君不见,法国Tier 1 Valeo还在生产机械旋转式Lidar,已在奥迪A8量产车中使用;华为低至数百美元的小体积量产Lidar已在蔚来ES8上进行测试;
ESPROS Photonics的OHC15L™在使用高性能CCD改善距离与噪声的权衡,实现前所未有的Lidar灵敏度;禾赛科技发布了128线新一代全距离超高可靠性Lidar Pandar128;Xenomatix在尝试将固态闪光Lidar与无视差2D单色摄像头结合使用……
文︱立厷
12月12日晚,北京航天桥附近一小区,一辆特斯拉Model S突然失控,以80km/h的速度撞向居民楼,车头钻入阳台底部。这样的类似事件已不止一次。
埃隆•马斯克(Elon Musk)却还在固执己见,扮演着激光雷达(Lidar)终结者的角色,不管是几D的,他都不屑一顾——不然怎么让车降价呢?
又很蹊跷:小区内慢速行驶,撞到这么大的障碍物,不应该呀!
在自动驾驶(AD)中不愿使用激光雷达(Lidar)也是无独有偶,英特尔旗下Mobileye年初发布了一项新技术——测试车仅搭载EyeQ5芯片和12个摄像头来代替Lidar。马斯克肯定会说:正合我意!不过,Mobileye EyeQ5也不太便宜。
事实上,十几年来,Lidar技术有了长足的进展,更成为了一个展现技术创新活力的秀场。
Lidar及其几种形态
Lidar是一种远程探测和测距方法,其工作原理与雷达非常相似,它发射红外光脉冲而非无线电波,测量光击中附近物体后返回的时间。输出激光脉冲和反射脉冲之间的时间使Lidar根据光速精确计算出到每个物体的距离。Lidar每秒捕获数百万个这样精确的距离测量点,以生成环境的3D矩阵。关于物体位置、形状和行为的信息可以从这个环境综合地图中获得。
Lidar工作原理
作为一种传感器技术,LiDAR能以高分辨率直接测量距离,并形成一个网格,其中每个网格单元都有一个与其相关的特定距离。由于其工作频率很高,波长比传统雷达短得多,所以能提供比雷达更高的角度分辨率,从而更精确地识别物体的边缘。因此,LiDAR有助于自动驾驶车辆能够看到世界、做出决策和导航。
在半自动和全自动车辆采用传感器技术组合中,雷达提供恒定的距离和速度测量,以及卓越的全天候性能,但缺乏分辨率,难以在较远的距离绘制更精确的细节。常用于汽车的摄像头可提供高分辨率的2D信息,但必须依赖强大的人工智能(AI)和相应软件将捕获的数据转换为3D解释;环境和照明条件会对摄像头技术产生重大影响。
相比之下,Lidar可以在短距离到远距离提供精确的3D测量数据,即使在恶劣的天气和光照条件下也是如此。该技术可以与其他知觉数据相结合,为车辆环境中的静态和移动物体提供更可靠的表示。因此,Lidar技术已成为一个高度可用的解决方案,有助于障碍物检测、避免碰撞和安全导航。如今,Lidar已用于许多关键汽车应用,包括高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶。
Lidar的主要优点:
分辨率和精确度:产生瞬时、大量测量数据,可以精确到1厘米
3D映射:其数据很容易转换成3D地图来解释环境
低光性能:不受环境光变化影响,在低光照条件下表现良好
速度:其数据是直接距离测量,不需要破译或解释,可以实现更快的性能,减少处理要求
自动驾驶汽车不可或缺的组成部分
Lidar的市场机遇
自动驾驶需要Lidar来补充和完善现有的汽车传感器套件(摄像头视觉、雷达和超声波技术),为需求强劲、体量大的Lidar的普及创造了一个新的、快速增长的机会。
据华尔街估计,2015年至2025年,自动驾驶技术的研发投资为1,300亿美元,到2026年,汽车Lidar市场每年将接近4,000万台。在电气化和远程连接之前,AD是目前汽车新技术最重要的投资领域。
全自动(SAE L4和L5)车辆的大规模市场部署是一个长期目标,需要集成Lidar技术。然而,在接下来的十年里,L2+和L3(ADAS和半自动驾驶)乘用车有望成为商业化部署最多的汽车,并且很可能代表着汽车Lidar最重要的机会。
