激光雷达迟迟没有在汽车领域大规模应用,原因显然是几万美元的价格太贵了,可能比车还贵。很多人选择钻研深度学习和图像识别来取消激光雷达,也有人选择激光雷达的廉价化。

目前激光雷达价格高的原因包括了需求量少,组装和调试成本高。Velodyne公司此前的机械旋转式产品在车用激光雷达领域占据统治地位,后续推出混合固态的产品,成本有所降低,正在逐步研发纯固态激光雷达。Velodyne LiDAR获得百度与福特1.5亿美元的投资,计划到2020年左右成本降至500美金。Waymo(谷歌自动驾驶)和Uber(收购自Otto)自研机械旋转式激光雷达的尝试会在后文提到。禾赛科技、速腾聚创、北科天绘、镭神智能等中国公司也涌入低成本车用激光雷达领域。

有公司倾向于取消机械旋转结构、根本性降低激光雷达成本的手段,方法之一就是利用MEMS微振镜(MEMS指的是微机电系统),把所有的机械部件集成到单个芯片,利用半导体工艺生产。选择这一路线的公司包括了:

荷兰Innoluce公司(从飞利浦剥离,已经被著名汽车半导体供应商英飞凌全资收购),预计2018年量产,成本不超过100美元,在探测范围和分辨率方面超过其它固态激光雷达,能够实现白天单次发射探测距离250米、角分辨率0.1°,激光功率利用效率大于95%,使用的激光器由欧司朗光电半导体供应。英飞凌公司认为高速运算平台只是系统的一小部分。

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2016年底,研究超微型投影显示和传感技术的MicroVision公司,和意法半导体合作推广激光束扫描(LBS)技术,应用场景包括了激光雷达,以及微型投影仪、VR、AR和HUD等市场。

曾经生产机械旋转式激光雷达的欧姆龙,2017 年初开始在Opus提供的小型 MEMS 芯片基础上,研发激光雷达。

日本先锋公司,利用原本用于扫描激光影碟的光学头,生产MEMS激光雷达,“当订单达到100万,先锋便可以把价格控制在100美元以下,预计会在2019年开始量产。”先锋还与高精度地图服务商HERE合作,测绘地图。

2017年,博世推出了兼顾激光扫描和投影的BML050方案,包括两个MEMS微镜,可用于交互式投影仪。有新闻报道博世将在2020年前销售激光雷达,暂时无法判断是基于MEMS还是其他技术。

奥迪的矩阵式激光车灯,使用微镜(DMD)来控制激光方向,顺便做激光雷达也不错,不需要再给Ibeo的激光雷达腾地方了。

激光雷达创业公司 Luminar Technologies,从招聘信息推测,对机械旋转或者MEMS方案的激光雷达有兴趣。

其他在微机械设计MEMS领域有技术积累的公司也有可能进入激光雷达领域,或者成为核心零件供应商。

另外一个思路是完全取消机械结构,采用相控阵原理实现固态激光雷达:

生活中最常见的干涉例子是水波,两处振动产生的水波相互叠加,有的方向两列波互相增强,有的方向正好抵消,将这个原理放大,采用多个光源组成阵列,通过控制各光源发射的时间差,就能合成角度灵活,且精密可控的主光束,这就是相控阵的原理。

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激光雷达从机械转动向聚束成形的进化趋势与雷达完全相同:军事上广泛应用的相控阵雷达一般拥有上千个发射天线单元,通过调节波束合成的方式,可以改变雷达扫描的方向而不需要机械部件运转,灵活性很高,适合应对高机动目标,还可发射窄波束作为电子战天线。相控阵还可以用于把宇宙太阳能电池板的能量传回地面,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)已经进行过这方面实验。

固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。

固态激光雷达的典型代表是美国的Quanergy公司,单面相控阵最大视角120度。预生产的S3激光雷达计划在2017年交货,价格250美元,5年内低于 100 美元。最早搭载Quanergy激光雷达感应器的车辆将在2018年面市。已经获得了大型汽车零部件供应商德尔福,以及三星电子的战略投资。Quanergy还在与Koito合作整合激光雷达的汽车前照灯。

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这张图可以看到Quanergy用光源阵列来合成波束

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Quanergy将固态激光雷达的推荐方案与友商进行了对比,认为可以实现低于多摄像头方案的传感器成本。

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2014年参与 Quanergy 种子轮和A轮的是特斯拉创始团队Martin Eberhard等人组建的 Wardenclyffe Partners,当时Elon Musk是投资人之一。Wardenclyffe Partners的公开投资案例只有Quanergy一家。

2016年Quanergy收购了著名军工企业雷神公司的人体跟踪软件,开始进军安全行业。2017年3月,Quanergy申请参与特朗普总统的“美丽的边境墙”计划。Quanergy CEO认为安全行业的市场规模与汽车行业相当,试图说服美国总统弃用混凝土,而选择更便宜的 Q-Guard 虚拟围栏。其他激光雷达厂商没有参与这个竞争。特朗普要求美墨边境墙覆盖建筑和供电困难的沙漠、山脉等环境,同时生产太阳能电池板和储能系统的特斯拉也可以参与给Quanergy的方案供电,当然要讨好消费者的特斯拉大概不敢接这笔生意吧,已经有uber的教训了。

