自動駕駛的天眼

許暉

有趣的三維重建

既然激光雷達是基于“激光”的特性所研發(fā)的，那么有必要給大家在開始稍微說一下激光到底有什么特性。激光的原理早在1916年便被愛因斯坦所發(fā)現(xiàn)，但是真正成型的激光發(fā)生器直到接近1960年才被制造出來。與尋常光源向四面八方發(fā)光所不一樣的是，激光天生就是朝一個方向射出并且光束發(fā)散度極小，其亮度極高，顏色極純，能量密度極大，所以被廣泛應(yīng)用在長距離測距、切割焊接、熱處理乃至于武器方面。

基于這些特點所研發(fā)的激光雷達LiDAR（Light Detection and Ranging），學(xué)名是激光探測及測距系統(tǒng)，利用激光束探測目標(biāo)，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。工作原理就是發(fā)射和接收激光束?？瓷先ズ軓?fù)雜，可通過一個簡單的比喻大家就會明白其原理了。比方你與小伙伴置身于一間全透明的玻璃壁球館里，進行一場有意思的壁球比賽，你用球拍所打出每一記沾滿染料的壁球都將在玻璃墻上印上清晰的印記，并回彈到小伙伴處。那么只要打出足夠多的球就能在整堵墻上留下印記，等同于讓這堵本來看不見的玻璃墻顯形在眼前。同時每次記錄下球從飛出去到彈回來的時間也能根據(jù)球速計算出玻璃墻離你的距離。激光器所發(fā)出的脈沖激光正是這個不斷在空中飛向玻璃墻的壁球，發(fā)球的你便是激光發(fā)射器，接球的小伙伴則是負(fù)責(zé)接收激光束的接收器。你們兩人通過不斷的打點記錄下這間全透明的壁球室到底是什么樣子的。這也正是激光雷達讓系統(tǒng)能通過算法重建其所掃描的三維世界最直觀的方法了。

三維重建對于自動駕駛有著極其重要的作用，激光雷達在自動駕駛中的應(yīng)用，最重要部分就是定位，位置確定了，自動駕駛車輛才知道要去哪里、以及怎么去。所以，確定“我在哪里”是第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。接下來便是與其他傳感器分庭抗禮而又互補的功能—對障礙物檢測和分類，激光雷達不依賴光照，它的視角是 360 度，計算量比較小，可以實時掃描，預(yù)先識別障礙物，了解障礙物在空間中的位置，再根據(jù)存在的障礙物做分類。這點對于自動駕駛安全至關(guān)重要。

激光雷達的歷史與科代表

從1960年，美國加州修斯實驗室梅曼研制出第一臺紅寶石激光器開始，科學(xué)家就提出激光雷達的設(shè)想。1988年到1993年期間，德國把激光的掃描技術(shù)和即時定位的位置系統(tǒng)進行結(jié)合，形成空載激光雷達掃描儀，1995年Optech和TopScan共同推出了一款激光雷達，開啟了激光雷達的商業(yè)化。2005年Velodyne創(chuàng)始人Dvaid Hall發(fā)明了360°機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達。大家可以記下Velodyne這個名字。畢竟在激光雷達正式進入商用之后的二十年之間，這家企業(yè)真正做到了現(xiàn)在不少熱銷車型也未必能做到的事情——加價賣。為了研發(fā)自動駕駛測試車，Velodyne的 64線的激光雷達“一達難求”，加價到10萬美金也供不應(yīng)求。盡管現(xiàn)在對于高精度激光雷達的需求仍處于一個萌芽階段，不過先知先覺的人們已經(jīng)敏銳的洞察到一個信息，一旦自動駕駛技術(shù)成熟，激光雷達必定引發(fā)一輪井噴式需求。去年Velodyne得到了福特與百度聯(lián)投的1.5億美元更坐實了市場觀望方向。這讓中外技術(shù)團隊紛紛加入戰(zhàn)團，無懼Velodyne的科代表身份，甚至部分還敢于上新技術(shù)挑戰(zhàn)權(quán)威，比如Luminar、Innoviz、Innoluce等企業(yè)的MEMS微振鏡激光雷達，以及Quanergy所放出的OPA相控陣激光雷達。這其中不少企業(yè)背后更是某些著名的主機廠或零部件巨頭占股，推波助瀾之下，百鳥爭鳴。中國在此領(lǐng)域盡管進入較晚，不過令人欣喜的是涌現(xiàn)出了如速騰聚創(chuàng)、北科天繪等中國公司，得到了不少主機廠的認(rèn)可。其中速騰聚創(chuàng)更是其中值得關(guān)注的自主品牌。該公司從2014年創(chuàng)立以來，產(chǎn)品迭代迅速，從原來用于靜態(tài)測繪到現(xiàn)在專注于自動駕駛激光雷達研發(fā)制造。產(chǎn)品的質(zhì)量與技術(shù)的更新可圈可點，其中16線產(chǎn)品RS-LiDAR從數(shù)據(jù)而言，甚至略優(yōu)于Veledyne的16線產(chǎn)品。最近與相關(guān)部門聯(lián)合打造的自動駕駛客運巴士——阿爾法巴（Alphabus）正式在深圳福田保稅區(qū)的開放道路進行線路的信息采集和試運行。