每个级别自动驾驶Lidar应用率
通过追踪目前市场上100多家开发3D Lidar模块的公司发现,多数公司的业务定位是汽车Tier 2。由于自动驾驶技术发展的预期,汽车Lidar市场非常活跃,已成为百家技术供应商厮杀的战场。一些公司在推出汽车级产品方面取得了巨大进展,也有公司因想象过于乐观而夭折。可以说,有多少公司,差不多就有多少种3D Lidar技术,的确是百花齐放。
从技术咨询公司IDTechEx的统计来看,近15年来,3D Lidar技术从无到有,经历了2016年入场公司数登顶的风光,现在已进入技术积淀淘汰阶段,再想进入这个市场已经不太容易,因为它已经饱和。
进入3D Lidar市场的新玩家数量
降低成本,你方唱罢我登场
经过几代硬件的发展,雷达体积越来越小,重量越来越轻,相比90年代末采用微波雷达的捷豹XKR“雷达价位堪比豪车”的时代,成本已不到十分之一。经过几十年的使用证明,雷达是成功的,现在所有级别的车辆都依靠这项技术提供主动安全功能。
市场调查公司TMR发布的报告显示,2018-2026年间,全球车载Lidar市场规模预计将增长到20亿美元,年复合增长率将达35%。但该报告也指出,虽然过去几年Lidar的成本开始下降,但目前价格仍然非常昂贵,说起来容易做起来难!
要想实现高级别自动驾驶,Lidar是深度感知层面重要的传感器之一。目前,市场上主流的方案为机械式Lidar和固态Lidar,不过,这些方案的成本一直居高不下。“现在,L4自动驾驶改动成本约为8-10万美元,在改装第一代自动驾驶时大概花了两百万人民币。”一位业内人士透露。其中,Lidar是公认最花钱的地方之一。
早前Lidar行业都沉迷于机械旋转设计,Velodyne是这个市场的“统治者”,其机械式Lidar成了多数自动驾驶公司的标配。但Velodyne的产品价格昂贵,让其他厂商有了发展机会。
技术都是以采用为目的,没人用就没有收入,企业便难以为继。由于LiDAR技术不如雷达成熟,所以比视觉解决方案昂贵十几倍。目前16线束LiDAR约4千美元,64线束高达8万美元,相比之下,摄像头硬件成本才几百美元。成本制约了LiDAR在当今量产汽车市场的广泛应用。目前,大多数OEM都认为3D Lidar对自动驾驶汽车的安全运行至关重要,也在与Lidar技术供应商合作。
可以说,整个行业都在为降低成本而努力,不过,这条路充满坎坷。创建于2003年的低成本LiDAR探索者,以色列的Oryx Vision希望通过更低成本的产品来实现LiDAR商用。2019年8月,尽管获得了6700万美元的资金,该公司仍不堪Lidar市场激烈竞争而宣布停止运营。首席执行官WeLingstein WeLingstein表示:“市场发展不及预期,我们做了很多考虑,投资者也准备继续投资,但是我们知道Lidar行业正成为了一个充满各大巨头的行业,我们是一家小公司,很难继续运营并获得投资回报。”这正是Lidar市场现状的一个缩影。
该公司的创新技术是一种可以接收光线细小和超高速信号的纳米天线材料,与其他光电探测器不同,它不受波长限制,可以实现低成本产品。据此,公司开发了全球第一款相干闪光汽车LiDAR。它没有任何运动部件,采用纳米天线技术来替代光电探测器,通过高分辨率扫描周围环境获取光点的距离和速度信息。
行业分析人士指出:“我们认为Oryx Vision专利中不寻常和复杂的Lidar结构可能是其难以为继的主要原因。工作波长为10微米的‘相干闪光’技术是普通和经济高效的激光器无法产生的波长。”
Oryx的主要竞争对手也是以色列研发低成本小型固态Lidar的Innoviz,其目标在自动驾驶汽车中实现大规模商用。Innoviz比Oryx晚入市13年,开发和商业化基于MEMS反射镜光束控制的汽车级3D Lidar。过去三年里,Innoviz融资2．75亿美元,已经与宝马等多家OEM及三星网联汽车和无线电技术子公司哈曼国际等建立了合作关系。现在的问题是,它最终能否获得商业应用。
