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- 自動(dòng)駕駛背后的傳感器終局猜想
- 來(lái)源：峰瑞資本 發(fā)表于 2021/3/8
文|峰瑞資本 楊永成
近幾年，自動(dòng)駕駛始終是一個(gè)熱門話題。百度、華為主打L4技術(shù)，小鵬、蔚來(lái)等造車新勢(shì)力比拼自主泊車與ADAS（高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)）的推送更新，蘋果雖未官宣，但也在研發(fā)無(wú)人駕駛技術(shù)。就此方向，峰瑞資本進(jìn)行了大量的研究和討論，并在投資實(shí)踐中布局了10余個(gè)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及上下游項(xiàng)目。
過去幾年，我們對(duì)自動(dòng)駕駛行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)的基本判斷，主要是以下幾點(diǎn)：
自動(dòng)駕駛是汽車行業(yè)的未來(lái)，對(duì)這一點(diǎn)要充滿信心，但技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展是循序漸進(jìn)的，需要花大量的時(shí)間驗(yàn)證、發(fā)展，才能到達(dá)L3、L4水準(zhǔn)。
L3指有條件的自動(dòng)化；L4指高度自動(dòng)化，具體可參照SAE汽車工程師學(xué)會(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的分級(jí)。按照北美標(biāo)準(zhǔn)，可能未來(lái)要發(fā)展到Level5，才能實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)中、無(wú)需方向盤的全無(wú)人駕駛。
傳感器會(huì)早于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完善前上車，并且會(huì)從輔助駕駛開始切入，逐漸積累數(shù)據(jù)、優(yōu)化系統(tǒng)和技術(shù)，由簡(jiǎn)入難，由輔助、半自動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)高度自主、自動(dòng)駕駛的L4級(jí)別。
傳感器維度，始終相信多傳感器融合是自動(dòng)駕駛的最合理配置，主要傳感器有攝像頭視覺、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)。
從過去幾年自動(dòng)駕駛發(fā)展的情況看，大量量產(chǎn)汽車已經(jīng)或多或少具備了輔助駕駛能力，少數(shù)品牌甚至有了L3、L4 等級(jí)的嘗試，各種傳感器也開始配置到量產(chǎn)車上，不僅有視覺攝像頭，還有毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。在這篇里，我們就自動(dòng)駕駛所涉及的傳感器做一些分析，希望能提供新的思考角度。
自動(dòng)駕駛——多傳感器融合背景下的OPA激光雷達(dá)
關(guān)于自動(dòng)駕駛的傳感器配置，業(yè)內(nèi)主要分歧是：技術(shù)趨勢(shì)到底是單獨(dú)視覺攝像頭，還是攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)多傳感器融合。
這個(gè)問題之所以很熱，又很有爭(zhēng)議性，首先在于，自動(dòng)駕駛技術(shù)是一個(gè)龐大的軟硬件高度融合的技術(shù)生態(tài)。任何一種傳感器的選擇，不是獨(dú)立的硬件選擇，它涉及配套的軟件、算法還有大規(guī)模的AI相關(guān)的數(shù)據(jù)積累，是牽一發(fā)而動(dòng)全身的技術(shù)生態(tài)的選擇。所以，任何一個(gè)硬件傳感器的引入，都需要投入大量配套的軟硬件技術(shù)，以及長(zhǎng)期的大數(shù)據(jù)積累，要慎之又慎。
另外，提起傳感器配置方案的爭(zhēng)議性，則少不了特斯拉對(duì)單獨(dú)攝像頭方案的堅(jiān)持，還有馬斯克對(duì)技術(shù)輿論的引導(dǎo)。依據(jù)公開報(bào)道，馬斯克曾直言，特斯拉的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)過去和未來(lái)都不會(huì)用激光雷達(dá)。根據(jù)財(cái)經(jīng)網(wǎng)的報(bào)道：“特斯拉CEO馬斯克曾經(jīng)表示，激光雷達(dá)就像人身上長(zhǎng)了一堆闌尾，闌尾本身的存在基本是無(wú)意義的；任何依賴激光雷達(dá)的公司都可能無(wú)疾而終。”
