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哪种激光雷达是自动驾驶的未来?混合固态or纯固态

2022年05月06日 16:48:01
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来源:路咖汽车

2017年,搭载法雷奥激光雷达的奥迪A8,成为了第一台实现L3级自动驾驶的量产车,但它的出现并没有让激光雷达迅速走进我们的生活,也没有让高级别自动驾驶迅速铺开,它更像是一个开创者,象征意义大于实际意义。而近年来,随着激光雷达的成本逐渐降低,越来越多的车型开始搭载激光雷达,新势力和转型的传统车企们已经不拘泥于用一颗,多颗激光雷达上车已经不再新鲜。

而我们会发现一个共同点,如今新款车型上搭载的激光雷达类型,大多为混合固态激光雷达(半固态激光雷达)。比如最近开始交付的蔚来ET7、每周三爆料的理想L9等。而使用混合固态激光雷达来实现L3、L4甚至更高级别自动驾驶,是接下来车企们主推的激光雷达方案。

混合固态激光雷达是当下的“最优解”?

激光雷达这一从军事领域逐渐向民用过渡的设备,单个设备几年前的价格,还只能让车企们研究研究,完全没法量产上车,我们看到的那些自动驾驶测试车辆,大多搭载的是机械旋转式激光雷达,单个成本数十万,而且突出于车外,不符合“车规”。

固态激光雷达可以符合车规级,体积小,成本相较于机械旋转式激光雷达大幅降低,由于没有过多的机械结构,稳定性会更高一些。像FLASH固态激光雷达,也可以说是非扫描式,它可以在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,利用光阵构建图像,就像是照相机,快速记录整个场景,减少了没有了转动与镜片磨损,相对更为稳定,不过缺陷也很明显,比如探测距离仅能达到100米左右,对处理器要求较高,伴随着目前难以克服的发热问题,而且相对应成本也高。

而混合固态激光雷达则是目前采用的主流方式,从当年奥迪A8上那颗法雷奥提供的4线激光雷达,就是一枚混合固态激光雷达。再到最近备受追捧的禾赛科技、图达通、速腾聚创、大疆揽沃等这些国内企业制造的激光雷达,大多均为混合固态激光雷达。那么混合固态激光雷达究竟有哪些优势,使得车企们争相追捧,它就是激光雷达上车的最优解吗?

混合固态激光雷达拥有和固态激光雷达类似的体积,可以符合车规要求,当然它也分为多种类型,每种类型的混合固态激光雷达也都用自身的优缺点,而各家车企选择其中产品,自然要平衡产品的各项性能、成本,从而找出那个目前自己最适合的产品。

常看我们文章的朋友对禾赛AT128这个名字肯定不陌生,正是在理想L9、路特斯Eletre、以及未来将搭载在小米车型上的那颗激光雷达,内部有128个独立激光器,在垂直方向可以同时发射128束激光进行扫描。通过芯片化128通道的固态电子扫描,以及点云在水平和垂直方向完整视场角无拼接均匀分布,可以提供形同摄像头的图像级超高分辨率和结构化数据,200米的测远能力,点频超过每秒153万个点。

禾赛AT128是属于一颗转镜式混合固态激光雷达,一维转镜通过旋转的多面体反射镜,将激光反射到不同的方向;二维转镜内部集成了两个转镜,一个多边棱镜负责横向旋转,一个负责纵向翻转,实现一束激光包揽横纵双向扫描。转镜激光雷达体积小、成本低,与机械式激光雷达效果近似,但不能360度无死角的扫描,这也是除机械旋转式激光雷达以外,其他单颗激光雷达都做不到的,但通过布置多颗,配合算法可以做到360度扫描的效果。这种类型的激光雷达基本上可以解决车企在激光雷达方面的痛点问题,以至于像蔚来所采用的图达通等一众国产激光雷达企业都生产转镜类型的激光雷达。

多颗混合可以达到一颗固态效果?

