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集微咨询:通往自动驾驶的路上,激光雷达大有所为,但也任重道远

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  在通往自动驾驶的路上,激光雷达俨然成为车企布局的必选项。资本方、市场侧、消费端的热情与需求都催生其快速发展。那么,激光雷达在自动驾驶中究竟扮演什么角色?激光雷达的技术路线有哪些?目前行业竞争格局如何?以下文章将一一说明。

  1.激光雷达扮演什么角色?

  在自动驾驶中,缺一不可的三大要素包括感知、决策和执行。“感知”是一切的起点和基石,只有不断提高感知性能,才有推动更高级别自动驾驶落地的可能,用于感知的传感器主要有摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达。

  目前,自动驾驶感知方案主要分为以特斯拉为代表的视觉系和以Waymo为代表的激光雷达系两种流派。视觉系主要以摄像头为主导,配合毫米波雷达、超声波雷达等完成感知任务;激光雷达系以激光雷达为核心,配合摄像头、毫米波雷达、超声波传感器等达到感知目的。

  

  车载摄像头:低成本,但精度较差,易受天气影响。车载摄像头通过镜头采集外部数据并根据算法进行图像识别,能够感知车辆周边的路况,实现前向碰撞预警(FCW),车道偏离报警(LDW)等ADAS 功能。汽车摄像头根据摄像头个数可以分为单目、双目和多目,根据安装位置可以分为前视、后视、侧视、环视。目前技术成熟且价格便宜,但是精度较差,需要借助深度算法,且易受恶劣天气影响,逆光和光影复杂环境下效果较差,难以实现全天候测距。

  毫米波雷达:精度高,穿透力强,不受天气影响,但对行人等非金属物体探测能力弱。目前市场上主流的车载毫米波雷达频段为24GHz(用于短中距离雷达,15~30m)和77GHz(用于长距离雷达,10~200m)。77GHz产品在性能和体积上都更具优势,其分辨率更高,体积也小了1/3。毫米波雷达能够大范围检测车辆的运行情况,可实现自适应巡航(ACC)、自动紧急刹车(AEB)等ADAS功能。其最大优势在于可弥补摄像头的不足,具有精度高、探测性能强的特点。此外,毫米波雷达对大气的衰减小,穿透雾、灰尘的能力强,因此抗干扰性较强,还能够全天候全天时工作。但毫米波雷达的固有属性使得其对行人等非金属物体反射波较弱,难以对行人进行识别。

  超声波雷达:局限于近距离低速场景应用。超声波雷达是基于超声波固有的声波折射、反射、干涉等基本物理特性而形成。其优势是造价较低,可大量配置,数据处理简单,且不受光照条件影响。不过超声波测量远距离目标的回波信号较弱,只能探测近距离物体。常用于自动泊车(APA)。

  激光雷达:精度高,探测能力强,易受天气影响,当前成本较高。激光雷达通过向被测目标发射激光,测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等数据,以确定目标的距离,而且可以通过采取的点云数据,利用3D建模构建数据模型。相较于毫米波雷达,激光雷达能加强对行人、静态障碍物、小物体等障碍物的监测能力;相比于摄像头,激光雷达的探测距离更远。不过易受恶劣天气等影响,且目前成本相对较高。

  结论1:综上看出,不同的汽车传感器,各有优缺点,灵活组合使用可以满足自动驾驶不同阶段的需求。摄像头+毫米波雷达+超声波雷达的视觉系方案一般可实现AEB、ACC、TJP、LDWS等预警类、识别类ADAS功能。但往更高级别自动驾驶演进,驾驶任务从人转移给系统,需要感知方案有充分的安全冗余。现阶段,视觉方案仍存在盲区,以特斯拉为例,特斯拉的FSD是一套目前水平在 L2+级,未来目标是全自动驾驶的系统。特斯拉近几年的多起交通安全事故,都显示出FSD系统仍然存在诸多安全盲点。集微咨询认为,激光雷达的上车不仅是对ADAS是有力补充,更有助于突破L3级以及更高级别自动驾驶在感知层面的瓶颈,加快高级别自动驾驶的研发与落地

  2.激光雷达的技术路线有哪些?

  当然,激光雷达也有不同的技术路线,主要包括机械式、MEMS、Flash和OPA,都在不断演进中。

  

  机械式:机械式分为整体旋转和转镜式2种。整体处于高速旋转的机械式激光雷达极易受到环境、震动等影响,耐久性大量衰减,难以满足车规级要求,再加上动辄几万的价格高昂和维护成本高等因素,目前只用于自动驾驶的研发、汽车后装市场。

  相较于整体旋转的机械式方案,采用转镜的方案的收发模块保持不动,而且减少了需要的光源,解决了机械式方案笨重、体积大的痛点,但转镜方案中电机驱动方式造成了一定不稳定性,未来的方向肯定是将高速旋转件去掉。2017年,奥迪发布了全球首款搭载激光雷达的量产汽车奥迪A8,搭载了法雷奥和Ibeo联合开发的首个车规级激光雷达SCALA(转镜方案),这也是迄今为止唯一量产上车的激光雷达。

