自动驾驶的光影大戏

来源:盖世汽车

发表于: 2018.09.01
   

十九世纪末日本海军的兴起,如同吃了伟哥一般,前后不过50年。凭借着灭北洋、败沙俄的劲儿,走上了单挑美国的赌场,不可否认,日本海军的训练及其兵员素质的确是世界一流的,但在太平洋战场上,他们迷信人眼,用所谓的”猫眼” PK 雷达,就有点匪夷所思了。

1942年,在瓜岛海战时,美军新研发的雷达刚搬上军舰,受当时的雷达操控技术和地理环境因素影响,日本海军的”猫眼”和美海军的雷达基本不相上下;到了1944年夏天,在被美国人称为”马里亚纳猎火鸡大赛”的菲律宾海战中,美海军已能在200公里外率先发现日军航母和飞机。终于,日本海军拼光了最后的资本。

威利斯•李将军,美国海军的传奇人物,此人视力相当好,他原来是一名射击运动员,1920年的安特卫普奥运会中,他一举获得5枚金牌,另获银牌与铜牌各1枚。他评价日本海军时说过:“我们应该认识到而且永远不应该忘记,我们的超级大国地位来自我们对雷达的拥有。”

雷达之于自动驾驶

起初,神创造天地,地是空虚混沌,渊面黑暗,神的灵运行在水面上。神说:”要有光”,于是,就有了光。但自动驾驶不是神造的,它是一群用眼过度的人想出来的,开车的人说:“我想放飞下自我”,于是各种光、波、影来接手了。

这里”光”指的是激光雷达,”波”指的是毫米波雷达,”影”特指摄像头传感器(本文不做重点)。对于自动驾驶来说,这些至关重要,或兼而有之,或搭配使用,并且光影的敏感性和精准度影响着驾驶安全,代表着自动驾驶的成熟度。你是电、你是光;你主宰,没有更好的办法。

自动驾驶的光影大戏
自动驾驶的光影大戏

其实,在完全自动驾驶来临之前,我们对车载”雷达”已有耳闻,比如倒车雷达就是我们最耳熟能详的应用。但是,这里要指出的是,倒车”雷达”严格来讲,不是本文要讨论的雷达,它只是一种超声波传感器。

今天,高等级自动驾驶最核心的是电磁波雷达和激光雷达,再加上摄像头传感器,可以说,这些才是“汽车之眼”,自动驾驶能走多远?关键就看这三只眼能有多亮了。

自动驾驶之眼

“黑夜给了我黑色的眼睛, 我却用它寻找光明”;自动驾驶带来了三只眼睛,我们要用它来探测道路,但哪一只最好使呢?答案是:各有优劣,有时候可能得三只并用。

这三只眼睛中,摄像头传感器比较直观,就是通过自然光实时影像来构建车辆周边的环境,它的优点很突出:精度高,距离远,直观方便;可是缺点也同样突出:受到天气的影响太大,倘若雾霾一来,或是阴雨绵绵,估计就只能两眼一抹黑了。

激光雷达和电磁波雷达比超声波探测器以及摄像头传感器有着更高的实时性、精度和可靠性,其中,自动驾驶所研究的电磁波雷达主要研究集中在毫米波雷达上。

从本质上说激光雷达和毫米波雷达都是利用回波成像来构显被探测物体的:车载激光雷达通过发射多角度多束激光回波来建立三维点云图,从而达到实时环境感知目的;毫米波的波长介于厘米波和光波之间,毫米波雷达通过计算发射电磁波和回波之间的时间差测得目标的位置数据。

激光雷达优点是探测范围广、精度高;但缺点也比较明显:采集数据量较大,在雨、雪、雾等极端天气下性能较差;而且激光雷达的造价成本高,对工艺水平要求也比较高。

自动驾驶的光影大戏
自动驾驶的光影大戏

对毫米波雷达而言,优点是不受天气和自然环境影响;但无法对周边障碍物进行三维建模,精准度是硬伤,也无法感知行人;而且在行车环境下,处于多重波段并存的环境下对毫米波的影响是极大的,毫米波对于较远处的探测能力也是有限的。