法国汽车零部件供应商法雷奥,2010年与德国激光雷达供应商 Ibeo 合作开发并量产的SCALA高精度机械式激光雷达,最大检测距离为150m,法雷奥在此激光雷达基础上,加上Mobileye,开发了Cruise4U 自动驾驶解决方案。2016年采埃孚收购了Ibeo40%的股份,以帮助Ibeo研发固态激光雷达,也在研究更高效的数据标定。

法雷奥的合作伙伴不止Ibeo,2014年法雷奥与加拿大的 LeddarTech 合作开发固态激光雷达,由LeddarTech提供技术和专利,计划2018年量产,照射距离最远为100m。

激光雷达技术提供商 LeddarTech 从加拿大国家光学研究所分离。该公司的 Leddar M16 固态激光雷达,在参加 BattleBots 机器人格斗比赛的 Chomp 机器人上得到了应用,Chomp借助激光雷达的精确测距,实现了气压锤的自动瞄准,成功干掉了上届冠军Bite Force的武器传动链条。这大概是目前为止,搭载固态激光雷达的最著名机器人。在动辄被撞飞的激烈比赛当中,机械旋转式激光雷达的可靠性值得怀疑(波士顿动力给旗下机器人配备的激光雷达是机械旋转式)。

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2016年9月,LeddarTech 开卖模块化 Vu8 固态激光雷达,售价475美元,检测距离215米。2017 CES上,LeddarTech展示了下一代LeddarCore芯片,支持MEMS微镜和2D/3D Flash 激光雷达。

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TriLumina公司为激光雷达提供高功率的可调制光源VCSEL,2016年获得汽车供应商电装的战略投资。TriLumina在 2017 CES 展示了基于 LeddarCore IC 的256像素3D激光雷达解决方案。

2015年 DARPA启动了“模块化光学孔径构造模块”(MOABB)项目,以研发超紧凑的光学雷达,实现100米远距离处的3D成像,采用晶圆级加工工艺进行一体化集成,比手机摄像头更小,典型场景是:“在直升机或无人机上检测丛林下的狙击手或坦克”。

MIT的片上激光雷达(lidar-on-a-chip)项目,特点在于使用商用CMOS生产技术,连接激光器的是横截面为几百纳米的硅波导管(可以想象成极小的光纤),对其进行加热来实现每个天线的光束相位控制。预计成本10美元,有可能封装到机器人的指尖上。

TetraVue的高分辨率激光雷达,将标准的2D CMOS/CCD,结合新的飞行时间(TOF)模式,距离100米以上,低于200美元,投资者包括博世资本、三星、鸿海等。

以色列初创公司 Innoviz Technologies 的激光雷达预计100美元,已经获得900万美元融资,并且与汽车供应商麦格纳达成合作。表示其使用的方法与Quanergy或者MIT的不同,但是无法搜到其专利,具体细节和区别无从判断。

Princeton Lightwave在2016年7月宣布进入车用激光雷达领域,该公司擅长盖革模式激光雷达(Geiger-mode LiDAR),探测距离更远,已经在航空测绘领域应用十几年。

上海思岚科技已经推出了面向扫地机器人的廉价激光雷达,同时也在研究固态激光雷达。

从无人机激光雷达起家的北醒光子,正在研发多线长距和固态激光雷达。

Blackmore开发的调频连续波(FMCW)激光雷达,并没有采用最容易理解的主流飞行时间法(Time of Flight, ToF),而是通过测量反射波的频率改变来测距,精度更高,原理与传统雷达类似;通过分离多普勒频移,可以同时提供目标速度数据,不受雾、雨雪、灰尘影响。该公司获得350万美元A轮投资。

ADI亚德诺半导体从Vescent公司购买了可用于改变光束方向的液晶光导技术,还与提供固态照明模块的TriLumina公司,合作开发低成本的汽车快闪激光雷达模组。

初创公司Phantom Intelligence在与欧司朗光电半导体合作研制固态激光雷达。

事实上有一些照明公司利用欧司朗的高功率红外LED,实现了“灯 to 灯”的光通信。这让人好奇,激光雷达能否作为 DSRC 和 LTE-V2X 之外的补充性车际通信手段。

雷达用来通信不是异想天开,美国曾经测试过,利用F-22猛禽战斗机的 AN/APG-77主动电子扫描阵列(AESA)雷达进行大容量实时通信,传输对于目前军用数据链过大的未压缩文件,而光在电磁波谱当中,频率比无线电更高,所以可以做到巨大的潜在带宽。

回到激光雷达的话题。

2016年3月,德国汽车供应商大陆集团(Continental)收购了 Advanced Scientific Concepts 的3D Flash激光雷达业务,开发探测距离200米的高分辨率3D Flash激光雷达,2020年量产。

以色列初创公司 Oryx的相干光雷达(coherent optical radar)发射端采用长波太赫兹红外激光脉冲,天气适应性强,没有任何光束的转向控制,核心竞争力在于接收端,不像其他激光雷达那样通过光电传感器来侦测光线粒子,而是根据光的“波粒二象性”以波的形式使用纳米天线阵列接收返回信号,并且进行相干处理,同时实现了多普勒模式以检测目标速度。检测距离150米,预计100到250美元,已经完成1700万美元A轮融资。