) 用數據鏈過大的未壓縮文件,而光在電磁波譜當中,頻率比無線電更高,所以可以做到巨大的潛在帶寬。
回到激光雷達的話題。
2016年3月,德國汽車供應商大陸集團(Continental)收購了Advanced Scientific Concepts 的3D Flash激光雷達業(ye) 務,開發探測距離200米的高分辨率3D Flash激光雷達,2020年量產(chan) 。
以色列初創公司 Oryx的相幹光雷達(coherent optical radar)發射端采用長波太赫茲(zi) 紅外激光脈衝(chong) ,天氣適應性強,沒有任何光束的轉向控製,核心競爭(zheng) 力在於(yu) 接收端,不像其他激光雷達那樣通過光電傳(chuan) 感器來偵(zhen) 測光線粒子,而是根據光的“波粒二象性”以波的形式使用納米天線陣列接收返回信號,並且進行相幹處理,同時實現了多普勒模式以檢測目標速度。檢測距離150米,預計100到250美元,已經完成1700萬(wan) 美元A輪融資。
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