炯炯有神的双眸

笔者一路码字过来,视力是在不断下降的,但毫米波雷达和激光雷达这两只眼,视力仍在提升中,这就是机器取代人驾驶的逻辑。

毫米波雷达频率高于无线电,低于可见光和红外线,频率大致范围是10GHz—200GHz。这是一个非常适合车载领域的频段。目前,比较主流的车载毫米波雷达频段有三种:

 24GHz,采用这一频段的毫米波雷达通常安装在车辆的后保险杠内,用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道,目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。这个频段频率比较低,带宽(Bandwidth)比较窄,探测距离比较短。

 77GHz, 采用这一频段的毫米波雷达性能要好于24GHz的,其波长更短,探测距离更远,一般用来装配在车辆的前保险杠上,探测与前车的距离以及前车的速度,实现的主要是紧急制动、自动巡航等主动安全领域的功能。现在大部分自动驾驶方案,用的就是77GHz的毫米波雷达。

 79GHz,这个频段最大的特点就是其带宽非常宽,要比77GHz的高出3倍以上,这也使其具备非常高的分辨率,可以达到5cm。这个分辨率在自动驾驶领域非常有价值,因为自动驾驶汽车要区分行人等诸多精细物体,对带宽的要求很高,这个频段在未来的自动驾驶领域会有很广泛的应用。

自动驾驶的光影大戏
自动驾驶的光影大戏

相较于电磁波雷达,激光雷达(LiDAR)问世得较晚,但其一应用于汽车上,就不断引来关注,特别是自动驾驶的来临使其出镜率更高。LiDAR工作频率高,精度也更高,除了其易受极端天气影响和成本居高不下的短板,一切都很美好。但是,业界正在攻克这一系列问题,激光雷达的发展沿着两个方向进行:

 MEMS微电机激光雷达/固态激光雷达:MEMS激光雷达带有控制激光发射角度的机器部件;而固态的则依靠电子部件来控制激光发射角度,相比传统机械式,固态雷达扫描范围更大、响应速度更快,体积和成本也得到了有效控制,成为主流不可避免。

 单线速/多线速激光雷达:从内部线束数量来说,激光雷达又可以分为单线束和多线束激光雷达,单线束雷达一次只产生一条扫描线,因此其生成的还是平面信息;多线束雷达探测范围更广,数据愈发精确,可生成目标的立体信息。

自动驾驶的光影大戏
自动驾驶的光影大戏

左眼PK右眼

有人左眼视力好,有人右眼视力好。像任何不完美的技术一样,在L3以及更高级的自动驾驶上,雷达系统的选择分成了两派:鉴于目前高等级的自动驾驶都只是在试验阶段,谷歌、百度、Uber、福特、通用、奔驰等都采用的是摄像头加激光雷达方案;而特斯拉选用的是摄像头加毫米波雷达方案,特斯拉反对这一技术的理由是激光雷达太贵了。

马斯克曾自信地说:“我认为不需要什么激光雷达(LIDAR),用被动视觉(摄像头),顶多加一个前置的毫米波雷达就能解决问题”。毕竟特斯拉不是做车出身的,激进是要付出代价的,随后发生在加州的Model S撞大卡车自动驾驶事故,狠狠地打了埃隆•马斯克的脸。

关于自动驾驶或的实现路径,互联网造车新势力尤其青睐借助激光雷达一步到位,最初的时候,谷歌和百度在车顶放置了7万美金的64线激光雷达,成为直接切入L4级别的两大代表,当然谷歌现在已经采用了自研的激光雷达,成本降低90%。

而传统车企则希望稳步前进,先通过ADAS(感知模块为摄像头加毫米波雷达)研发低等级的自动驾驶,再等激光雷达成熟和成本降下来,然后慢慢进阶高等级自动驾驶。

一个常识是:独眼龙并不好,单眼只适合瞄准,不适合开车。谷歌自动驾驶咨询顾问 Brad Templeton曾说:“做到99%的准确度对于车辆驾驶而言并不够,我们需要的是99.99999%的准确。激光雷达就是小数点后几位的最强保障”。

