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2020年6月17日 星期三

Velodyne Lidar 101

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2007 年 11 月 3 日,6 輛汽車創造了歷史,它們成功地在模擬城市環境的測試場完成了自動駕駛測試,全程都沒有違反加州的交通法規。值得一提的是,這 6 輛車裡,有 5 輛都搭載了新型雷射雷達傳感器,而提供該設備的就是 Velodyne,不過當年的它可是一家音頻設備製造商。

10 年之後,Velodyne 還在延續著傳奇,它的產品依然是自動駕駛汽車的核心部件。不過有一點沒改變的是——雷射雷達的價格,它只是從非常貴變成了相當貴,離平民化的目標還有很遠一段距離。

因此,Velodyne 和大批新崛起的雷射雷達新創公司,現在的主要目標就是改變這個尷尬的局面。

在本文中,我們將對雷射雷達技術,進行一次深入剖析。除了雷射雷達的工作原理,本文還會講解它所面臨的挑戰,畢竟想滿足自動駕駛汽車的商用要求可不容易。

一些專家相信,打造出一台售價低廉的雷射雷達,最關鍵就是將傳統的旋轉式機械設計,換成固態設計,這樣能大量減少可移動部件,雷射雷達不但結構和量產簡單了,成本也低了。話雖如此,但沒人知道要打造一台,成本低廉的車用級別雷射雷達,還要花多長時間。

值得欣慰的是,所有專家都對此報積極態度。為此,他們還舉了大量技術進步的例子,如計算器和防抱死系統,它們的售價都從高不可攀變得非常便宜,靠的就是大規模量產。

顯然,雷射雷達也會重複相同的路徑,也就是說,雷射雷達的價格,不會成為阻礙自動駕駛汽車普及的絆腳石。

生不逢時的雷射雷達急先鋒

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*Velodyne 64 線雷射雷達為自動駕駛汽車帶來了曙光

上世紀 60 年代起,科學家們就開始用雷射進行測距。當時麻省理工學院的一個團隊,就用雷射測出了地球與月球之間的距離。不過,說到車載雷射雷達技術,就不得不提 Velodyne 的發明家 David Hall。

21 世紀初的 Hall 是 Velodyne 公司的 CEO(也是創始人),當時這家公司主營音頻設備。但私底下, Hall 是個不折不扣的機器人發燒友。

「我們的團隊當時登上了 BattleBots 和 Robot Wars 比賽(均為機器人比賽)的舞台,藉口是替 Velodyne 的音響做宣傳。」Hall 在接受《連線》雜誌的採訪時說。

因此,當孕育了互聯網的 DARPA(國防部高級研究計劃局)又鼓搗出一個名為 Grand Challenge 的自動駕駛汽車比賽時,Hall 決定要參與其中。

在 2004 年的比賽中,Hall 和自己的親兄弟一起「上了戰場」,他們參賽的卡車安裝了兩顆攝影機。不過,這樣簡陋的配置可不能幫助他們獲勝,甚至是完成比賽。可惜,當年那次比賽沒有一輛車能笑到最後。

一年後的第二屆比賽中,Hall 兩兄弟拋棄了攝影機方案,轉而用起了雷射雷達。其他團隊也換上了雷射雷達,不過當時市場上的產品還相當原始。

那時候,最受歡迎的雷射雷達是 SICK LMS-291,它只是一套 2D 雷射雷達系統,也就是說它「視力」達不到 2.0,只能「看清」世界的一部分。

這套系統能幫賽車探測到,類似牆和樹,這樣竪立在地面的障礙物,不過如果遭遇到形狀不規則的障礙物,如荒廢的鐵道,它還是會不知所措。此外,這套系統只能探測,不能辨識,它不知道自己面前的是行人還是路標。

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SICK LMS-291 的點雲圖(右)和 Velodyne 雷射雷達的對比(左)

為了爭取勝利,Hall 兄弟倆直接開發了新型雷射雷達,他們將一台 64 線雷射發射器,安裝在可以 360 度旋轉的萬向節上。這樣一來,整套系統就能採集到真正的 3D 圖像。

可惜的是,他們的賽車未能贏得當年的比賽,不過 Hall 兄弟倆開發的這套雷射雷達,卻吸引了其它團隊的注意力。在第三和第四屆(最後一屆)比賽中,Hall 成了雷射雷達供應商。最後一屆比賽中,6 輛完賽車輛中有 5 輛都用了 Velodyne 的雷射雷達。

為什麼對自動駕駛汽車來說雷射雷達非常重要?

