固態(tài)LiDAR與機械LiDAR該如何選擇

Velodyne在2000年代中期發(fā)明了現(xiàn)代3D（三維）LiDAR（激光雷達）掃描儀。但近年來，傳統(tǒng)觀念認為，Velodyne的設計（將64個激光器安裝于一個旋轉平臺）很快將被新一代固態(tài)LiDAR傳感器淘汰，這類固態(tài)傳感器僅使用單個固定激光器進行場景掃描。但是一家名為Ouster的創(chuàng)業(yè)公司正試圖挑戰(zhàn)這一觀點，正以極具競爭力的價格銷售類似Velodyne的旋轉式機械LiDAR。

近期，我們有幸與Ouster首席執(zhí)行官Angus Pacala進行了對話，他對旋轉式和固態(tài)LiDAR之間的優(yōu)劣權衡有著獨到的專業(yè)見解，因為Pacala之前曾是固態(tài)LiDAR最著名的創(chuàng)業(yè)公司——Quanergy的聯(lián)合創(chuàng)始人。在我們的談話中，Pacala拒絕了評價其前任公司。但行動勝于雄辯。我們可以認為，作為Quanergy的聯(lián)合創(chuàng)始人，Pacala肯定非常了解固態(tài)LiDAR技術的優(yōu)缺點。而當他決定創(chuàng)建另一家LiDAR公司時，他決定不再做固態(tài)LiDAR，這或許能說明一些問題?！肮虘B(tài)LiDAR”實際上是一類涵蓋幾種非旋轉式機械LiDAR設計的總稱。

主要可分為三種技術方案：一種為MEMS（微機電系統(tǒng)）方案，采用微型MEMS掃描鏡來控制激光束；另一種，采用稱為光學相控陣的技術來控制激光束，而無需任何運動部件；第三種，則被稱為泛光（Flash）成像LiDAR，無需光束轉向，只需一次閃光即可照明整個場景，再通過類似于數(shù)碼相機的二維陣列圖像傳感器探測返射回來的光線。Pacala此前創(chuàng)辦的Quanergy雖然沒有詳細公開解釋其技術細節(jié)，但是根據(jù)報道判斷，該公司主要采用的是光學相控陣方案。由于很微小或沒有移動部件，所有這三種設計方案都可能帶來更堅固、更經(jīng)濟的LiDAR傳感器。

從長遠來看，業(yè)內(nèi)倡導將幾乎所有的電子器件（包括激光器本身、光束控制電路、檢測器和運算支持）都集成封裝在一起。因而，未來消費類產(chǎn)品中的固態(tài)LiDAR很可能將不像旋轉式機械LiDAR那樣，必須突兀地安裝在汽車頂部才能正常工作。這在理論上聽起來不錯，Pacala在2012年聯(lián)合創(chuàng)立Quanergy公司時大概也是這么認為的。但是，后來他顯然改變了想法，因為他的第二次LiDAR創(chuàng)業(yè)，采用了更傳統(tǒng)的旋轉式機械LiDAR方案。

旋轉式機械LiDAR有其獨特優(yōu)勢Pacala指出了傳統(tǒng)旋轉式機械LiDAR設計的幾大優(yōu)勢。其中，最明顯的優(yōu)勢是其360°視場。 我們可以在汽車頂部固定安裝一個激光雷達，從而360°地感知汽車周圍的情況。相比之下，固態(tài)LiDAR需要固定在某些適當?shù)奈恢茫ɡ畿嚿砬昂蠓交蛩慕牵?，視場角一般?20°或以內(nèi)。因此，自動駕駛汽車采用固態(tài)LiDAR傳感器，至少需要4臺才能達到跟旋轉式機械LiDAR一樣的覆蓋范圍。另一個不太明顯的優(yōu)勢是，人眼安全法規(guī)允許運動的激光源發(fā)射比固定激光源更高的功率。

據(jù)Pacala介紹，所有1級安全系統(tǒng)的設計必須確保人員不眨眼直視激光設備數(shù)秒鐘，仍然不會受到傷害。當采用固態(tài)掃描單元時，如果人眼處于激光掃描器幾英寸的地方，可能會導致100%的激光射入眼內(nèi)。但是如果采用旋轉式LiDAR傳感器時，激光只集中于某個特定的方向，只有360°旋轉的一小部分。因此，旋轉式LiDAR可以為每個激光脈沖提供更高的功率，而不會造成眼睛損傷。這樣可以更容易地檢測到返射光，因此在可預見的未來，旋轉式LiDAR單元可能要比固態(tài)LiDAR單元具有更大的探測范圍優(yōu)勢。

上圖為谷歌早期的自動駕駛原型車。車頂有一個巨大的旋轉式LiDAR傳感器，前翼子板上有個黑色的雷達（共4個），后輪上安裝有“車輪編碼器”，車內(nèi)還有視頻攝像頭。這款原型車裝配的各類傳感器總價高達15萬美元同時，大部分領先的固態(tài)LiDAR設計，都面臨著“遠距離探測”這個顯著的挑戰(zhàn)。MEMS系統(tǒng)中的微型掃描鏡能投射的激光量有限。這使得遠處物體反射激光束并被探測的難度很大。光學相控陣方案相對于其它技術，產(chǎn)生的光束發(fā)散性更大，因此很難兼顧長距離、高分辨率和寬視場。