01 路線之爭(zhēng)：為什么多傳感器融合未來(lái)比單獨(dú)攝像頭更合理？
要想分析清楚自動(dòng)駕駛傳感器的配置問題，回答為什么多傳感器融合未來(lái)比單獨(dú)攝像頭更合理，我想至少應(yīng)該先回答以下兩個(gè)問題：
斯拉為什么堅(jiān)持單獨(dú)攝像頭方案？
首先，我們要清楚特斯拉是個(gè)汽車品牌廠，或者叫整車廠。特斯拉在汽車產(chǎn)業(yè)鏈的整體定位是整車集成，即選擇汽車行業(yè)龐大供應(yīng)體系（Tier 1）里適合自己整車產(chǎn)品定義的汽車組件，比如電機(jī)、電控、機(jī)械結(jié)構(gòu)、多媒體等，最后組裝、生產(chǎn)成汽車。
特斯拉 Model S 車型的傳感器方案（圖片來(lái)源：特斯拉官網(wǎng)）
從這個(gè)維度看，特斯拉對(duì)汽車配件和技術(shù)維度應(yīng)該是“拿來(lái)主義的“和“中立的”。那為什么特斯拉會(huì)反對(duì)多傳感器，特別是激光雷達(dá)呢？
問題可能出在激光雷達(dá)本身：一個(gè)是技術(shù)還不完善，特別是能生產(chǎn)符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的真正固體的激光雷達(dá)的企業(yè)暫不具備量產(chǎn)能力，另一個(gè)問題是激光雷達(dá)的價(jià)格還沒有低到合理、普適的位置。一言以蔽之，還沒有合適的激光雷達(dá)可以上車量產(chǎn)。
由此，假定我們站在特斯拉和馬斯克的角度來(lái)思考：作為自動(dòng)駕駛汽車品牌的領(lǐng)導(dǎo)者和自動(dòng)駕駛概念的最大商業(yè)受益者，特斯拉已經(jīng)有一套視覺攝像頭方案量產(chǎn)，獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可，同時(shí)積累了大量的數(shù)據(jù)；作為攝像頭自動(dòng)駕駛最成功的商業(yè)案例，特斯拉對(duì)單獨(dú)攝像頭方案充滿信心，并輸出這個(gè)信心給市場(chǎng)和用戶，是完全必須和應(yīng)該的邏輯。相反，如果這個(gè)時(shí)候站出來(lái)說多傳感器融合，多少有可能被“誤讀”成單獨(dú)攝像頭方案還有些許缺陷和不足，將來(lái)需要其他傳感器來(lái)補(bǔ)充。
對(duì)于汽車這種長(zhǎng)生命周期的產(chǎn)品而言，這種信息導(dǎo)向，很可能打擊一些潛在用戶的買車欲望，而客觀上市場(chǎng)上又確實(shí)沒有性價(jià)比足夠高的固態(tài)激光雷達(dá)可以供特斯拉采用，作為一個(gè)成熟、務(wù)實(shí)的著名汽車廠，這顯然是特斯拉時(shí)下不希望看到的“死循環(huán)”局面。
▍既然人類可以只靠肉眼這樣單一傳感器完成汽車駕駛，為什么AI不能通過視覺攝像頭完成自動(dòng)駕駛？
要想回答這個(gè)問題，我們還要對(duì)人眼的視覺識(shí)別進(jìn)行稍微深入一點(diǎn)兒的分析。
首先，人眼的視覺是個(gè)高度智能化、自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng)，具有定焦、對(duì)焦、變焦、多區(qū)域視覺等等功能。
比如駕駛過程中，我們的視線會(huì)在遠(yuǎn)景、近景切換焦距和成像，并且在即便是近景的情況下，對(duì)遠(yuǎn)景的目標(biāo)，特別是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也具備檢測(cè)功能，從而在遠(yuǎn)處有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)候，通過調(diào)整眼球晶狀體將成像面快速切換到遠(yuǎn)距離目標(biāo)。
與此同時(shí)，我們對(duì)于需要特別關(guān)注的目標(biāo)，比如路面障礙物，我們可以“定睛一看”，進(jìn)行特定區(qū)域的細(xì)致成像，提供局部目標(biāo)視覺分辨率。
此外，我們還可以通過頸部、頭部的動(dòng)作，調(diào)整我們眼睛的視角和視覺范圍，避免視覺死角，同時(shí)把視網(wǎng)膜有限的成像分辨率用在特別關(guān)注的目標(biāo)區(qū)域的成像。
我們還有高度智能化、自動(dòng)化的瞳孔“光圈”，控制眼睛的進(jìn)光量，適用于不同的外界光照情況。