而大疆览沃的双楔形棱镜激光雷达则是混合固态激光雷达中的另一路选手,这种类型的激光雷达最早应用在阿帕奇武装直升机上,为了适应直升机在飞行过程中的振动频率,以及军事行动中多变的环境,棱镜式的激光雷达进一步减少了设备内部的机械结构,省去了转镜式激光雷达的轴承,用两块棱镜反射激光,同时还可以加入更多棱镜,使其效果更佳,这种形式的激光雷达通过反射镜和凸透镜变成平行光,扫描模块的两个旋转的棱镜改变光路,使激光从某个角度发射出去。激光打到物体上,反射后从原光路回来,被APD接收。它可以做到很大的通光孔径,距离也会测得较远。与机械旋转Lidar相比,它极大地减少了激光发射和接收的线数,降低了对焦与标定的复杂度,大幅提升生产效率,降低成本。

它不进行重复扫描,解决了机械式激光雷达的线式扫描导致漏检物体的问题。可实现随着扫描时间增加,达到近100%的视场覆盖率。没有电子元器件的旋转磨损,可靠性更高,符合车规。但这类激光雷达单颗雷达的 FOV 视场较小,视场覆盖率取决于扫描时长,独特的扫描方式使其点云的分布不同于传统机械旋转激光雷达,需要算法适配。

而它单颗大概200美元的售价,可以让其使用搭载多颗来解决单颗视场小的问题,也能让更多售价较低的车型用上激光雷达,十几万的小鹏P5正是搭载这种类型的混合固态激光雷达,一下就给了两颗。

以上这两种混合固态激光雷达是目前车企们采用最多的两种方式,这两种方式都拥有着成本低、体积小、成像效果好的优点,而且随着越来越多的企业生产它们,车企们装车量越来越大,就使得混合固态激光雷达的成本更低。但很多人用,并不代表着它是最好的,仅能作为在一段时间内的比较不错的解决方式,混合固态激光雷达的依然拥有较多的可运动的机械结构,导致其寿命问题成了现在难以攻破的难题,而固态激光雷达目前成本高,但几乎没有机械结构,拥有更长的寿命。所以,固态激光雷达依然是今后的趋势。

混合→纯固态 纯固态依然是趋势

目前有一种界于混合固态激光雷达和固态激光雷达之间的产品,叫做MEMS振镜式激光雷达,MEMS振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;它是在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜,其核心结构是尺寸很小的悬臂梁——反射镜悬浮在前后左右各一对扭杆之间以一定谐波频率振荡,由旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。硅基MEMS微振镜可控性好,可实现快速扫描,其等效线束能高达一至两百线,因此,要同样的点云密度时,硅基MEMS激光雷达的激光发射器数量比机械式旋转激光雷达少很多,体积小很多,系统可靠性高很多。

MEMS微振镜摆脱了笨重的马达、多发射器、接收模组等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸,提高了稳定性;MEMS微振镜可减少激光发射器和探测数量,极大地降低成本。但这种激光雷达已经非常近似于固态激光雷达,但其内部的悬臂梁在车辆长期的震动中,寿命依然会受到影响,以至于现在还在试验阶段。

激光雷达发展过程中,成本问题是一直绕不开的问题,目前混合固态激光雷达已经有了不少成熟产品和方案,在目前实现L3-L4级自动驾驶过程中,起到了很关键的作用。但目前混合固态激光雷达装车时间很短,机械结构较多也影响到了其寿命问题。所以使用固态激光雷达依然是今后的激光雷达装车的大趋势,纯固态激光雷达整体能耗要不混合固态激光雷达更低,在这样的前提下,纯固态激光雷达可以一次性实现全局成像来完成探测,无需考虑运动补偿;不需要扫描器件,成像速度更快,机械结构集成度更高,体积小;并且对于受环境光的影响更小,探测精度能更高。

目前激光雷达上车是自动驾驶方案中的一类选择,半固态激光雷达是当下,纯固态激光雷达是未来,不排除随着技术的发展还有更好的替代产品出现,但纯固态激光雷达在克服了目前成本的问题,混合固态激光雷达这一“过渡方案”将会迅速被淘汰。

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