而對于泛光成像LiDAR，每次發(fā)射的光線會散布在整個視場內(nèi)，這意味著只有一小部分激光會投射到某些特定點。此外，光電探測器陣列中的每個像素都必須非常小，限制了它可以捕捉的反射光量?！肮虘B(tài)LiDAR方案挑戰(zhàn)很大，” Pacala表示。他提出，傳統(tǒng)旋轉式LiDAR技術擁有獨特的優(yōu)勢，在接下來的十年將繼續(xù)保持一定的市場地位，尤其是在高端市場。據(jù)Pacala預測，絕大部分LiDAR系統(tǒng)將在未來十年逐步轉為固態(tài)方案，但是，仍將會有一些具有真正高性能和高價值的旋轉式機械LiDAR傳感器。Pacala用硬盤市場做了一個有趣的比喻。

15年前左右，固態(tài)存儲設備越來越受歡迎，特別是在移動設備中。然而，時至今日仍然有大量具有旋轉磁盤的傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器正在銷售。因為，這種設計提供了高容量和低成本的完美組合。同樣，Pacala預計未來的低端激光雷達設備將大多采用固態(tài)設計，就像今天的大部分移動設備都采用固態(tài)存儲一樣。但對于要求最苛刻的應用（包括自動駕駛汽車），他預計高端旋轉LiDAR還將占據(jù)重要的市場位置，提供遠距離、高分辨率和更寬廣的視野。Ouster對Velodyne帶來了價格壓力雖然Ouster采用了與Velodyne相同的基本技術方案，但Ouster提供了透明且激進的定價方案，這可能會讓Velodyne略感頭疼。

64線OS-1在展會現(xiàn)場的實時演示據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，Ouster目前提供了三種LiDAR型號：一款低端的16線LiDAR傳感器OS-1，售價3500美元，一款64線OS-1版本，售價12000美元，以及一款探測距離更長的64線傳感器OS-2，售價24000美元。

那Velodyne的產(chǎn)品售價如何？Velodyne的16線LiDAR“傳感冰球”的售價為4000美元，這與Ouster的3500美元16線機型大致相當。就在去年12月，福布斯報道稱，Velodyne老款64線機型的售價仍然高達75000美元，僅比10年前的85000美元略有降幅。當Velodyne總裁Marta Hall被問及Velodyne的HDL-64E與64線OS-1的價格比較時，她回答道：“Velodyne的HDL-64E是十年前開發(fā)的產(chǎn)品，自那時起，Velodyne已經(jīng)做出了很多改進。請將Ouster 的LiDAR產(chǎn)品跟Velodyne最新的128線LiDAR傳感器VLS-128比較才夠合理，VLS-128的批量定價將是12000美元或以下?！钡拇_，VLS-128比Ouster的OS-1擁有更驚人的參數(shù)規(guī)格。Velodyne這款高端LiDAR單元具有更大的探測范圍，比Ouster售價24000美元的OS-2更加吸引人。

擁有一臺VLS-128的成本將是多少？Hall表示它目前“尚未定價銷售。”當然她也沒有明確表示大批量客戶現(xiàn)在是否可以拿到12000美元或更低的價格。說到底，LiDAR單元的單價并不重要。所有這些LiDAR廠商的長期目標，是以數(shù)千甚至數(shù)百萬臺為單位出售這些傳感器，用于消費級車輛。批量采購LiDAR的汽車制造商，肯定能從單個價格中獲得很大折扣。但是，像Ouster那樣公布立即交付的具體價格有助于建立信譽。我們相信Velodyne將會盡一切努力在未來的某個時間點，匹配Ouster打出的12000美元價格牌。

但是，未來要做到這一點，與今天能夠做到這一點并不是一回事，不是嗎？LiDAR創(chuàng)業(yè)公司Luminar首席執(zhí)行官Austin Russell對于LiDAR成本問題，也表示：“對于消費級汽車來說，這類LiDAR系統(tǒng)的售價的確需要低至小幾千美元或以下”，并承諾價格對Luminar來說不是問題。聽Austin Russell的意思，Luminar的LiDAR傳感器似乎還沒有達到“小幾千美元”的價格目標，目前實際上可能要比那個目標數(shù)字更高。

總的來說，通過與Ouster首席執(zhí)行官Pacala的交流，使我對LiDAR成本很快能夠得到大幅降低持謹慎樂觀態(tài)度。不過，價格確實正在下降，正如Velodyne今年宣布16線產(chǎn)品降價50%。如果你愿意接受探測范圍略小、分辨率更低的LiDAR解決方案，你可以找到售價幾千美元甚至幾百美元的LiDAR單元。

但是，市場上最好的LiDAR單元（可能也是唯一能真正支持全自動駕駛汽車的那些LiDAR單元），仍然需要花費數(shù)萬美元。值得注意的是，另一個LiDAR技術主要競爭廠商Waymo。這家Alphabet（谷歌）子公司近十年一直在研究自動駕駛汽車，他們已經(jīng)從使用Velodyne的LiDAR系統(tǒng)轉為采用他們自己生產(chǎn)的LiDAR技術。并且，該公司仍在使用相同的傳統(tǒng)旋轉式機械LiDAR方案，但據(jù)報道，Waymo已經(jīng)研究出如何將LiDAR單元的成本降低10倍。由于市場沒有公開Waymo的原始成本數(shù)據(jù)，因此無法判斷其產(chǎn)品的具體價格，但可以肯

定的是，Waymo的LiDAR單元成本不會超過8500美元，并且有可能少于這個數(shù)字。如果你不是一家像Waymo這樣的公司，那自己解決這個問題可能很困難。一款產(chǎn)品再復雜，只要產(chǎn)量上去了，價格自然會下降。目前，LiDAR傳感器的市場需求只是未來五到十年內(nèi)的一小部分，到了那時無人駕駛出租車公司將開始大舉擴大車隊規(guī)模。隨著LiDAR生產(chǎn)規(guī)模的擴大，制造技術的不斷改進以及規(guī)模經(jīng)濟所帶來的影響，LiDAR傳感器勢必會越來越便宜。