而車載自動(dòng)駕駛電子攝像頭，基本都是固定焦距、固定FOV、固定光圈、固定位置安裝的，完全不具備人眼的自動(dòng)化和靈活性。這也解釋了為什么人類可以兩只眼睛“包打天下”，而自動(dòng)駕駛要用十幾個(gè)甚至二十幾個(gè)攝像頭的原因。
舉個(gè)例子，安裝在車頭位置的前向攝像頭就需要配置多個(gè)，用以負(fù)責(zé)近距離、中距離，遠(yuǎn)距離的視覺成像。之所以采用多攝像頭分工，而不是采用人眼這種“通用”攝像頭，除了成本的考量之外，關(guān)鍵還是要實(shí)現(xiàn)人眼類似的智能化、自動(dòng)化，必然使用大量電機(jī)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、控制部件，比如調(diào)整焦距的電機(jī)，在汽車這種使用環(huán)境里是非常有技術(shù)挑戰(zhàn)的。原因是，汽車的使用環(huán)境高低溫工作范圍大，運(yùn)動(dòng)與震動(dòng)強(qiáng)烈，而無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間要求很長(zhǎng)。
小結(jié)一下，由于汽車使用環(huán)境的嚴(yán)酷性，大家最終選擇了“固態(tài)”攝像頭，而當(dāng)前這個(gè)“固態(tài)”攝像頭的智能化、自動(dòng)化、靈活性水平，和人眼相對(duì)比還有很大的差距。
另外，在測(cè)量距離這個(gè)指標(biāo)上，攝像頭視覺甚至包括人眼，對(duì)比起激光雷達(dá)都有巨大的劣勢(shì)。因?yàn)閺墨@取距離（深度）信息的原理上，不同于激光雷達(dá)的直接測(cè)量法，視覺測(cè)距的實(shí)際精度和準(zhǔn)確性都與被測(cè)物體，以及背景圖像的特點(diǎn)有很大的相關(guān)性，這種測(cè)距原理，在特殊的背景和目標(biāo)場(chǎng)景下，就有可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)距算法失效的可能性。而人眼還可以通過歪歪頭等“機(jī)械”動(dòng)作，調(diào)整一下視角，獲取不同角度的圖像，提高三角測(cè)距法的準(zhǔn)確性。
即便如此，人眼對(duì)距離感知，對(duì)低照度也有先天的不足。好在從進(jìn)化論的角度，人眼的視覺能力足以“應(yīng)付”我們進(jìn)化歷史上漫長(zhǎng)的“靠腿運(yùn)動(dòng)”的“低速” 時(shí)代。而汽車這種高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)器誕生的時(shí)間，與人類的歷史相比極其短暫。
那么，在人類的視覺還沒有進(jìn)化出（或許也不可能進(jìn)化出）新的傳感器功能之前，我們借用一下激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)這樣有專長(zhǎng)的傳感器測(cè)測(cè)距離，也許是合理和聰明的選擇。就像我們?cè)跊]有野生動(dòng)物夜視能力的情況下，可以借用手電筒、汽車大燈，來(lái)走暗夜中的漫漫長(zhǎng)路一樣。
所以，多傳感器融合對(duì)自動(dòng)駕駛應(yīng)該是一個(gè)合理和幾乎必然的趨勢(shì)。至于哪種傳感器在自動(dòng)駕駛算法上起的的作用更大，可能不是傳感器企業(yè)最關(guān)心的事情，而是做算法的人更關(guān)心的事情。
02 傳感的原理：攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)
談到自動(dòng)駕駛的多傳感器融合，主要的還是攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。關(guān)于這三種傳感器的大致特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，行業(yè)里有很多討論，我們就不贅述了。
需要補(bǔ)充一點(diǎn)的是，從傳感的原理上，攝像頭和激光雷達(dá)本質(zhì)上都是光學(xué)成像。攝像頭主要是可見光成像，可借助陽(yáng)光、路燈、車燈等光源，更容易獲得比較高的平面分辨率；而激光雷達(dá)使用自己的專用光源，通常是不可見光的紅外激光光源，優(yōu)勢(shì)在于獲得目標(biāo)距離（深度）的信息；也因?yàn)榧す饫走_(dá)使用自帶的紅外激光光源，具有窄帶光譜的特性，天生比自然光成像具有更好的抗干擾性。
同時(shí)，因?yàn)樽园l(fā)光激光光源的相干性特點(diǎn)，可以采用光通訊行業(yè)長(zhǎng)期積累的相干接收的技術(shù)成果，獲得更高的信噪比，在測(cè)距的同時(shí)獲得更多的測(cè)量數(shù)據(jù)，比如目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，這也是行業(yè)里看好調(diào)頻連續(xù)波(FMCW) 技術(shù)的主要原因。
