現在的智慧駕駛為什麼熱衷於新增鐳射雷達作為感測器?

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本文來自微信公眾號 “Vehicle”(ID:VehicleEngineering) ,作者:Pirate Jack,36氪經授權釋出。

鐳射雷達上車不是什麼新奇的事情了,《 通過廣州車展-看自動駕駛鐳射雷達 》中可以看到目前將近20款智慧駕駛的乘用汽車宣佈採用鐳射雷達,單車的鐳射雷達數量多達4個。而截至到發文前在中國市場你至少可以買到三款車是帶鐳射雷達的,分別是小鵬P5,蔚來ET7,北汽極狐華為版。 

估計很多人跟我一樣好奇,這些車為啥要用鐳射雷達?到底把鐳射雷達裝在哪裡?他們分別可以實現哪些功能?未來的應用會是什麼樣的趨勢?所以本文將根據如下部分進行分析:

  • 用鐳射雷達能解決什麼痛點

  • 當前市場上鐳射雷達放置的位置有哪些

  • 當前鐳射雷達放置位置與其智慧駕駛功能路徑的關係

  • 未來鐳射雷達的應用趨勢和難點

希望能給大家一些觀點和啟發。

用鐳射雷達能解決什麼痛點

通過廣州車展-看自動駕駛鐳射雷達 》裡面詳細介紹了鐳射雷達的原理以及優點,這裡我借用蔚來ET7上面圖達通的鐳射雷達廣告和之前智慧駕駛相關事故來簡單概括下現在智慧駕駛為什麼熱衷於新增鐳射雷達作為感測器。

圖片來自《智慧駕駛要用多少個鐳射雷達?分別放在哪裡?什麼作用?》一文

典型的,蔚來汽車,小鵬汽車以及特斯拉都有過高速上撞上靜止車輛的問題爆出,這裡我們不去探討誰對誰錯,但是可以肯定一點的是蔚來汽車和特斯拉在其功能使用中都提醒了,當前功能僅僅為輔助駕駛,駕駛員需要對自己駕駛負責。但現實當中人很容易依賴和僥倖心理。 但智慧駕駛其實在僅僅依靠視覺AI 以及雷達的智慧駕駛的世界裡面,由於各自的缺點還是會導致可能出現的問題 。 

首先計算機視覺AI系統,他的識別是基於他們接受過訓練的事物。在路上看到卡車的車頂並不常見,橫在馬路上的卡車可沒有幾臺。所以 特斯拉的影象分類器可能沒有對橫在路上的卡車進行廣泛的訓練,就直接忽略了 。另外一種可能例如我們之前文章《 智慧汽車要用多少個攝像頭?分別幹啥?什麼原理? 》,當前 智慧汽車攝像頭大部分採用RCCB,也就是相機的曝光可能設定得太亮,而明亮的白色卡車只是一個曝光過度的斑點 。 

最後一個就是雷達,一般來說,特斯拉的雷達會受到這輛卡車的強烈反射。但是,這些雷達回波表明卡車是靜止的物體,就像路中間的樹籬一樣,它也會給出雷達回波。所以汽車的雷達由於對於精度以及邊緣的缺陷一般都會在標定的時候去忽略掉固定物體反射回的波,這也就是為什麼我們常說 汽車雷達不認識靜止的物體

所以通過上面的各類事故問題分析,其實可以明白攝像頭存在對光線高度依賴,無法感知3D資訊的問題,雷達存在低精度等固有感測器特點問題。

鐳射雷達的優點

但是生活當中道路環境情況的複雜度非常高,光線問題中光線炫目可能發生在早上,晚上甚至路面積水反射等,還有如果需要夜晚支援安全的智慧駕駛,那麼對於攝像頭是比較致命。另外對於靜止物體,例如高速上掉落的輪胎等,都是有可能的,而且這種可能發生時如果駕駛員依賴智慧駕駛,那麼可能就會出現事故。而為人類安全而舒適的智慧駕駛,必須要關注各種極端情況,防止人類由於採用這類技術而產生的傷害。

所以 鐳射雷達相比攝像頭不是基於光線,同時鐳射相比雷達解析度更高等技術特點讓其很好的彌補他們的缺點。不受光影響,解析度高,支援3D立體,點雲還支援AI 演算法等優點 ,所以讓鐳射雷達非常受智慧駕駛特別是高階智慧駕駛的青睞。

