隨著微機電系統(MEMS)、雷射技術、高科技材料等的技術進步,傳感器的研發呈現多樣化的趨勢,有的利用生物材料模擬人類皮膚,創新傳感器的觸覺;有的利用MEMS技術研發微型智慧化傳感器,從而有利於複雜系統的整合;有的利用高精度的雷射技術創造雷射光雷達,從而利於系統即時感知周邊障礙物與環境等等。
然而總體而言,傳感器的研發過程呈現兩階段的趨勢:
一、技術創新,根據未能滿足的需求開發新產品。在第一階段中,傳感器研發創新的方向源於智能裝備、創新設 備的需求,研發人員根據使用需求,創新出新型傳感器。
二、成本降低,應用落地,產品逐步切合產業化需求。在第二階段中,在研發創新的過程中,為了滿足人們 對於智慧裝備產業化應用的需求,研究人員從對技術開發的關注轉為對成本下降的關注,以實現傳感器大規模生產,智慧裝備產業化應用的願景。
3D雷射雷達就是這樣一種從功能創新中誕生,又開始進入商業化開發的傳感器。下面以雷射雷達為例,梳理傳感器典型的發展趨勢。
研發趨勢一:
技術向高階延展3D雷射雷達的出現,是為了滿足系統對於即時空間感知的需求而出現的,無人駕駛汽車、無人機等自主移動式機器人出於空間辨識、自主避障、規劃路線的目的,需要一個傳感器,能夠即時對於周邊環境進行掃描,從而獲知周邊障礙物,和道路的距離資訊,由此3D雷射雷達應運而生。
3D雷射雷達的研發過程本質上是雷射測距技術的升維,和實現的需求逐步升級的過程,雷射測距技術是3D雷射雷達的基礎。
最早雷射測距機的出現,解決了點到點一維距離測量的需求;然後2D雷射雷達的出現,解決了在一個扇形平面內感知接近物體的需求,測量的是平面內的距離;如今3D雷射雷達,通過高速變化雷射投射角度,對周邊環境實時掃描獲取距離資訊,解決了在三維空間內的障礙物和環境辨識需求,測量的是三維空間內的距離。
3D雷射雷達應用最熱門的領域,莫過於無人駕駛汽車,以3D雷射雷達為主導的無人駕駛感知系統,是當今無人駕駛領域採取的主流技術路線,但是3D雷射雷達的成本一直是此技術路線的痛點。
以生產3D雷射雷達最為知名的Velodyne公司的產品為例,三款產品按性能最高到底的售價分別為8萬美元、2萬美元、8千美元。
在無人駕駛汽車研發測試階段,包括谷歌、百度在內的科研機構一直採用8萬美元的版本進行測試,據瞭解,谷歌無人駕駛汽車的總成本約為30多萬美元,而該款64線型的3D雷射雷達HDL-64佔整車成本的25%。
研發趨勢二:
成本隨應用降低,經過了研發第一階段技術創新以後,成本過高是以3D雷射雷達為主的無人駕駛感知系統的主要問題,傳感器生產公司對於雷射雷達研發的關注點,從功能增強轉變為成本控制,由此進入了研發第二階段:降低成本以實現產業化應用。
在素有「電子消費領域科技風向標」之稱的2016CES大會上,雷射雷達科技企業Velodyne和Quanergy都展出了新型3D雷射雷達。Velodyne的Puck Auto和Quanergy的S3與之前相比都是小型化的改良產品。
Velodyne公司的Puck Auto採用32線雷射,掃描範圍達200米,可以認為是VLP-16的加強版,相比於VLP-16更加切合於無人駕駛汽車的使用需求,相比於另外兩款產品價格成本更低。
該公司已與福特公司達成合作意向,未來福特公司的無人駕駛汽車Fusion,將配置2台Puck Auto,並且Velodyne公司負責人稱他們將進一步降低產品成本,目標控制在1000美元以下。
Quanergy公司的S3是與德爾福公司合作開發的固態雷射雷達,採用8線雷射,內部無旋轉部件,可整合於整車內。在此前的報道中,Quanergy公司的CTO表示每台S3成本在200美元。
價格極低的原因,在於產品的配置,「8線」、「固態」這兩個特性決定了成本的有效控制。「固態」意味著不能360度轉動,只能探測前方,但探測範圍的不足,可以用數量來彌補,在車身四角佈置四台或六台S3,是德爾福無人駕駛汽車所探索的方案。
通過這兩個美國科技企業在2016CES上發佈的新產品,我們可以得知雷射雷達的技術特性,正逐步切合無人駕駛領域的產業化需求,去除測試階段的冗餘硬體配置後,成本有望大幅降低。
傳感器應用趨勢:同類結合、多種組合、場景創新
傳感器作為智慧裝備除人工設置參數以外的唯一輸入,其重要性不言而喻。傳感器感知外界環境的能力,決定了智慧裝備資訊輸入的準確性和豐富性。
對於傳感器的有效應用的創新,往往也是智慧裝備功能創新的基礎。智慧裝備對於傳感器的創新應用主要有以下三種趨勢:
同類傳感器結合使用,單一功能上的縱向深度結合
這種情況下,系統在單一功能上往往有著極高的需求,為滿足系統在單一功能上的高複雜需求,同類傳感器有機結合,形成的冗餘結構保證了系統在該功能上的安全性。
如無人駕駛汽車的感知系統,多種視覺、位置覺傳感器的有機結合,形成了相互補充的冗餘結構,從而保證了系統能夠正確、高效地實時感知外界環境,做出正確駕駛決策。
此時,傳感器之間在功能上往往有著主導和輔助的區別和聯繫,起主導作用的傳感器是產品實現的核心技術壁壘。
多種傳感器組合使用,多種功能上的橫向廣度組合
為滿足系統多類型、多層次的輸入輸出需求,多種類型的傳感器創新組合,形成智慧裝備的多種感覺,根據多種感覺形成智能反饋。
如情感交互性機器人Pepper以及其他陪護型、早教型機器人等,多種感官的組合形成了視覺、位置覺、聽覺等情感感知系統,再通過內部的人工智慧算法形成智慧反饋。
此時,硬體之間不存在主次之分,系統和算法晶片也同樣發揮重要作用。
新型傳感器應用於傳統設備,賦予設備智慧化的生命力
新型智慧傳感器應用於傳統設備,賦予傳統設備「感覺」,從而升級為智慧設備。如雷射雷達與掃地機器人的結合,形成了路徑規劃式的掃地機器人;血壓傳感器、心率傳感器、位置傳感器和手錶、手環的結合,形成了集各種健康監控功能於一身的可穿戴式設備等。
這種情況下,由於傳統設備本身具備需求,因此是主要一種存量市場的滲透替換現象,而新型傳感器應用帶來的效果改進具有明顯的消費者基礎。
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