Innoviz联合创始人兼CEO Omer Keilaf认为:“长期来看,Lidar的作用可能会高于摄像头。”他的理由是,对于自动驾驶汽车,任何机器所做的决策都需要用不同的传统冗余系统来监测物体。但在许多情况下,雷达无法监测到小物体,因为它们的分辨率不高,有时候无法监测到前面的汽车。
他解释说,Lidar价格昂贵、分辨率低;摄像头分辨率高,但是单纯像素没有意义。如果只是一个像素,就没有办法利用它监测到物体,需要很多像素的结合才能理解物体是否会造成困扰。这取决于摄像头或它背后的处理器是否能够监测和做出判断。但是如果Lidar的每一个像素都包含很多信息,甚至比摄像头还多,情况就大不一样了。
此前的InnovizOne就是这样一款产品,分辨率和摄像头一样高。10月,公司又推出了新一代产品InnovizTwo。
分辨率高还要低成本
Omer Keilaf表示:“针对L3自动驾驶,OEM通常只愿意为Lidar付1,000美元;对于L2车型,他们只愿付400到500美元。”新款InnovizTwo的设计相比InnovizOne在L4无人驾驶出租车使用的产品性能更好。不过,当前市场需求是可以支持解放双手的L2+或L3系统的低成本Lidar。因此,Innoviz在传感器设计中平衡了性能和成本,在维持或优于原有性能的同时,将成本降低了70%,解决了行业应用的一个重大瓶颈。“这样,就可以让更多汽车OEM提供安全的L2+,同时以最高效和安全的方式为L3铺平道路,”Omer Keilaf说。
据介绍,除激光器外,Innoviz拥有全部自动驾驶知识产权,包括ASIC、激光器、光束控制机构和光电探测器。因此,InnovizTwo能够以更低的成本提供比之前更好的性能。Innoviz的软件利用从Lidar获得的丰富数据,再加上专有的最先进AI算法,可以提供卓越的场景感知,以及自动升级的ASIL B(D)解决方案。
还有一家成立于2012年的加州初创企业Quanergy,因为汽车行业开发了世界上第一台光学相控阵(OPA)3D Lidar而声名鹊起。2016年,该公司的估值为10亿美元。
Quanergy的S3是业界唯一100% CMOS固态Lidar传感器,采用业界首创的OPA技术和价格合理且可扩展的CMOS硅工艺,通过独特的电子束控制,无需任何运动部件,从而提供抗振动能力,同时具有超过100,000小时的MTBF,以及运输行业所需的低成本。其紧凑型传感器可无缝集成到车辆设计中,为目标检测、分类和跟踪提供丰富的数据,并实现多种功能的自动化,包括卡车排班、ADAS应用(车道偏离/变更警告和前/后碰撞警告)、自动代客泊车,以及在地理围栏区域的自导航。
不过,近年来,随着Quanergy在汽车行业面临的挑战和市场延迟,公司已将注意力转向了非汽车市场,如测绘、安全、智慧城市与智慧空间、社交距离、工业、运输等。
3D Lidar的顶流公司
顶流,除了最大的,有流量的也是。
Velodyne:2005年进入Lidar市场的最著名头部企业,是实时环绕视野Lidar传感器的发明者。其标志性产品是用于自动驾驶测试车辆的HDL-64(64线)旋转式机械Lidar。
汽车Lidar市场正在超越现有旋转式机械技术,Velodyne也在朝着微型Lidar阵列(MLA)技术发展,以保持在汽车Lidar市场上的强势地位。2017年,Velodyne发布了第一款MLA产品全固态VelarrayTM,2019年又发布了VelaDomeTM。VelaDomeTM用于近距离操作,而VelarrayTM提供远程目标检测。新的汽车非旋转技术采用128路VCSEL光源。它基于905nm ToF。1月,Velodyne甚至推出了一款售价100美元的小型Lidar(Velabit),分别提供60度和10度的水平和垂直视场。Lidar以10-20Hz的频率旋转,据称可以看到100m@80%反光。
11月,Velodyne的突破性固态传感器Velarray H800面世,采用Velodyne突破性的专利微型Lidar MLA制造,结合了远程感知和广阔视野,专为ADAS和自主移动应用中的安全导航和防撞而设计,支持从L2到L5自动驾驶和ADAS的进步,涵盖了ADAS的所有功能,从车道保持辅助和自动紧急制动,直到最高水平的自动驾驶。