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Uber 測試車用的還是旋轉式雷射雷達

在那之後,Velodyne 順理成章升級為雷射雷達市場的統治者。谷歌蒐羅了大量當年挑戰賽的參與者,創建自動駕駛部門後,就用上了 Velodyne 的雷射雷達,其他參與自動駕駛開發的公司也無一例外成了 Velodyne 產品的買主。

眼下,大多數自動駕駛汽車都會搭載三類傳感器:攝影機、雷達和雷射雷達。不過每個類型的傳感器都有自己的「長矛」和「軟肋」。

舉例來說,攝影機能捕捉高清晰度的彩色照片,但它沒有測距能力,在測量遠距離物體的速度上也差點意思。

雷達測距和測速能力都不錯,最近幾年其成本也在不斷走低。「當物體離車輛較近時,雷達效果確實不錯。」休斯頓大學雷達專家 Craig Glennie 解釋。「不過由於它使用的是無線電波,因此在遠距離情況下雷達細節不足。」

雷射雷達則兼顧了上述兩款感測器的優勢。與雷達一樣,雷射雷達測距能力非常強悍,有些雷射雷達也有測速能力。同時,其分辨率也比雷達要高,這就意味著它能偵測到更小的物體,並且分辨出這些物體是行人、摩托車或是垃圾堆。

與攝像頭不同的是,雷射雷達在任何光線條件下效果都不錯。

當然,雷射雷達也不是完美的,它最大的槽點,就是昂貴的價格。當時用在賽車上的 Velodyne 64 線雷射雷達價格高達 7.5 萬美元。直到近一兩年,它則開發出了體積更小、價格更便宜的 32 線和 16 線產品,不過最低價格也得 7999 美元。

去年年末,Velodyne 還推出了全新 128 線雷射雷達,雖然性能異常強悍,但 Hall 也對這款雷射雷達的價格三緘其口。

去年,Velodyne 宣稱拿到了福特的大單,它要開發一款新型固態激光雷達,一旦進入大規模量產,價格能拉低到 500 美元以下。不過,Velodyne 並未公佈福特詳細的採購量和採購價格,至於這款固態雷射雷達何時進入量產,現在還是未知數。

現在的 Velodyne 可一步也不能停歇,因為雷射雷達市場的競爭實在太激烈了。

固態雷射雷達的崛起
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對汽車製造商來說,零組件當然越耐用越好,因此帶有各種活動部件的雷射雷,達肯定在可靠性和價格上,無法做到盡善盡美,比如 Velodyne 的旋轉式雷射雷達。

鑒於這種原因,很多專家相信,雷射雷達想進軍主流市場,就必須切換成固態設計,不過這就需要新的裝置,將雷射發射到不同方向,以覆蓋車輛周邊環境。

眼下,研究人員拿出了三種主要的固態雷射雷達解決方案:
第一種是基於微機電系統(MEMS),整套系統只需一個很小的反射鏡,就能引導固定的雷射束射向不同方向。由於反射鏡很小,因此其慣性力矩並不大,可以快速移動,速度快到可以在不到一秒時間裡,跟蹤到 2D 掃描模式。

現在研發 MEMS 雷射雷達的主要有 Luminar 和 Innoviz 兩家公司。此外,名為 Infineon 的雷射雷達公司最近收購了 Innoluce,後者就是一家 MEMS 雷射雷達新創公司。去年 10 月,中國產的雷射雷達廠商速騰聚創,公佈了固態雷射雷達 MEMS(微機電系統)和 OPA (相控陣)固態雷射雷達最新研發進展。

MEMS 雷射雷達的一大優勢,是感測器可以動態調整自己的掃描模式,以此來聚焦特殊物體,採集更遠更小物體的細節資訊,並對其進行辨識,這是傳統機械雷射雷達無法實現的。

第二種雷射雷達採用相控陣設計,它搭載的一排發射器,可以透過調整信號的相對相位,來改變雷射束的發射方向。如果發射器同步發射雷射,雷射則會射向同一個方向。不過,如果左側發射器相位處在右側之後,雷射則會發射向左邊,向右發射同理。

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相控陣 LiDAR 工作原理

雖然原理簡單易懂,但大多數相控陣雷射雷達,現在依然待在實驗室裡。Efficient Power Converter 公司 CEO Alex Lidow 表示:「我不得不說,相控陣雷射雷達屬於未來,現在我們還停留在旋轉式或 MEMS 雷射雷達的時代,前者更是處於統治地位。」

說到相控陣雷射雷達,就不得不提 Quanergy,這家新創公司是 Strobe 公司的關鍵技術顧問,而去年 10 月份,Strobe 被通用收歸門下,因此通用可能也在攻關這項技術。

第三種是 Flash LiDAR,它運行起來更像攝影機。雷射束會直接向各個方向漫射,因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨後,系統會利用微型感測器陣列,採集不同方向反射回來的雷射光束。