當前市場上鐳射雷達位置

目前市場上智慧駕駛汽車宣佈以及使用鐳射雷達的汽車至少16個品牌,超過19款車,這些還未投產的車都在近兩年內上市。

智慧駕駛鐳射雷達應用情況

其實鐳射雷達的佈置和攝像頭佈置應該是類似,環繞車輛360°的視場覆蓋,但是鐳射雷達目前幾個點導致和攝像頭佈置有差異:

第一個是價格貴。雖然現在價格已經親民了,相比之前的幾千美金一個,現在各家都目標做到200美金,但其實當前鐳射雷達價格單顆都在500到1000美金,所以不可能像攝像頭單顆10到幾十美金的價格那樣,可以安裝十幾個,成本不允許。

第二個是體積大。當前不少鐳射雷達是MEMS技術,比如說速騰M1,或者是轉鏡式結構,比如禾賽AT128,由於其內部收發裝置結構複雜,體積大都相當於幾個前視攝像頭盒子那麼大,所以其體積也不允許。當然我們也看到市面上有釋出flash鐳射雷達的產品,得益於flash的晶片化設計,體積應該有明顯優化。其他的還包括其效能例如碰撞保護,表面防汙,散熱等都影響他的佈置。所以當前釋出的鐳射雷達安裝都是外露式的,安裝位置比較固定主要為:

  • 車頂,主要是為了前視的看的遠。

  • 車頭前保險槓,主要是為了前視的看的遠也兼顧。

  • 前保以及翼子板兩側,主要是為了兼顧側向視角。

講到了位置那麼必須要考慮他的FOV (Field of View)視場角了,畢竟感測器講究的就是要看的遠和看的廣,下圖借用Robosense的MI宣傳資料可以很直觀的表達FOV,他包括兩個部分一個水平視場,一個垂直視場。

Robosense的MI宣傳資料

目前視場大部分主流的鐳射雷達10%反射距離都在200m左右,目前主流的FOV ,水平基本都為120°,垂向基本為25°左右。

鐳射雷達視場FOV示意

根據我之前總結的當前鐳射雷達佈置的位置,我用圖大概表達他的安裝位置以及視場角,那麼這樣的佈置以及優缺點呢?他們到底用來做什麼呢?其實每一種佈置方式都隱含了他的功能,和他想要實現的東西,汽車設計是一項藝術,智慧汽車設計也是一樣,所以下面讓我們看看這些鐳射雷達佈置以及他想要實現什麼樣的功能。

當前鐳射雷達位置與其智慧駕駛功能路徑的關係

根據目前三家已經上市配置鐳射雷達汽車企業的宣傳資料我們可以試圖去窺探他們放置的位置以及思路。

汽車企業鐳射雷達放置對比

其中 蔚來當前的策略是放置在頭頂部位 ,顯然放在這個部位是著重前方視野看的遠,這個其實看其宣傳材料也明白,其採用的鐳射雷達點雲探測最遠達500m,看得遠那麼一般用於滿足高速場景的需求,只有看得遠,儘早探測到前方目標物,才能給在高速上飛馳的智慧駕駛汽車留出足夠多的反應和決策時間。估計蔚來也是考慮到高速場景撞車是多麼恐怖的事情,所以用鐳射雷達來補盲,同時也用來應對前方光線強烈以及閃光的。根據其鐳射雷達引數10%反射率250m探測距離,FOV 水平 120°,垂直25°來看,目前主要思路是用於高速場景極端環境的補盲。 

小鵬在其P5以及G9上鐳射雷達的佈置方式差不多,在前保險槓左右各佈置1顆。根據其採用鐳射雷達的引數,10%反射率探測距離150m,FOV 水平 120°,垂直25°,那麼他的前向水平視野肯定是超過120°,甚至可能超過180度。這種佈置方式可能是考慮高速和城市駕駛場景應用的折中選擇。