Velarray H800紧凑、可嵌入的外形设计巧妙地安装在卡车、公共汽车或汽车的挡风玻璃后面,或者无缝地安装在车辆外部。它将以不到500美元的目标价格大批量生产,以推动消费和商用车市场的广泛采用。
Velodyne的CEO Anand Gopalan表示:“Velarray H800对汽车OEM非常重要,原因有三:首先,它是专为大批量汽车应用设计的,得到了主要OEM客户的反馈,利用了Velodyne的全球高质量制造合作网络。其次,我们的专有技术和经验加上制造能力,能够以对汽车OEM经济合理的价格提供传感器。第三,世界需要增强消费类车辆的安全性,而Velarray产品线可以为最终消费者提供更安全的汽车。”
·LeddarTech:成立于2007年,是这个市场上的另一大玩家。虽然它提供Lidar模块,但其核心技术是LeddarEngineTM 25纳米系统芯片(SoC)和软件,这是其长期技术战略的重点。SoC是为ToF Lidar设计的,可以主模式或从模式驱动(如果系统中有另一个时钟主机,如MEMSLidar)。该公司最近推出了LeddarTM PixeL 3D闪光Lidar模块,针对城市环境中的近距离检测和盲点覆盖进行了优化,加强了公司在自动驾驶市场的地位。
LeddarTech首席执行官Charles Boulanger认为:“OEM正急切地等待汽车级Lidar解决方案的可用性,需要最佳的性价比,以实现量产车辆的高水平自动化。我们的创新的传感器融合和感知技术,有助于实现更安全、更高效复的自动驾驶。”他还指出:“虽然机械式扫描Lidar在AD系统原型制作中被证明很流行,但它有几个缺点需要解决。”
他解释说,机械式扫描Lidar可以通过物理旋转激光/接收器组件,或使用旋转镜控制光束,在360度范围内收集数据。其强大的准直激光和高度聚焦的光学元件将返回信号集中在探测器上。虽然它们提供了环境的详细地图,但其高昂的价格(即数千到数万美元)、复杂性、可靠性问题和大尺寸使其成为汽车商业部署没有吸引力的选择。
他认为,固态设计、无需机械式扫描已被公认为提供大众市场汽车Lidar解决方案的最佳途径。没有移动机械零件的构造,在生产上更具成本效益,具有大批量生产和商业可行性。特别是闪光Lidar,可以提供完整、即时的场景照明。它使用比点云方法少得多的数据来获取对对象的增量洞察,从而实现高效处理。
LeddarTech的Lidar技术
除了成熟度和可用的软件外,汽车Lidar扫描平台的开发人员也可以进入相应的生态系统,包括生产Lidar扫描系统所需组件并通过认证的其他知名制造商,帮助Tier 1和系统集成商开发自己的Lidar扫描系统。这种双赢的合作关系利用各自的核心竞争力缩短了上市时间,降低了总体风险,最终使OEM受益。
新老玩家的PK
Livox(览沃):成立于2016年,是被公认的中国新玩家,它是由著名无人机OEM大疆建立的。公司策略是提供令人信服的价格,迫使行业整合。这是一个诱人的策略,因为现在有如此多的参与者和技术,且大多数产品都太贵了,而且只承诺未来降低成本。
2020年初,其为L3/L4自动驾驶设计的高性能Lidar Horizon(浩界)面世,它具备宽广水平视场、260米探测距离、高点云密度及便于嵌入车体的小巧体积,价格仅为同等性能Lidar的1%(6499元)。Horizon的视场接近于矩形,可实现360°全视场覆盖,更适合自动驾驶车辆使用。其技术和成本优势将帮助自动驾驶商业化量产落地。
传统机械式Lidar的扫描路径随时间重复,而浩界采用独特的非重复扫描方式,扫描路径不会重复。视场中被激光照射到的区域面积随时间增大,视场覆盖率随时间推移而显著提高。在积分时间为0．1s时,浩界的覆盖率即与传统64线Lidar相当;随着积分时间持续增加,浩界的覆盖率还将继续提升至近100%。这样就可以检测并使用视场内更多细节,清晰呈现每一个角落,有效避免漏检,让自动驾驶更安全可靠。