 Flash LiDAR 的一大優勢是它能快速記錄整個場景,避免了掃描過程中,目標或雷射雷達移動,所帶來的各種麻煩。不過,這種方式也有自己的缺陷。

「像素越大,你要處理的信號就越多。將海量像素塞進光電探測器,必然會帶來各種干擾,其結果就是精度的下降。」卡耐基梅隆大學機器人專家 Sanjiv Singh 解釋。

當然,如果你對固態雷射雷達有更多興趣,2018 年 1 月 16 日,雷鋒網(公眾號:雷鋒網)新智駕將在矽谷舉辦 GAIR 矽谷智能駕駛峰會,我們邀請了重磅嘉賓如全球頂級的雷射雷達公司 Velodyne CTO Anand Gopalan 進行主題演講。他是 Velodyne 固態化與 ASIC 研發背後的「關鍵先生」。更多峰會信息點擊 https://gair.leiphone.com/gair/gairsv2018,敬請關注。

探測距離是車載雷射雷達的一大局限
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簡而言之,Flash LiDAR 沒有「遠視眼」,在實際使用中不適合遠程探測,而業內專家堅信,全自動駕駛汽車上搭載的雷射雷達,至少一眼就得看到 200 到 300 米外的物體。

現任福特公司高管的 Jim McBride ,2005 年時也組織了一支隊伍參加 DARPA 的自動駕駛大賽,在接受採訪時,他解釋了專家們做出這一判斷的原因。

McBride 先假設了一個場景,即自動駕駛汽車想在進入高速時匯入車流。「當時的車流至少有 100 km/h,也就是說車每秒就能跑 30 米。這樣的情況下,大多數車至少要花 6-10 秒鐘才能提升至 100 km/h,因此它們必須能在這一時間裡,看到自己周邊車輛的情況,即離自己 180-300 米的車輛。」

對任何雷射雷達系統來說,向 300 米外發射雷射,並探測其反射信號並不容易。各大製造商也使出吃奶的勁,找了一些增加雷射雷達探測距離的方法。

如今,大多數雷射雷達感測器的雷射,都處在近紅外線範圍內,一般廠家都會選擇  905 奈米這一波長。不過,它比較接近可見光的波長(紅光波長約為 780 奈米),而雷射會損害人眼,燒壞視網膜上的光敏探測細胞,因此 905 奈米雷射的功率受到嚴格限制。

為了避免傷害人眼,研發人員決定換用另一種波長的雷射。舉例來說,Luminar 公司就開發了使用 1550 奈米雷射的雷射雷達。由於它大大超越了可見光的範圍,因此對人眼來說要安全得多。

解決了安全問題,1550 奈米雷射雷達的功率,就能大幅提升。相關數據顯示,研究人員將雷射雷達功率提升了 40 倍,它探測遠端雷射信號的難度低多了。不過有得必有失,1550 奈米雷射和探測器很貴,因為它們製造時需要更多特殊材料。

除了提升雷射功率,我們還能透過增強探測器敏感度,來擴展雷射雷達探測距離。被福特高價收歸門下的 Argo AI ,去年收購了 Princeton Lightwave——一家用高敏感度探測器(單光子雪崩二極管)製作雷射雷達 的公司。

這種探測器相當敏感,適合頻率中一個光子,就能將其激活。
同時,這些高度敏感的探測器也不新鮮,在軍事和勘探領域已經使用多年了。去年,Princeton 就表示要將該技術引入汽車市場。

飛行時間(TOF)vs 連續波調頻
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在開發新一代雷射雷達時,廠商們還面臨第三種設計上的新選擇,即如何測算時間和距離。大多數雷射雷達直截了當用了飛行時間的方法。它會發射一條非常短的脈衝,然後用超級精確的計時器,來算出脈衝一去一回到底花了多少時間。

除了靠飛行時間來測算距離,一些廠商還開發了更為複雜的方法,並將其命名為連續波調頻(CWFM)。從命名就可看出,這種方法,會向目標發射連續的雷射光束,該光束會分成兩道光束,一道會飛向目標並反射回來,在飛行途中則會與另一道光束重組。

從雷射雷達發射出的雷射光束頻率會穩定成長,而從它分出來的兩道光束則飛行了不同的距離,重新結合後頻率會有所差別。這就生成了一個有差頻的干涉圖樣,研發人員能從中得出第一道光束的飛行距離。

這種方式有多個優點。首先,「連續波調頻雷射雷達根本不怕背景光的影響。」美國軍火巨頭洛馬公司的 Paul Suni 解釋。「傳統的飛行時間雷射雷達一旦遇到同頻率的其它光源,可能就會不知所措。」同時,CWFM 系統更為靈敏,即使面對強烈的眩光,也能正常工作。

