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[隱藏]

但最核心的原因,還是鐳射雷達的成本快速下降。我舉個簡單的例子,幾年前一個 Velodyne 的 64 線機械式鐳射雷達成本還要 7 萬美金,而且單筆訂單達到 100 萬美金才提供技術支援。而 Luminar 即將量產的 300 線 1550 nm 波長鐳射雷達,據官方的說法,軟硬體打包的價格不超過 1 千美金。

回到正題,先簡單說下鐳射雷達的工作原理,主要是由鐳射發射器、光學接收器以及資訊處理三部分組成,它會不斷向外發射鐳射束,光束在遇到障礙物後會反射,再通過接收感測器,接收物體反射回的光脈衝。

根據已知光速(約為 30 萬千米/秒)計算出兩者訊號之間的時間差、相位差來確定車與物體之間的相對距離,再通過水平旋轉掃描或相控掃描測量物體的角度,再通過獲取不同俯仰角度的訊號,就可以獲得世界的高度資訊。

結合以上三種功能,鐳射雷達可以感知到與物體之間的距離以及角度,再通過軟體演算法去做 3D 建模,就能把我們人眼看到的真實世界做成一個機器能夠理解的虛擬世界。

在這當中,鐳射雷達每次發射以及接收鐳射資訊,通過這麼一個「閉環」的動作,獲得的位置資訊我們稱之為「點雲」。點雲越多,說明鐳射雷達對這個世界感知更為精準,當然需要處理的資訊也就越多,對應算力要求也就越高。

由於我們車是在移動的,環境實時在變,為了採集到完整的點雲資訊,感測器採集點雲的速度就要跟上,也就是出點數。

但光看「出點數」依然不夠,掃描頻率以及測距取樣率也同樣重要,三者綜合起來看,構成了鐳射雷達對於位置資訊感知的實時性。說白了就是,要像人眼一樣,實時更新我們能看到的世界。

另外,為了能更大範圍地感知這個世界,鐳射雷達能感知到的角度就顯得非常重要。傳統的方式是採用旋轉元件,簡而言之就是讓鐳射雷達旋轉起來,進行 360 度掃描。

固態鐳射雷達也有相對應的解決方案,我舉個結構相對簡單的 MEMS 鐳射雷達為例,這種技術是通過轉動內建的一塊反光鏡來實現周圍環境的掃描,也就是把鐳射射向這塊不斷旋轉的反光鏡,再通過反光鏡反射到各個角度,從原理上看,跟以前小時候拿著鏡子反射太陽光的無聊玩法有異曲同工之妙。

通過以上方式,鐳射雷達可以向周圍發射鐳射點陣,同時還接收反射回來的鐳射脈衝,測量發射器與被測量物體之間的相對距離,直接可以獲得三維向量資料,而得知自己在環境中的準確位置,這比視覺方案中的二維平面影象採用視差深度演算法相比更為精準。你可以簡單粗暴地理解為「目測」與「拿尺子測」之間的差別。

這不僅解決了靜態物體無法識別的問題,而接收反射回來的鐳射脈衝可以描繪出物體的形狀以及距離,其中含括了整個道路狀態以及其他交通參與者,這就可以構建出一個完整的機器能夠理解的道路場景了。那這樣就可以在技術層面上極大程度解決長尾效應帶來的問題。


另外鐳射雷達能做的事還有很多,例如通過不同物體發射回來鐳射訊號的不同,去給物體做分類,可以參考上文說的「卷積神經網路」,那麼這個時候鐳射雷達也可以學會「自我思考」。

由於鐳射雷達是自身發射鐳射束,相比攝像頭最大的優勢在於不受外界環境條件的影響,無論是夜晚還是白天情況下,工作都會更穩定。那麼至於如何應對「雨雪霧霜」極端天氣以及逆光的影響,請下下文。

01

我們需要什麼樣的 LiDAR

鐳射雷達是我見過分類最廣的物種之一了,按照線束來說,有 16 線、32 線、64 線以及茫茫多。按技術結構來看,分為機械式、混合固態以及純固態。另外非機械型鐳射雷達的掃描方式還有 MEMS、相控陣以及微透鏡陣列等。按發射器的波長來分,又有 905 nm 以及 1550 nm。


綜合所有,我先立個 Flag,真正符合車規級使用的鐳射雷達要先滿足 300 線,固態結構以及 1550 nm 波長這三個先決條件,其他的都是過渡技術。

先說線束,這裡說的 300 線並不是類似機械式垂直排列了 300 條鐳射線束,而是通過序列以及並行的掃描方式,達到類似於 300 線的解析度,理論上以後哪怕 900 線也可以按照這樣的技術手法來實現。

再來看自動駕駛的實際場景需求,首先鐳射雷達要解決的是感知問題,線束越多,發射光脈衝更多,意味著獲取點雲資訊更多,對環境感知更為精準。而 300 線的鐳射雷達理論上可以實現影象級的識別精度,這對於傻憨憨的機器來說特別友好,還是那句話,只能這樣機器才能理解我們人眼看到的世界。