目前业界普遍的共识是:在自动驾驶的运用当中,必须是激光雷达、毫米波雷达、摄像头等多种传感器结合的冗余方案。对于车辆这种对安全性要求极高的工具来说,万无一失才是对生命最好的尊重。

一出好戏

如果说即将到来的自动驾驶是一出好戏,那么AI和感知系统必定是导演和编剧。这其中,感知系统就是指包括激光雷达、毫米波雷达和摄像头在内的传感器。

这出好戏预计能有多大的“票房”,看几组数据就知道了:根据《2018-2022年中国汽车雷达行业深度调研及投资前景预测报告》,假设到2030年ADAS渗透率达80%,其中15%完全自动驾驶,当年全球新车销量1.3亿辆,激光雷达单枚售价降至200美元(这个价格已经非常乐观了),激光雷达市场规模达500亿美元级别

自动驾驶的光影大戏

(数据来源:中投顾问产业研究中心整理)

假设2025年全球新车销量为1.2亿辆,ADAS渗透率40%,毫米波雷达单枚售价降至100美元,则毫米波雷达市场规模可达200亿美元左右。

自动驾驶的光影大戏

(数据来源:中投顾问产业研究中心整理)

毫米波雷达是较早登场的主角之一,在早期的L1和L2自动驾驶ADAS上,主要应用为盲点检测和后方车辆提醒的SRR(24Ghz),每车按需要两颗统计,根据国内产业机构调查,国内2014年汽车毫米波雷达销量约为120万颗,2015年约为180万颗。而激光雷达在乘用车的应用,目前只是集中在试验阶段,且基本上都是机械式激光雷达。有国外调研机构的分析调查过,2015年全球汽车激光雷达市场规模约为6200万美元;业内人士普遍预测,随着固态激光雷达的姗姗来迟,汽车激光雷达市场的快速增长将可能在2018~2019年彻底到来,正所谓,出场晚的才是压轴大牌。

剧情怎么发展?戏能否吸引人?前台演员,幕后玩家很重要。

看得见的前台

好戏登台时,首先映入眼帘的是主演,在这幕大剧中,仍是欧美巨头唱主角。

先说毫米波雷达:毫米波雷达的硬件核心MMIC(微波集成芯片)和天线PCB技术一直由国外半导体公司所掌控,并且对于我国长期处于禁运管制状态,英飞凌、意法半导体、恩智浦和德州仪器是产业链的最上游;而基于毫米波雷达的ADAS系统主要由大陆、博世、电装、奥托立夫等传统零部件巨头所垄断,这些厂商占据了全球毫米波雷达市场70%以上的份额。

77GHZ雷达的开发难度更高,目前只有博世、大陆(子公司ADC)、德尔福、电装、TRW(AutoCruise)、FujitsuTen、Hitachi等公司掌握。

这其中,博世在车载毫米波雷达市场占有率最高,在LRR(长距离雷达)产品技术领域较为领先,其新产品LRR4最大探测距离可达250m;海拉在24GHz市场占有率最高,产品已更新到第四代;富士天通和电装主要客户为日系整车,以富士天通技术积累最为深厚,其MMIC芯片技术领先。

自动驾驶的光影大戏
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但是,我们家矿多,自然要出镜抢戏。国内的MMIC研发已开始起步,厦门意行Imsemi已研发出24Ghz毫米波雷达的MMIC;另外,唯一的豪米波雷达国家重点实验室东南大学也一直在研发77GHz毫米波集成电路。

在系统方面,国内厂商研发方向主要集中于24GHz雷达产品,目前有湖南纳雷、厦门意行、芜湖森思泰克推出较为成熟的产品;北京行易道、沈阳承泰、木牛科技则已突破封锁,攻破77GHz汽车雷达产品,其中木牛科技甚至已推出79GHz中远距离高清成像雷达,而79GHz频段的雷达技术,可能是我们在毫米波雷达领域弯道超车的机会。