這一點相當重要,因為未來自動駕駛汽車,普遍會搭載多顆雷射雷達傳感器,有大量雷射在空中飛來飛去,傳統的飛行時間雷射雷達肯定會受到干擾。

CWFM 還有個大優點,即可以將探測物體的距離和速度一網打盡。對此,Suni 解釋稱:「如果你的傳感器和路上的車輛間發生了相對運動,那麼信號就會發生多普勒頻移。如果你只測量一個頻率,就會出問題。」與其相比,CWFM 雷射雷達會對不斷成長和不斷降低的兩個頻率進行測定。透過計算,距離和速度問題就能迎刃而解。

眼下,在進行 CWFM 雷射雷達技術攻關的,是一家名為 Aeda 的新創公司,《紐約時報》還專門進行了報導。此外,上述提到的 Strobe 可能也在進行類似研發。

低價雷射雷達在路上了?
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*磷化铟晶圆

雷射雷達到底如何設計,恐怕各家公司,已經嘗試了各種可能的方案,但就連專家也不敢斷言,到底哪種設計能笑到最後。不過,所有人都信心滿滿地表示,未來幾年雷射雷達,將迎來大降價。

歷史無數次的告訴我們,原本高不可攀的產品,最終都會飛入尋常百姓家,前提是進行大規模量產。

Lidow 認為雷射雷達會重覆當年 ABS 的普及路線。「1979 年時,我就在通用開發 ABS。」Lidow 說。「當時,這套系統裝下來要 8000 美元,對消費市場來說實在太貴。不過,航空公司買得起。隨著 ABS 系統價格不斷下滑,連大卡車也享受到了這項新技術。別忘了,卡車可是有 18 個輪子。

幾十年後的今天,一套 ABS 硬體價格才 20 美元。

「我親眼見證了這場技術進化。」Lidow 補充道。「汽車公司恨不得省下一切不必要的成本,而雷射雷達系統,並不比當年的 ABS 系統複雜。」

Lidow 大膽預測稱,未來雷射雷達感測器價格,可能會降到 10 美元級別。

卡耐基梅隆的 Singh 也認為,雷射雷達大降價就在眼前。「計算器剛剛誕生時,也賣 1000 美元一台。隨著產量的提升,價格開始逐漸下滑,人們將各種零組件融合在了一塊晶片上。」

雷射雷達行業裡,這樣的故事也在發生,研究人員試圖將所有的傳感器零組件,塞進一塊晶片。

「我們的雷射雷達晶片來自 300 毫米晶元,如果能達到年產百萬級別,其生產成本就能降到 10 美元。」麻省理工研究人員 Chris Poulton 和 Michael Watts 在一篇論文中寫道。這種晶片用了光學相控陣技術,不需要機械零組件。

當然,現在年產百萬的目標很難實現,有分析師甚至警告稱,恐怕這樣的產品還得在實驗室多待幾年,才能真正進入消費市場。「所有公司都在試圖生產,能替代 Velodyne 雷射雷達的低售價固態產品,但恐怕沒那麼容易。」

除了量產上的挑戰,固態雷射雷達還有一個巨大的劣勢,那就是它相當有限的視場。

福特的 McBride 表示,相控陣系統「最多只能看到 50 度的場景」,現在還沒人能突破這一瓶頸,而 MEMS 的視場也只有 30 到 60 度。

這就意味著,想替代現在的頂置旋轉雷射雷達,至少要在車上安裝 6 到 12 個固態雷射雷達,固態產品的價格優勢便會蕩然無存。因此,現在就斷言機械雷射雷達將死還為時尚早。「一個旋轉的圓盤可不貴,而且別忘了,車裡會旋轉的機械零組件也不少,它們使用數萬公里也沒什麼問題。」Lidow 說。

不過,歷史的車輪滾滾向前,雖然想拉低雷射雷達售價,需要工程師的不斷努力,但這條路上並沒有什麼難以克服的困難,因此高品質雷射雷達售價跌到 1000 甚至 100 美元都是有可能的。

這就意味著,自動駕駛汽車的售價,最終能為普通消費者所接受。而在此之前,一台雷射雷達 7.5 萬美元的售價,就足夠讓人望而卻步了。

眼下,大量資本正在注入雷射雷達行業,為的就是開發出性能更強,價格更低廉的雷射雷達產品。

雖然現在我們無法預測雷射雷達廉價化的那一天,到底何時到來,但可以想見的是,原本是「天之驕子」售價,高高在上的雷射雷達會,隨著時間的流逝變得越來越便宜,性能也會越來越好。498181121 

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