再說技術發展路徑,鐳射雷達分為機械旋轉式、混合固態以及純固態這三種。從成本、可靠程度來說,機械旋轉式註定不會被商業化應用。

因為我還沒見過哪個機器天天裸露在外面天天不停地瘋轉,而且還不壞的。一旦雷達故障了,還要請一個技術手法堪比瑞士手錶工匠水平的老師傅去更換零部件以及校準,這不僅「傷錢包」,而且體驗也不好。至於混合固態的鐳射雷達,同理,我也不看好。只有純固態鐳射雷達才是對「錢包」友好且穩定的。

最後再來聊一下波長,這裡多說幾句。為什麼我認為 1550 nm 波長的鐳射雷達才是符合車規級的,這裡涉及到鐳射輻射的安全性問題,而影響安全性的三大要素是波長、輸出功率以及鐳射輻射時間的綜合作用的結果。

首先強光在通過眼睛晶狀體時會聚焦到眼睛的視網膜上,而這個時候會給視網膜帶來一定的灼燒效果,而存在一定的風險。如果你小時候玩過放大鏡點火,應該就很好理解了。

因此出於保護人眼的原因,IEC 規定鐳射雷達的波長安全上限為 900 nm 左右,這也就意味著 905 nm 波長的鐳射雷達出於對人眼保護的原因,不會高功率執行。當然應用在火箭以及國防場景的情況,不在本次討論範圍內。

但有意思的是,波長 1400 nm 以上的鐳射會在到達視網膜之前就會被眼球的透明部分吸收完了,對人眼並沒有傷害,所以並不在 IEC 的規則內。因此 1550 nm 波長鐳射雷達可以相比 905 nm 波長提升 40 倍的功率執行,而提升功率帶來最直接的好處就是增加探測距離、點雲解析度以及增強複雜環境的穿透力。

其實這三點都很重要,但第三點才是「壓死駱駝的最後一根稻草」。這裡也呼應一下上文。全面自動駕駛意味著車輛要應付各種複雜的環境,其中就包含了「雨雪霧霜」,再極端一點就「沙塵暴」。

先說個常識,光波在大氣中傳播是會衰減的。而採用 1550 nm 波長的話可以加大功率,因為與毫米波雷達「對半透明物體不會產生回波」不同的是,鐳射雷達在雨天、霧天的場景中,「水滴」這種半透明物體是會引起對脈衝的反射。

但只是「部分反射」且會向四周進行擴散,尤其是在「濃霧」的天氣下,這會造成反射訊號準確度的下降。舉個不恰當的例子,我們帶著的眼鏡如果起霧或有水滴,我們也看不清外面的世界,因為「水」會影響視覺效果。

而這個時候,鐳射雷達通常通過「提升發射功率」和「提升接收器敏感度」來提升整體的感知能力,不要忘了,提升發射功率就是 905 nm 波長的死穴,這就是我不看好 905 nm 波長的原因,而提升功率後,還能降低 1550 nm 會受到環境光照的影響,也就是針對「逆光」的場景,有了個靠譜的解決方案。

另外我說一下,為什麼像 Velodyne 這樣的鐳射雷達巨頭公司至今還死守著 905 nm 波長,而且對外永遠說「夠用」了。首先 Velodyne 有將近一半的鐳射雷達份額來自非車業務,對於非車規級使用,905 nm 波長夠用這句話沒毛病。

而且除了技術壁壘以外,我認為還有個重要的原因,就是「接收感測器」的成本問題。905 nm 波長的接收器可以用矽來做原材料,而 1550 nm 是「光纖感測器」,而這種接收感測器要用到「銦鎵砷」這種材料,這種材料的成本是矽的 10 倍,而且目前還看不見成本下降的趨勢。


那這裡就要提一下 Luminar 這家明星公司,據官方公佈的訊息,他們通過收購了一家專門做銦鎵砷材料的公司,解決了銦鎵砷的成本問題,目前可以把單個感測器控制在 3 美元。那麼我比較好奇的是,如果有大神知道,同為 1550 nm 波長路線的華為以及 Innovusion,他們是怎麼解決感測器成本問題的,請在評論區留言。

綜上所述,我認為車規級鐳射雷達要同時具備 1550 nm 波長、 300 線還有固態結構三者,缺一不可。

寫在最後

寫這篇文章的過程,經歷了蔚來 NIO Day 釋出了 Innovusion 的 300 線鐳射雷達,也經歷了 Mobileye 總裁兼執行長 Amnon Shashua 教授精彩演講,其中也確認了採用 Luminar 的鐳射雷達產品。

而這就留下馬一龍獨自在支撐純視覺陣營,但我相信在未來鐳射雷達成本進一步降低,老馬也會真香打臉。

而比拼硬體只是自動駕駛的一個方面,就好像現在鐳射雷達已經是釐米級的定位精,單顆晶片的算力也突破 200 TOPS,我也相信隨著技術的迭代「毫米級」鐳射雷達以及單顆晶片算力破千,在未來也不是夢想。

但更為重要的是各廠商如何把硬體有效地利用起來,那接下去比拼的就是軟體演算法層面,例如把毫米波、攝像頭以及鐳射雷達三者的感知資訊更好地融合、優化自動駕駛演算法邏輯,還有 5G 時代下的 V2X 應用場景。

而這一切的結合,才是自動駕駛有機會從夢想變成現實的基礎。

撰文:賣白菜的黃老闆

編輯:大吉

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原文連結:https://inewsdb.com/數碼/這是一篇寫給小白的鐳射雷達文章

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