種類促進技術(shù)，技術(shù)發(fā)展種類

隨著接近三十年時間的進化，盡管最終所依托的工作原理一樣，但是激光雷達的制造工藝技術(shù)一直在不斷的進步。從開初的傳統(tǒng)機械式產(chǎn)品開始發(fā)展到準(zhǔn)備量產(chǎn)的全固態(tài)產(chǎn)品，激光雷達的發(fā)展方向除了效率越來越高，產(chǎn)品體積也越來越小，換言之技術(shù)難度也越來越高。從旋轉(zhuǎn)式掃描技術(shù)到MEMS掃描技術(shù)再到OPA相控陣技術(shù)，只有想不到，沒有做不到的。不過可以肯定的一點是，這一條技術(shù)路徑，顯然主要考慮的是成本問題，因為一旦實現(xiàn)量產(chǎn)，那么基本就可以實現(xiàn)量級的成本下降。

機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達

從工作時運動結(jié)構(gòu)來看，機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達應(yīng)該算目前最為常見的一種了。還記得包括谷歌在內(nèi)的一種自動駕駛先行者早年路試時候的車輛么？車頂上那個不斷旋轉(zhuǎn)著的物件便是機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達，其典型特征即為擁有機械部件，會旋轉(zhuǎn)，找個比較容易理解的例子，就像一個去掉外殼的車頂警燈，反射鏡外加點光源不斷旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的那種效果。若把反射鏡看成接收器，而里面大大的紅燈泡看成激光發(fā)射機便是機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達的工作情況。至于多少線掃描這個大家都很關(guān)注的參數(shù)指標(biāo)，無非就是在里面增加了多少個激光發(fā)射器以及接收器。

到了后來可能大家也覺得這一直轉(zhuǎn)著的東西實在不太美觀，還很容易臟，便紛紛在外面加了個“全家桶”一樣的保護殼，也就是所謂的混合固態(tài)激光雷達，固態(tài)指的是“全家桶”外表，里面依然是不斷旋轉(zhuǎn)工作的機械結(jié)構(gòu)。為此目前市面上使用最多的混合固態(tài)激光雷達依然屬于機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達。代表企業(yè)正是目前激光雷達領(lǐng)域的龍頭老大Velodyne。

機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達雖然擁有著掃描速度快、接收視場小，抗光干擾能力強，信噪比高以及可承受激光功率高等優(yōu)點，不過其掃描角度固定，光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長，成本居高不下的缺點也十分明顯，最讓人頭疼的是機械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求。公路的無人駕駛車輛可能還能勉強適應(yīng)，可若日后發(fā)展到越野開放路段，乃至于戰(zhàn)時的嚴(yán)苛戰(zhàn)場，那么這種工藝的產(chǎn)品肯定熬不過來甚至成為首先被消滅的部件。

