探討機(jī)械式LiDAR技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展現(xiàn)狀

我們先介紹機(jī)械式LiDAR技術(shù)，也就是最早的機(jī)械式LiDAR產(chǎn)品拉開了自動(dòng)駕駛的序幕。

2012年5月，谷歌（Google）自動(dòng)駕駛汽車正式獲得了美國內(nèi)華達(dá)州車輛管理局（DMV）頒發(fā)的執(zhí)照，這是美國歷史上為自動(dòng)駕駛汽車頒發(fā)的第一張執(zhí)照。同樣重要的是，激光雷達(dá)（LiDAR）也首次正式在自動(dòng)駕駛汽車上露臉。

這個(gè)被放置在車頂上被戲謔為“全家桶”的裝置其實(shí)就是汽車的“眼睛”——LiDAR。這個(gè)“全家桶”不僅尺寸醒目，價(jià)格也是讓人瞠目——7萬美元。這就是LiDAR最初也是迄今為止最為成熟的量產(chǎn)形態(tài)——機(jī)械式LiDAR。

LiDAR的主要構(gòu)成要素可概括為發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。LiDAR系統(tǒng)的核心組件主要有激光器、掃描器及光學(xué)組件、光電探測器及接收IC，以及位置和導(dǎo)航器件等。

所謂機(jī)械式LiDAR，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光（即32線或64線雷達(dá)），形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)3D掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。以“全家桶”為例，也就是由Velodyne生產(chǎn)的第一代機(jī)械式LiDAR（HDL-64E），豎直排列的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射，實(shí)現(xiàn)垂直角度的覆蓋，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)殼體帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)水平角度360度的全覆蓋。因此，我們可以看到“全家桶”在汽車行駛過程中，就一直處于360度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中。

下面我們簡單分析，機(jī)械式LiDAR主要構(gòu)成要素。還是以Velodyne生產(chǎn)的第一代機(jī)械式LiDAR（HDL-64E）為例來了解其結(jié)構(gòu)。

下面是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：

機(jī)械式LiDAR作為在自動(dòng)駕駛車輛上最先應(yīng)用的激光雷達(dá)產(chǎn)品，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 掃描速度快：掃描速度只決于發(fā)射模塊的電子學(xué)響應(yīng)速度，不受材料的特性影響，可以實(shí)現(xiàn)比光學(xué)相控陣更高的掃描頻率。

2. 接收視場小：這種掃描技術(shù)是一種發(fā)射和接收同步掃描技術(shù)，接收視場小，抗光干擾能力強(qiáng)，信噪比高。

3. 可承受高的激光功率：這種掃描技術(shù)完全是在自由空間中進(jìn)行，可以采用高峰值功率的激光脈沖進(jìn)行高信噪比的探測。

但是機(jī)械式LiDAR因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件較多，除了價(jià)格高居不下以外，還存在較多不足之處。特別是用于自動(dòng)駕駛汽車，存在如下缺點(diǎn)：

1. 結(jié)構(gòu)笨重，馬達(dá)和多面體棱鏡的重量和體積較大，容易造成機(jī)械磨損，不利于長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使用。可靠性隨著時(shí)間逐漸降低，對于以“安全性”為首位的自動(dòng)駕駛汽車來講，這是無法接受的致命缺陷。

2. 光通過每一個(gè)多棱鏡的表面時(shí)，都會(huì)經(jīng)歷一段較短的不能接受光信號的時(shí)間，降低反射信號接收比，使得信號接收比大幅降低。

3. 裝調(diào)工作量大：需要將發(fā)射和接收模塊進(jìn)行精密光學(xué)對準(zhǔn)裝配，工作繁復(fù)，工作量大，大批量生產(chǎn)難度大。

未來，LiDAR在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，其體積、價(jià)格、安全性、量產(chǎn)能力都是需要綜合考量的因素。從目前激光雷達(dá)的業(yè)界聲音來看，機(jī)械式LiDAR僅僅是過渡產(chǎn)品，未來應(yīng)該是混合固態(tài)LiDAR和全固態(tài)LiDAR的天下。

