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我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?

时间:2021-03-31 23:23:38 作者:本站整理 来源:网络

年前我们做了一期激光雷达的科普视频,简单为大家介绍了激光雷达的原理、优势劣势、机械式激光雷达以及固态激光雷达等等,受到了很多网友的欢迎。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图1

但有的网友随后就注意到了,目前宣布要在量产车上搭载激光雷达的车企选择的既不是机械式激光雷达,也不是固态激光雷达,而是混合固态激光雷达。就比如说蔚来ET7,它搭载的是一颗由图达通提供的混合固态激光雷达。小鹏的新量产车即将搭载的是由览沃为小鹏提供的HAP激光雷达,也属于混合固态激光雷达。极狐HBT搭载的是华为的激光雷达,它也是混合固态激光雷达。就连全球首款搭载激光雷达的量产车奥迪A8,它搭载的那颗法雷奥四线激光雷达,实际上也是混合固态激光雷达。

那么,什么是混合固态激光雷达呢?它有什么优势能让各大车企纷纷选择呢?今天我就再跟大家唠一唠这些真正能上车的激光雷达。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图2

目前市面上向汽车的激光雷达大概可以分成三种类型,机械式旋转激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。

机械旋转式的激光雷达的成本比较高,然后比较难大规模量产,而且不太能符合车规,没有办法真正的大规模地装在量产车上,目前更多的是用在自动驾驶技术的研发还有无人车上面,但是他既然能被用来用作技术验证还有无车,也从侧面验证了它的优势其实是很明显的,就是精度高、运行稳定、成像快、360度无死角。

机械旋转式的激光雷达的工作原理非常直接,它的激光发射和接收装置可以360度的旋转,所以它只需要扫描一圈,就可以对整个环境进行360度无死角的重构,并且由于它旋转的是由电机控制的,所以说可以在长时间里面保持转速的稳定,每一次扫描的速度都是线性的,这两点对于自动驾驶来说很关键,毕竟精度够高,而且清晰稳定的360度环境重构谁不觉得香呢?

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图3

如果让固态激光雷达或者是混合固态激光雷达来实现360度的扫描,至少需要四台才能达到机械式激光雷达一样的覆盖范围。同时,数量越多也就意味着成本越高,融合起来的难度也就更大,这是为什么虽然固态和混合固态激光雷达被认为是未来的大趋势,但是现在激光雷达战场里面机械式激光雷达依然占据主流的地位,像Velodyne依然是市场的老大。

再说说固态激光雷达,它之所以被称为固态,就是因为没有机械式雷达里面那种机械的旋转结构,主要依靠电子部件来控制激光的发射角度,这样一来他就可以做得更小,还可以装进车里面,同时大大降低成本。目前固态激光雷达有三种方案谈的人比较多。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图4

第一种是OPA光学相控阵方案,通过调节发射阵列中的每个发射单元的相对差来改变激光的射出角度,采用相控阵原理来完全取消机械结构。

第二种是Flash激光雷达,采用类似相机的工作模式,感光元件中的每个像素点都可以记录光子飞出的时间信息,运行时直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,随后由高灵敏度的接收器阵列计算每个像素对应的距离信息,从而完成对周围环境的绘制。

第三种是MEMS微振镜激光雷达,通过电流控制微镜旋转和侧转来完成激光扫描。但遗憾的是固态激光雷达的技术路径虽然很好,但是目前仍然没有SOP量产供货的案例。唯一技术比较成熟的是被看做是下一代激光雷达的MEMS微振镜方案,但是由于其核心部件也就是微振镜,它本身是由非常细小的悬臂梁来固定和控制的,所以说非常脆弱,在可靠性和成本上就被打上了问号。而且也因为这个原因,MEMS方案也被部分厂商看作是一种混合固态方案。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图5

机械式太贵又不能上量产车,固态式又没量产和供货,稳定性不一定好,但是车企的需求又是真实存在的,所以说激光雷达厂商们只能开始新的方案,也就是一种折中的方案,混合固态或者说是半固态激光雷达。它不需要通过机械结构来旋转激光发射器和接收器来进行360度扫描,体积比较小,成本也比较低,而且能装进车里,符合车规,但是内部又有部分小型的机械运动部件,这就让他既不属于传统的机械旋转式雷达,又不属于单纯的固态激光雷达。所以说他就被称为混合固态或者半固态激光雷达。