而毫米波雷達(dá)使用的是不同于光頻譜的無(wú)線電波，在雨、霧、霾等惡劣氣候下有非常明顯的優(yōu)勢(shì)作用。但目前毫米波雷達(dá)在平面分辨率和距離分辨率上還不如攝像頭和激光雷達(dá)。毫米波雷達(dá)如果要提高以上兩個(gè)分辨率，需要使用更多的通道和天線單元，加大通訊帶寬，提高射頻頻段，這需要新的技術(shù)努力，并且在成本控制上也會(huì)有新的挑戰(zhàn)。在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，也不乏創(chuàng)新者，比如峰瑞資本投資的加特蘭微電子，主攻CMOS工藝毫米波雷達(dá)芯片開發(fā)與設(shè)計(jì)，在全球范圍內(nèi)率先量產(chǎn)汽車級(jí)CMOS工藝77/79GHz毫米波雷達(dá)射頻前端芯片。
激光雷達(dá)是最晚進(jìn)入汽車行業(yè)、同時(shí)也是討論熱度最高的傳感器。從全球領(lǐng)先的激光雷達(dá)公司Velodyne多線機(jī)械掃描雷達(dá)開始，眾多創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)嘗試了MEMs激光雷達(dá)、Flash（TOF）面陣成像、OPA相控陣激光掃描等多種技術(shù)方案。
努力的方向是兩個(gè)：一是降低成本，二是盡力減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)固態(tài)激光雷達(dá)，以滿足汽車惡劣的工作環(huán)境和超長(zhǎng)的無(wú)故障工作時(shí)間要求。
03 激光雷達(dá)：ToF、OPA之爭(zhēng)
從技術(shù)維度看，F(xiàn)lash（TOF）面陣成像和OPA相控陣技術(shù)方案無(wú)疑是更接近理想固態(tài)構(gòu)架的方案，因?yàn)樗鼈兌际腔诎雽?dǎo)體芯片技術(shù)。
而MEMS技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical System，也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等）雖然也使用半導(dǎo)體工藝和技術(shù)，但由于在芯片內(nèi)部使用了微電機(jī)構(gòu)建的振鏡作為激光束控制方向的部件，本質(zhì)上還是包含一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)想在微小尺寸的振鏡上實(shí)現(xiàn)線性很好的掃描線控制和大的掃描角度也面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。
Flash（快閃）激光雷達(dá)技術(shù)是最接近攝像頭技術(shù)的方案，可以利用攝像頭行業(yè)很多成熟的技術(shù)和工藝成果。但是，由于Flash激光雷達(dá)使用面陣的光源，由于人眼安全標(biāo)準(zhǔn)等現(xiàn)實(shí)限制，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)更適用近距離、中距離的應(yīng)用場(chǎng)景。蘋果在2020年推出的iPad Pro上使用了激光雷達(dá)，在掃描方式上，蘋果選擇的是Flash方案。激光雷達(dá)利用直接飛行時(shí)間 (dToF)，測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來(lái)的光。單光子dToF技術(shù)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)（LiDAR）小型化、低成本、可量產(chǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
峰瑞資本投資的南京芯視界微電子，正是以光電轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)和單光子檢測(cè)成像技術(shù)為核心，提供單光子dToF三維圖像傳感芯片、大數(shù)據(jù)中心超高速光電互聯(lián)芯片及系統(tǒng)解決方案的公司。
OPA激光雷達(dá)是被行業(yè)最寄予厚望的技術(shù)方向。它的原理是，通過控制納米天線陣列中每個(gè)天線的發(fā)射信號(hào)相位，使得不同天線單元的信號(hào)互相干涉，從而控制輸出的激光束的方向。它是原理上最接近射頻頻段相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)芯片化，將是目前能看到的最理想的純固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)路線。