  MEMS(半固态):相比机械式,MEMS 激光雷达具有芯片化特点,它主要通过硅基芯片上微振镜以一定谐波频率的振荡,来反射激光器的光线,从而以超高的扫描速度形成高密度的点云图。其扫描单元是MEMS微振镜,减小了激光雷达的尺寸,减少了激光器和探测器数量,极大地降低成本,量产后成本能下探到500~1000美元甚至更低,兼顾车规量产与高性能的需求。速腾聚创的MEMS激光雷达方案M1即将搭载在Lucid上量产。但是,MEMS激光雷达并没有完全消除机械件,而且微振镜的面积限制,也导致视野相对较窄,视场角较小,后期仍待进一步突破。

  Flash(固态):指一次闪光(激光脉冲)成像的激光雷达,发射端到接收器都能快速完成对环境周围图像的绘制,瞬时记录整个场景,没有延迟,可用于高速公路场景;而且纯芯片构造使其体积小、安装位置灵活、稳定性高。它也是目前唯一的非扫描式激光雷达,能够达到最高等级的车规要求。但由于光能量的分散导致可探测的距离短,一般仅在几十米以内。

  OPA(固态):OPA被认为是激光雷达的终极解决方案。相比MEMS,OPA完全取消机械结构,扫描速度快,精度高,可控性好,抗振性能好,体积更小,量产一致性高,成本更低。但OPA也存在光信号覆盖有限,环境光干扰、加工难度高等问题。

  结论2集微咨询认为,未来,行业整体将会向“低成本化”、“量产化”、“固态化”、“智能化”发展,因此从技术演进的趋势来看,固态激光雷达将会逐渐成为车载激光雷达的主流方案。当前阶段,业界认为,接下来几年的市场主流是MEMS半固态激光雷达,它是量产产品的首选。但未来,在各技术路线实现降本的趋势下,整车厂将选择降本幅度更大、稳定性更高的固态激光雷达。Yole也预测,到2030年,固态激光雷达的销售额将会增加至52.6%。

  3.国内外激光雷达供应商竞争格局如何?

  面对这一蓝海市场,除了激光雷达的老牌供应商Velodyne、法雷奥等,新进入者也加速涌入这一赛道,尤其是国内的供应商如华为、大疆Livox、速腾聚创、禾赛、Innovusion、镭神智能等。

  

  但真正量产上车的激光雷达屈指可数。法雷奥是迄今为止唯一一家量产激光雷达的供应商。从2017年量产了第一款车规级激光雷达,即第一代SCALA,迄今为止,法雷奥在全球范围内已经生产和交付了12.5万颗激光雷达,分别安装在奥迪A6、A8、Q7等车型上。法雷奥的激光雷达已经拿到了至少4家国际化车企的订单,总订单额约为5亿欧元。尤为值得提及的是,2021年法雷奥16线的第二代SCALA激光雷达将在一家欧洲车企的车型上量产,之后法雷奥激光雷达也将在另一家亚洲车企上车。

  激光雷达大规模应用之路上,最大的阻碍是什么?对于这个赛道上所有的供应商来说,如何实现车规级批量生产,仍然是最大的“拦路虎”。目前,市场上大多数供应商和初创公司切入激光雷达的方式主要是通过后装市场,以高性能为主,但这一经验不能完全复制应用于前装市场。车厂要求激光雷达必须做到体积足够紧凑,能够完全融合在车辆的造型中,与车身融为一体。这对供应商的制造工艺、生产能力,以及上车集成的实际开发能力等都是全方位的考验。

  如前所说,接下来几年的市场主流是MEMS半固态激光雷达,它是量产产品的首选。因此,在激光雷达市场即将爆发的前夜,众多企业直接布局机械式(转镜)或者半固态甚至固态产品,包括Luminar、Aeva、华为等企业。

  目前,速腾聚创、Ouster、Luminar、华为、镭神智能、Innovusion、大疆Livox均宣称有过车规的半固体产品,而且量产时间在即。从推出时间节点来看,速腾聚创M1将在2021年配套Lucid,大疆Livox的激光雷达将于2021年在小鹏汽车量产,华为的激光雷达将在2021年配套北汽极狐,Innovusion的激光雷达将于2022年配套蔚来汽车。

  

  2019-2025年激光雷达市场应用预测,图片来源:Yole

  

  结论3:根据Yole的数据显示,2019-2025年车载激光雷达市场潜力巨大,市场规模从1900万美元增长到17亿美元,年复合增长率达到114%。但竞争格局也在悄然变化,跨入2021年,L3级自动驾驶迎来量产时间点,蔚来汽车、小鹏汽车、长城汽车等多家车企均规划或推出带有激光雷达的车型。集微咨询认为,国内外供应商在这一赛道上的竞争将进一步加剧,随着量产的序幕拉开,各供应商之间的技术和资金实力差别将骤然显现,淘汰赛也会随之掀起,只有能实现规模量产的产品才有可能生存,因此,产品迭代与量产能力是未来突围的关键。 (校对/范蓉)

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