年中,面向高速自动驾驶车规级Lidar Tele-15(泰览)推出,是首款500米量程车载Lidar,价格8,999元。它采用以往只用于高端专业镜头的大口径双面非球面镜片,解决了长焦距光学设计中常见的光斑离焦问题,将产品的探测距离大幅提升至500米;即便面对反射率低至10%的物体,探测距离仍可达320米。它甚至还支持定制版固件,将可探测量程极限提升至1000米。
超长距离车规级Lidar
Livox市场战略总监李贺认为:“高精度、高稳定性、高性价比是乘用车智能驾驶的‘第三只眼睛’,Lidar必须帮助解决传统ADAS系统无法逾越的误报、误判及静态障碍物识别困难等功能缺陷。”
据介绍,2019年公司开始聚焦自动驾驶、机器人和智慧城市三大场景,已在智能驾驶方面与多个客户达成合作,预计2021年下半年可实现量产落地。凭借优越性能、价格及可量产性,Livox已快速赢得自动驾驶行业内多家头部厂商的认可。作为一家凭借独特旋镜式固态技术打入市场的Lidar厂商,Livox背靠大疆强大的研发、采购及生产实力,成功打破了传统机械式雷达高成本、低可靠性及不可量产等瓶颈。
·Ibeo:已有22年历史的德国公司,是世界上最早开始为汽车应用开发LiDAR传感器的公司之一,也是将LiDAR技术引入量产汽车的先驱。今年7月,Ibeo成为中国长城汽车全球首家固态Lidar供应商,其新研发的ibeoNEXT固态Lidar将应用于WEY品牌的SUV车型。
由于使用了半导体技术,LiDAR不再有运动部件。新的ibeoNEXT可以并行处理许多激光脉冲,创建一个环境3D模型,以识别护栏和车道标记、汽车、骑自行车的人及行人的位置和运动。
用于环境感知的ibeoNEXT融合系统由两个主要组件组成:LiDAR传感器和电子控制单元(ECU)。传感器采用11．2度或60度光学元件(目前正在开发32度和120度光学元件),根据应用不同,用户可以选择安装。ECU采用用于处理数据的专有Perception软件。通过可视化软件可以显示集成的点云、强度图像和3D对象跟踪。ibeoNEXT的独特功能是可以额外生成环境的强度图像,这使它可作为黑白摄像头使用。这便是“4D Lidar”的由来。
ibeoNEXT融合系统
Ibeo首席执行官Ulrich Lages博士认为:“从车规和成本角度看,多线数机械旋转式Lidar面临着挑战。虽然它的确可以获得更大的视场角,但收集的点云数据越多,对计算资源能力的要求也就越高,同时还要解决额外的供电和散热问题,所以存在应用瓶颈。”
他指出,汽车需要的高分辨率并不是全环境的高分辨率,要做的其实是发现哪些是真正影响行驶的路面目标。就像人开车时,聚焦区域也只有5°,Lidar不必达到全视野“清晰”,聚焦区域外的阴影变化就足以支持Lidar做出判断。用于自动驾驶的Lidar应该智能锁定那些会对车辆产生影响的目标物,并把足够多的分辨率分给这个目标物。
他还表示:“对于未来的自动驾驶Lidar,Ibeo会把更多精力放在下一代雷达技术的研发。在‘该关注什么’这件事情上实现足够智能。目前,满足未来L4、L5自动驾驶的传感器还没有出现,需要不断的技术迭代。”
2017年,Ibeo在中国的合作伙伴曾透露,Ibeo LUX四线系列一般在10万元级别,量产后主机厂拿到的价格应该在人民币3000元以下。看来量产的确是降低成本的关键!
未来,还将是五花八门
文章又长了,只好收笔。预计未来十年,3D Lidar在汽车市场的应用将会加速。而未来一段时间,汽车Lidar市场仍然将是五花八门、精彩纷呈。
君不见,法国Tier 1 Valeo还在生产机械旋转式Lidar,已在奥迪A8量产车中使用;华为低至数百美元的小体积量产Lidar已在蔚来ES8上进行测试;
ESPROS Photonics的OHC15L™在使用高性能CCD改善距离与噪声的权衡,实现前所未有的Lidar灵敏度;禾赛科技发布了128线新一代全距离超高可靠性Lidar Pandar128;Xenomatix在尝试将固态闪光Lidar与无视差2D单色摄像头结合使用……
未来,让我们一起见证各种Lidar技术的兴衰!