对于”钱景”广阔的激光雷达市场,目前基本是Velodyne唱独角戏,几乎所有的激光雷达都姓V,Velodyne也毫不掩饰要成为激光雷达领域Intel的野心。

但这个市场还没完全入戏,新兴玩家有大把表现空间,在机械式激光雷达遭遇成本瓶颈后,固态激光雷达是台上所有演员都要酝酿、打磨的技术,在成本不能降到自动驾驶所期望的合理水平之前,所有人都是群演。

硅谷初创公司Quanergy曾领先于Velodyne发布全球首款固态激光雷达S3,德国公司IBEO则是全球首个量产应用于自动驾驶汽车奥迪A8上固态激光雷达的企业。

陆续登台出演的还有:日本先锋、硅谷的Luminar及AEye、以色列的Innoviz和已被英飞凌收购的Innoluce,此外,还有生产MEMS固态激光雷达的欧姆龙、生产Flash固态激光雷达的Oryx Vision、TetraVue,这中间有实力老戏骨,也有流量小鲜肉。

降成本一向是国产厂商的拿手好戏,在推动激光雷达尽快部署到高等级自动驾驶上,本土企业自然要出来贡献演技。速腾聚创(RoboSense)是目前国内第一家承诺MEMS固态激光雷达将在2018年底或2019 Q1量产的领军企业;Innovusion这家华人初创企业虽然目前只推出了300线机械式激光雷达,但已超越Velodyne的128线水平,且价格已降到了1000美元;另外,禾赛科技虽然目前量产的是混合固态激光雷达,但纯固态雷达也已推出样机Pandar GT。

激光雷达的门槛其实并不高,从原理上看以光学、微机械电子等制造技术为主,半导体技术占比不重。从历史经验来看,因为拥有制造优势,但凡被中国企业攻破的科技领域,产品一定会变得物美价廉。毫无疑问,激光雷达行业也一样,中国企业必然实现弯道超车,并在下一个阶段引领全球自动驾驶产业的发展。

看不见的幕后

你方唱罢我登场,看起来都是些新鲜面孔,实际上背后角力的还是老熟人,一众车厂和Tier1们正在下一盘很大的棋。2018年已过去大半,全球发生在自动驾驶领域的投资高达4.9亿美金,其中有4500万美金流向了汽车雷达初创企业,可见其吸金能力不是一般。

自动驾驶的光影大戏
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如果再往前翻两年,从2016年开始,超过8亿美元被投入到汽车雷达公司,几乎每个月都有一个汽车雷达的投融资项目或收购项目,尤其是激光雷达:2016年3月,德国大陆收购固态激光雷达公司ASC;2016年8月,德尔福和三星投资9000万美元给固态激光雷达新星Quanergy; 2016年8月,百度和福特注资1.5亿美金给激光雷达霸主Velodyne;2016年10月,英飞凌和ADI分别收购固态激光雷达企业Innoluce和Vescent。

进入2017年后,每个月几乎有汽车激光雷达的投融资项目,仿佛一场投资竞赛,足见激光雷达的火热程度。

自动驾驶的光影大戏
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这其中的道理很简单,玩毫米波雷达的本来就是一线Tier1们,他们握着毫米波雷达的筹码又来下注激光雷达,意图不言自明。但这两年,不论是毫米波雷达,还是激光雷达初创企业都处在烧钱阶段,一个是被巨头垄断,一个是抓紧傍大腿。眼看他们起高楼,开车群众们其实心里更急,自动驾驶什么时候能够到来?

尾声

台上唱的戏,有时候观众看不明白,但是很快就要到尾声了。如果现在还在纠结自动驾驶是使用毫米波雷达?还是激光雷达?那么就像开篇的日本海军迷信”猫眼”一样可笑了。等别人跑马圈地已完成,就只剩残羹冷炙了,现在要做的就是买定离手吧!

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