MEMS微振鏡激光雷達

有個全家桶頂在頭上，多少會限制了比如行李架等傳統(tǒng)車外配件的安裝，關(guān)鍵是顏值不夠美觀，所以盡量縮小雷達尺寸成為研究方向。正所謂轉(zhuǎn)身不如轉(zhuǎn)頭快，轉(zhuǎn)頭不及轉(zhuǎn)動眼珠子迅速。既然那種牽一發(fā)而動全身的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)激光雷達，穩(wěn)定性始終難以控制，還成本老高，那么干脆取其精華，MEMS微振鏡激光雷達應(yīng)運而生。其將原本體積較大的機械結(jié)構(gòu)集成在硅基芯片上，在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現(xiàn)掃描。當(dāng)真跟轉(zhuǎn)動眼珠以觀察周邊一個道理。這種設(shè)計在現(xiàn)階段有兩個比較顯著的好處，其一是不用大幅度地進行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問題的幾率。其二則是更加容易量產(chǎn)，有利于降低成本。不過MEMS微振鏡激光雷達也并不是無懈可擊的，小巧的MEMS偏振鏡礙于體積以及振動幅度，其探測角度十分有限，另外掃描角度是由控制電路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比較困難?？傮w來說，MEMS微振鏡激光雷達已經(jīng)能大幅度減小激光雷達的尺寸，不過對于自動駕駛車輛來說，盡管不需要全家桶在頭頂，卻也逃脫不了突出車外的宿命，很有可能以后這種產(chǎn)品與光學(xué)后視鏡合二為一，成為后視鏡位置的重合體。

不少公司都在利用自身原有技術(shù)優(yōu)勢加緊研發(fā)MEMS微振鏡激光雷達，如從飛利浦剝離出來，后被英飛凌收購的荷蘭Innoluce公司。

Flash面陣技術(shù)和OPA相控陣技術(shù)全固態(tài)激光雷達

Flash面陣技術(shù)激光雷達是一個很有趣的技術(shù)，我們可以直觀地將其理解稱為一臺在黑暗之中拍照的單反相機，其工作原理就是在給周邊環(huán)境拍照，發(fā)射端在短時間內(nèi)通過光學(xué)透鏡發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，接下來高度靈敏的接收端就如單反相機里面的CMOS，一個個像素組合成所得影像。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，但是難點在于像素陣列的組成，每個像素獨立解析，像素點越多，解析度越高，而且探測距離并不理想。大陸集團于2016年所收購美國加州的Advanced Scientific Concepts，Inc.（ASC）便是研發(fā)生產(chǎn)高分辨率3D Flash激光雷達業(yè)務(wù)企業(yè)。

至于相控陣?yán)走_技術(shù)，不少熟悉軍事裝備的讀者可能已經(jīng)有所了解，近年各國海軍實力高速發(fā)展，特別是我國052D型驅(qū)逐艦的換裝。相控陣?yán)走_不需要旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，但探測的精度和速度卻大大提高，相控陣技術(shù)的全稱是相位控制陣列技術(shù)。找個比較簡單的例子，同時往水中臨近兩個地方扔石頭，會發(fā)現(xiàn)各自所激發(fā)的漣漪部分會相互抵消，而部分則會疊加增強。將這個原理放大，采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)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。其最大優(yōu)勢在于完全沒有機械結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應(yīng)性強。固態(tài)激光雷達的典型代表是美國的Quanergy公司，單面相控陣最大視角120度。已經(jīng)獲得了大型汽車零部件供應(yīng)商德爾福，以及三星電子的戰(zhàn)略投資。Quanergy還在與Koito合作整合激光雷達的汽車前照燈。

條條大路通羅馬，需要達成一種應(yīng)用往往有著無數(shù)種技術(shù)解決方法，盡管MEMS、OPA、flash等技術(shù)的激光雷達目前都還沒有量產(chǎn)型產(chǎn)品出現(xiàn)，還只是實驗室階段的小批量制品，可對于已經(jīng)如滾滾車輪無法停下來的自動駕駛技術(shù)需求來說，說不定某一天突然就遍地開花了。

結(jié)語

自動駕駛發(fā)展是一場艱苦的馬拉松比賽，激光雷達優(yōu)點不少，在HAD（高級自動駕駛）是不可或缺的，但霧霾、煙、灰塵穿透力差，仍易受雨雪霧霾等天氣影響，為此現(xiàn)在自動駕駛系統(tǒng)一般會采用多傳感器融合方案，同時安裝激光雷達、毫米波雷達和攝像頭多傳感器結(jié)合。單一技術(shù)的固守永遠(yuǎn)不能完成這場比賽，可以讓科技公司與傳統(tǒng)車企之間相愛相殺的局面逐步趨于穩(wěn)定的，只有開源、合作、標(biāo)準(zhǔn)化。