北汽極狐華為版佈置前向一個,左右翼子板各一個。根據其公佈的產品資訊,引數都和小鵬的相差不大,10%反射率探測距離150m ,FOV 水平 120°,垂直25°,但是他在車頭三個方位的佈置方式可能讓其前方視野超過270°。這樣的話可以更好應對多種高速以及城市場景,但是這樣一套用3顆前向鐳射雷達的方案,成本肯定不菲,也難怪極狐的阿爾法S的高配版定價已經超過40萬,上市之後遲遲不公佈預定數量,應該是立技術flage的作用大於銷量。

鐳射雷達視場FOV示意

顯然以上的推測還是無法跟現實聯絡起來,這個時候我們必須要結合各家釋出的智慧駕駛功能以及規劃來看。其實熟悉我們之前文章《 視覺為王-小鵬以及特斯拉的自動駕駛方案 》的話肯定熟悉這張圖片,通用自動駕駛功能總體大的發展路徑圖,為什麼會是這樣一個發展趨勢呢,其實是跟環境複雜度,危險係數來看的。而且如果你關注各個品牌的智慧駕駛發展時間其實也是這麼來的。

自動駕駛功能發展路徑

  • 首先開始的是低速泊車場景,這個應該是在十年前左右就有了,例如最開始自己尋找車位泊車,到最近發起的停車場學習記憶泊車。 當然其技術細節肯定也是不斷髮展的。

  • 接著是高速導航服務,這個是在2020年左右蔚來、小鵬推出。

  • 現在就是城市導航服務推出的時間,根據小鵬的規劃,其Xpilot 3.5將在帶鐳射雷達的車輛上推出,也就是其小鵬P5和G9,另外極狐帶鐳射雷達的華為版也在其上推出城市巡航服務。

所以我們根據釋出的資訊來推測蔚來,小鵬,極狐華為版本是否根據這個路徑來規劃其智慧駕駛,以及鐳射雷達與智慧駕駛路徑的關係?

小鵬智慧駕駛路徑規劃

從P5開始,小鵬通過安裝在其前保左右兩側的鐳射雷達,實現其Xpliot 3.0 以及3.5的兩項特殊功能,跨樓層停車場記憶泊車和增強版ACC/LCC,增強版ACC/LCC 在大麴率彎道、識別錯位路口、遇靜止物體繞行、應對車輛切入、防加塞以及加減速體驗都有新的升級。車道居中也是大大增強,可以看 出鐳射雷達不僅僅能夠精準識別靜止和動態物體,更能幫助車輛擁有複雜路況車況與密集交通的快速應變能力 。 

小鵬P5 ACC-L/LCC-L宣傳圖

而這一切離不開其鐳射雷達的的應用以及佈置方式,佈置在前保左右兩側,實現前向超180°的探測角度,憑藉鐳射雷達高分辨,三維成像等優點,可以識別靜止物體,通過AI 可以識別馬路牙子,識別擁堵條件下的切入加塞等。而這些正是城市道路智慧駕駛的複雜所在。所以小鵬基於鐳射雷達推出增強版ACC/LCC 正是為了通向其Xpilot 3.5中城市領航輔助服務做準備。

小鵬汽車前保險槓兩側的佈置方案, 算是成本考慮下同時兼顧前方和左右視角。顯然是兼顧高速駕駛以及低速泊車以及城市駕駛的折中方案 。 

所以大概可以總結當前鐳射雷達應用的蔚來,小鵬,極狐三家當前鐳射雷達位置與其智慧駕駛功能路徑的關係,當然這三種方式也正好代表三種思維。

蔚來汽車的頭頂佈置方式當前主要是為了確保高速安全穩健性。但蔚來此套方案配置超遠距的前視鐳射雷達,先確保其高速巡航的優秀,等待側向補盲鐳射雷達供應鏈完善,可以快速整合進行配置升級,以支援高階城市智慧巡航,也同樣追尋智慧駕駛發展的路徑。

極狐華為版,三個鐳射雷達,左右側面翼子板的佈置,可以最大程度確保前方以及側面的視角,所以從雷達佈置的水平覆蓋視角來看的話,極狐華為版是領先的,支援高速以及城市地圖巡航輔助,也能夠實現多樓層的記憶泊車,所以華為算是一次把硬體辦齊活了。