除了純固態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，由于OPA激光雷達(dá)是由電信號(hào)完全控制激光掃描方向，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)掃描角度范圍，對(duì)目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行全局掃描或者某一區(qū)域的局部精細(xì)化掃描，一個(gè)激光雷達(dá)就可能覆蓋近距離、中距離、遠(yuǎn)距離的目標(biāo)、距離探測(cè)，如果和FMCW技術(shù)相結(jié)合，還可以直接提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。
換句話說，OPA激光雷達(dá)沒有采用任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，卻實(shí)現(xiàn)了類似人眼視覺的機(jī)動(dòng)性、靈活性。
由于OPA技術(shù)的先天優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外都投入了大量資金和技術(shù)人才。峰瑞資本投資了洛微科技(Luminwave)和力策科技兩家致力于OPA 芯片和激光雷達(dá)的公司，其中洛微科技專注于硅光技術(shù)的OPA解決方案，力策則基于III-V族半導(dǎo)體材料，創(chuàng)新和發(fā)展了空間光調(diào)制OPA技術(shù)和芯片。
在OPA技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，基于液晶材料的空間光調(diào)制（spatial light modulator，SLM）技術(shù)，曾經(jīng)是重要的技術(shù)探索方向之一，但是液晶SLM掃描速度非常慢（毫秒級(jí)別），遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了自動(dòng)駕駛快速成像的要求。力策科技的OPA方案，從使用者角度看，相當(dāng)于做了個(gè)高速的SLM，完成一個(gè)單波長(zhǎng)激光的高速空間調(diào)制；當(dāng)然從技術(shù)維度看，力策的OPA技術(shù)無(wú)疑是一種新的創(chuàng)新，同時(shí)也是目前最接近量產(chǎn)的OPA固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)方案。
經(jīng)過幾年的努力，洛微科技和力策科技兩家激光雷達(dá)領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，都在自己的技術(shù)方向上取得了較好的成果，洛微科技剛剛完成數(shù)千萬(wàn)元融資，力策科技也即將開始新一輪融資。
本篇總結(jié)
1，多傳感器融合對(duì)自動(dòng)駕駛應(yīng)該是一個(gè)合理和幾乎必然的趨勢(shì)。目前“固態(tài)”攝像頭的智能化、自動(dòng)化、靈活性水平，和人眼相對(duì)比還有很大的差距。另外，在測(cè)量距離這個(gè)指標(biāo)上，攝像頭視覺甚至包括人眼，對(duì)比起激光雷達(dá)都有巨大的劣勢(shì)。因此，多傳感器融合，利用攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)各類傳感器的優(yōu)勢(shì)，是目前自動(dòng)駕駛領(lǐng)域較為可行的方案。
2，激光雷達(dá)是最晚進(jìn)入汽車行業(yè)、同時(shí)也是討論熱度最高的傳感器。目前激光雷達(dá)行業(yè)主要往兩個(gè)方向努力：一是降低成本，二是盡力減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)固態(tài)激光雷達(dá)，以滿足汽車惡劣的工作環(huán)境和超長(zhǎng)的無(wú)故障工作時(shí)間要求。
3，從技術(shù)維度看，F(xiàn)lash（TOF）面陣成像和OPA相控陣技術(shù)方案無(wú)疑是更接近理想固態(tài)構(gòu)架的方案，它們都是基于半導(dǎo)體芯片技術(shù)。
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