就像刚才所说的,目前市面上绝大多数的车规级激光雷达都属于混合固态激光雷达,目前这种激光雷达的对外报价大多都在1000美元以内。比如说Livox的Horizon系列,对外报价为800美元,华为的96线中长距雷达报价为200美元,但是这个200美元呢还没有实现,然后lnnovusion(图达通)的Falcon系列等效300线激光雷达报价在500-1000美元。相比之下,Velodyne的机械式激光雷达,仅仅32线的低端型号对外报价就在4000美元以上。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图6

混合固态激光雷达的成本的优势很明显,除了成本以外,混合固态激光雷达还有一个巨大的优势,那就是他可以通过车规,而这主要得益于它的工作原理。根据厂商的不同,混合固态激光雷达的工作原理也不太相同,目前市面上的混合固态激光雷达主要都是转镜方案,再往下细分的话可以分为旋转多面体反射镜方案、双楔形棱镜型方案。旋转多面体反射镜方案指的是激光发射器、接收器他们两个是固定的,然后激光的发射方向是一个可围绕中心旋转的多边形反射镜,只要通过电机来旋转这个反射镜,就可以将激光反射到不同的方向,从而实现激光的扫描。目前旋转多面体反射镜方案是大多数厂商量产产品的主流方案,比如说图达通、法雷奥、镭神智能等等都是这个方案。

旋转多面体反射方案有几个比较明显的优势。第一,激光发射和接收装置是固定的,旋转机构虽然有但他比较小,可以减少产品的体积且降低成本。第二,旋转机构只有反射镜,重量轻,电机轴承的负荷小,系统运行起来更稳定、寿命更长,所以说更容易符合车规,三点可以通过调整光源控制扫描区域,提高关键区域的扫描密度。第三点,转镜旋转式连续而且稳定的,点云分辨率比较均衡,扫描的速度也更快,最后呈现出的点云与机械旋转式的激光雷达基本是一致的。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图7

当然,旋转多面体反射镜方案也有些不足,最关键的点就在于它内部依然有机械结构,即便是通过了车规在长期运行之后,稳定性、准确度依然会受到影响,并且在相对颠簸的路况下也容易出现故障。

再说一下楔形棱镜方案,这是另一种混合固态激光雷达的技术路径,也属于转镜方案的一种。这种技术最早是被用在军事用途上面,后来又被用到了车载激光雷达上。目前使用楔形棱镜方案的车型并不多,主要是由大疆投资的览沃在进行产品开发,他们旗下的车规级产品浩界车规版,也就是HAP已经宣布将要用到小鹏的新一代车型上面。这种激光雷达的基本原理是利用棱镜进行光的折射,在雷达内部搭载多个可以旋转的楔形棱镜,当光线穿过第一个棱镜时光线的方向就会发生变化,经过折射的光线经过第二个棱镜的时候又会再次发生折射,光线的方向再次发生变化。通过这一段棱镜之间的相对速度配合,就可以实现不同点原图的扫描,这种激光雷达的成像非常有意思,因为它的激光扫描路径并非平直的,而是一种围绕中心的花瓣形状的扫描。而且通过对两个棱镜转速的调整,再加上它本身的噪声,它的扫描路径一般是不会重复的。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图8

可见楔形棱镜方案的激光雷达与旋转多面体反射镜方案有相似的地方,也有不同的地方,本质上他们的激光发射和接收装置都是固定的,活动部件只有镜体,所以他们的优劣势很相似,结构简单、价格更低,可以通过车规的要求,但是由于转镜的存在,依然存在一些可靠性的问题。这两种激光雷达的方案,由于光线扫描的方式不同,楔形棱镜方案也有它独特的优劣势,最大的优势就是他几乎没有上限的分辨率,只要扫描的时间够久,就能得到精度极高的点云还有环境建模。

第二点,由于视场中心的扫描点非常密集,像我们人眼一样,当我们想看清某个东西的时候,会让眼睛的中心去对准这个东西,也就是所谓的焦点,而焦点之外是模糊的,这也符合自动驾驶技术中的感兴趣区域的运用,但是也正因为这种特性,这种雷达的视场边缘扫描点比较稀疏,在雷达启动的短时间内会有分辨率过低的问题,在应对比如说鬼探头这种突发状况的时候可能会反映不过来。

我们一起去了解混合固态激光雷达是什么?-图9

但总的来说,无论是多面体反射方案还是楔形棱镜方案,他们都是一种并不完美的过渡方案,但是都是可以通过车规好产品,可以满足当前车企在自动驾驶方面的需求。

 

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