下面，讓我們一起看看目前主流LiDAR企業(yè)的量產(chǎn)的機(jī)械式LiDAR的產(chǎn)品布局吧。細(xì)數(shù)機(jī)械式LiDAR企業(yè)，也可窺見未來LiDAR技術(shù)的發(fā)展方向。

1. Velodyne

Velodyne公司的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式產(chǎn)品在車載激光雷達(dá)領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，后續(xù)推出混合固態(tài)的產(chǎn)品，成本有所降低，正在逐步研發(fā)全固態(tài)激光雷達(dá)。Velodyne公司獲得百度與福特1.5億美元的投資，計(jì)劃到2020年左右成本降至500美金。

從技術(shù)方向看，Velodyne公司后續(xù)產(chǎn)品在俯仰方向（垂直于水平面方向）均采用了電子掃描技術(shù)，在方位方向（水平方向）采用機(jī)械360度旋轉(zhuǎn)掃描。技術(shù)路線已經(jīng)從機(jī)械式LiDAR逐步轉(zhuǎn)向混合固態(tài)LiDAR，但全固態(tài)LiDAR的產(chǎn)品暫時(shí)還沒看到。

2016年1月的CES消費(fèi)電子展會(huì)上，Velodyne展示了“混合固態(tài)超級冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固態(tài)激光雷達(dá)（LiDAR）的概念。所以之前的幾款主流LiDAR產(chǎn)品應(yīng)該都算是機(jī)械式激光雷達(dá)的產(chǎn)品。主要是HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款產(chǎn)品。

其性能指標(biāo)見下圖

前面已經(jīng)展示了HDL-64E激光雷達(dá)內(nèi)部照片，下圖是HDL-32E激光雷達(dá)內(nèi)部照片

下圖是VLP-16 激光雷達(dá)內(nèi)部照片

從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片，可以看出這三款產(chǎn)品除了HDL-64E的差異較大外，HDL-32E和VLP-16基本一樣，只不過VLP-16是在HDL-32E的基礎(chǔ)上減少了16線，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。但實(shí)際上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一種技術(shù)。

2. Quanergy

Quanergy公司的產(chǎn)品系列主要包括三款LiDAR：M8、S3和S3-Qi，以及利用LiDAR開發(fā)的新一代安防解決方案Q-Guard。M8是Quanergy推出的第一代LiDAR，采用8個(gè)2D線性激光掃描器，屬于機(jī)械式LiDAR。隨后，相繼發(fā)布的產(chǎn)品都開始走固態(tài)LiDAR路線。S3號稱是全球首款全固態(tài)LiDAR，采用了光學(xué)相控陣技術(shù)，不含任何旋轉(zhuǎn)活動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)了LiDAR的小型化，并提高了可靠性，規(guī)模量產(chǎn)后有望將傳感器的價(jià)格降低至250美元以下；S3-Qi則是一款微型固態(tài)LiDAR，標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸僅為1 x 1.5英寸，重量約100克，具有較低的功耗，S3-Qi可廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、智能機(jī)器人、安防、智能家居及工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。

3. ibeo

從最早Ibeo Motiv的360度整體旋轉(zhuǎn)，到跟車廠結(jié)合，固定光源和接收器，只是有一個(gè)轉(zhuǎn)鏡的LUX和ScaLa。2010年德國激光雷達(dá)供應(yīng)商Ibeo與法國汽車零部件供應(yīng)商法雷奧合作開發(fā)并量產(chǎn)的ScaLa，作為一款高精度機(jī)械式LiDAR，其最大檢測距離為150米。2016年采埃孚（ZF）收購了Ibeo公司的40%股份，幫助Ibeo公司研發(fā)固態(tài)LiDAR和更高效的數(shù)據(jù)標(biāo)定。