但是當前採用多個鐳射雷達配置的主機廠,安裝在不同位置的鐳射雷達引數基本相同,沒有根據功能需求進行專用化設計,例如側向補盲的也採用和前視一樣的垂直視場角都差不多為25°的鐳射雷達,事實上, 作為側向補盲這種小角度垂直FOV在近距離的探測時存在覆蓋不到的區域 ,那麼對於城市中寵物等小型物體在駕駛時候的突然出現存在識別不到的風險,同時也對城市巡航、泊車定位、環境偵察定位產生盲點。當然這也是由當前供應鏈決定的,目前市場上還沒有正式量產的大垂直FOV的補盲鐳射雷達。 

所以高階智慧駕駛特別是要邁過L2++這道坎必須要配備鐳射雷達,同時未來隨著鐳射雷達產品線的豐富,鐳射雷達產品序列會多樣化,不再一個車幾個雷達都是一種型號或種類, 例如前視佈置一個長距用來監控前方保障高速巡航安全,然後兩邊各佈置一個用於近距離寬垂直視場角補盲用來應對低速記憶泊車以及城市智慧駕駛的方式組合 。 

鐳射雷達應用的趨勢和難點

有時候談技術以及應用的發展,到底是技術在前還是應用在前,類似於先有雞還是蛋的關係,但可以肯定是在汽車行業裡面是技術促進應用創新,應用催生技術繁榮發展,車載鐳射雷達類似。當前車載鐳射雷達主要為:

  • 旋轉的鐳射雷達(當前主流Robotaxi的測試車輛多為旋轉式)。

  • MEMS微機械,轉鏡(當前主流乘用車鐳射雷達都為MEMS)。

  • 純flash的全固態鐳射雷達(從新興技術開始轉換為產品,晶片大廠都在佈局)。

  • FMCW調頻連續波鐳射雷達。(前瞻技術,目前沒有成熟應用)

前兩種雷達其實都沒有擺脫運動部件,所以會存在體積,外觀等限制。他的佈置顯然要考慮美觀還有更多的空間散熱、碰撞保護等需求。另外零件壽命和易損程度也會相對快一些。後兩種為電子鐳射雷達,電子由於沒有機械零件,車載可靠性會更高,同時由於沒有機械零件所以從輕量化以及體積來說都相對較小,佈置會更靈活,但目前在能耗以及技術產業鏈方面還在前進。

圖片來自Sense的鐳射雷達技術發展路線

但不管如何,鐳射雷達的輕量化,晶片化,電子化會是一個趨勢。有了這些的支撐,鐳射雷達的佈置會更加的靈活,應用更加容易和廣泛,產業繁榮促使價格更加的親民。

應用方面,不但如上文中提到的國產主機廠激進應用,而且日本本田,德國的賓士都開始推進其帶有鐳射雷達的L3自動駕駛的車型上路,鐳射雷達的應用肯定是更加豐富多彩,同時應用會根據不同功能和場景的需求產生多樣化產品,例如高速場景需要長距但FOV 可以不用那麼寬廣的,這一塊是目前鐳射雷達的紅海,非常多產品集中在這裡,例如上文圖表中19款車使用的;而低速的泊車以及城市擁堵場景,可以不需要那麼長距的但是FOV的橫向和縱向都需要寬的,而這又會催生補盲鐳射雷達的種類發展(這會是當前的一個藍海,如果存在價格以及FOV等優勢的補盲產品必然會有大量的應用需求)。

所以隨著鐳射雷達的應用越來越廣泛,鐳射雷達產品技術以及應用會越來越繁榮,多種選擇多種應用。 那麼最終對於鐳射雷達的應用會和其他類似於攝像頭,雷達等感測器應用一樣,根據自身產品和配置的需求在檢測精度、探測距離、FOV的需求、功率和成本限制、魯棒性和可靠性,拓展延續性等實際引數之間選擇和調和,成為一門科學的藝術

參考文章以及圖片

如何為 SLAM 選擇最佳 3D 鐳射雷達 - kudan Global

特斯拉在臺灣直接撞上翻倒的卡車分析 - Brad Templeton

可變垂直視野鐳射雷達用於自動駕駛汽車的優勢 -georgehelser

Wide Open LiDAR Eyes - Dima Sosnovsky

Lidar’s Fourth Generation: No More Compromises - Sense Photonics