汽車激光雷達已經到來

戴姆勒最近在 S-Class 豪華車型中引入了 3 級選項（L3，在某些條件下自動駕駛，人類駕駛員一旦被召喚即可接管），這是自動駕駛革命的重大突破。 其他多家汽車公司也宣布即將推出此功能，包括本田和寶馬。 LiDAR（光探測和測距）3D 成像是實現這一目標的關鍵感測技術。 最近的文章 （在 2022 年 XNUMX 月拉斯維加斯消費電子展上報道 LiDAR）研究了這個問題 “光達到了嗎？” 四個月後，答案是肯定的。

（過去 5 年）私人 LiDAR 公司投資約 8 億美元的主要重點是叫車、卡車運輸和物流的完全自主（4 級或 5 級，不需要人類駕駛員）。 事實證明，出於技術、安全、監管和成本方面的考慮，實現 L4/L5 能力比最初設想的更具挑戰性。 在許多情況下，將這種能力貨幣化的商業案例也被證明是不明確的。 對於 LiDAR 公司來說，鑑於較長的時間範圍以及主要 L4 參與者正在開發其內部 LiDAR（Waymo、Aurora、Argo）的事實，這是一項艱鉅的任務。

完全自動駕駛的目標市場是企業，其車輛數量大幅減少（每年銷售給消費者的汽車數量低於 5 萬輛）。 汽車原始設備製造商沒有能力在完全自動駕駛市場上競爭，他們看到了向其汽車添加有限自動駕駛功能並向更大客戶群推銷舒適、空閒時間和安全主張的機會。 這促使許多光達公司轉向解決 L100 和 L2 自治問題。 最近宣布的公司包括法雷奧（梅賽德斯）、Innoviz（BMW）、Luminar（Volvo）、Cepton（通用汽車）、Ibeo（長城汽車）和 Innovusion（蔚來）等公司。 與汽車一級供應商的合作關係也已明確（Aeye-Continental、Baraja-Veoneer、Cepton-Koito、Innoviz-Magna）。

範圍和點密度（點/秒或 PPS）是控制 LiDAR 提供的感知能力的關鍵性能參數。 其中包括在足夠範圍內對車道標記、交通基礎設施、路面、行人、車輛和道路碎片進行檢測和分類，以實現安全、舒適的自主操作。 雖然性能至關重要，但轉向消費性汽車已促使光達公司也關注更「平凡」的特徵，如價格、尺寸、功耗、車輛整合/造型、製造可擴展性和安全認證。 最近在底特律舉行的 Autosens 會議強調了這一點，這很好地表明汽車市場的 LiDAR 終於到來了。 共有七家光達公司參與其中——Aeye、Baraja、Cepton、Insight、Seagate、Valeo 和 Xenomatix。

錢錢錢

Autosens 的一次小組會議討論了使 LiDAR 對消費性車輛具有吸引力的價格（或痛苦）閾值。 沒有提到具體數字（出於顯而易見的原因）。 作為參考，汽車攝影機和雷達的價格分別在 10-20 美元和 50-100 美元之間，我們的夢想是 LiDAR 也能達到類似的價格點。 由於幾個原因，這在可預見的將來是不合理的。 首先，攝影機和雷達在消費性汽車的 ADAS（汽車駕駛輔助系統）中經歷了數十年的成熟和擴展。 其次，它們主要依賴矽和 CMOS 技術，這些技術利用了消費性電子和工業電子產品的規模。 光達不太成熟，依賴複雜的光學半導體技術（尤其是雷射）。 目前該領域的供應鏈根本無法支持這種定價。

合理化 LiDAR 可接受閾值價格的一種方法是將其與 L3 選擇權價格連結起來。 對於梅賽德斯 S 級車來說，這個價格約為 5000 美元。 鑑於 LiDAR 使這項功能成為可能，我們可以合理地假設 LiDAR 的價格可以達到 500 美元（或 L10 選項價格的 3%）。 隨著中價汽車開始提供此選項，L3 價格將需要降低（約 3000 美元），LiDAR 價格將降低至約 300 美元。 只有當操作設計領域 (ODD) 擴展（在速度、位置、天氣等方面）並且在此演變過程中沒有發生重大安全事件時，才有可能獲得廣泛的客戶認可。

大小事項

“風格工作室為王” Autosens 大會上反覆強調這個主題，並建議感測器整合必須在不影響消費性汽車的整體造型和情感吸引力的情況下進行。 尺寸和功耗決定了感測器的整合位置和方式。 感測器（尤其是光達）消耗的大部分功率都轉化為熱量。 從效率、熱管理和減小尺寸的角度來看，最大限度地減少這種情況是有益的。

雷達感測器的體積範圍為 100-500 cm5，功耗為 15-25W（取決於性能）。 相機明顯更小且節能（通常在 200 – 3 cm2 範圍內，功耗約 3W）。 汽車的空間非常寶貴，隨著 LXNUMX 和 LXNUMX 功能的發展，LiDAR 需要在空間、電力、運算資源和熱管理方面與這些傳統感測器競爭。

表 1 比較了不同範圍和 PPS（點/秒）效能參數的 LiDAR 設計的尺寸和功耗：

操作物理、掃描方法和波長是影響尺寸和功耗的關鍵因素。 表1的主要結論如下：

1. ④是最不緊湊的方法。 1550 nm ToF（飛行時間）操作需要高峰值功率光纖雷射，但其不如半導體二極體雷射緊湊。 2D 掃描和獨立的發射/接收孔徑也往往會使 LiDAR 更龐大。
2. ① 似乎是最緊湊的方法。 FMCW（調頻連續波）允許使用較低功率、相干、可調諧二極體雷射。 掃描在一維（水平方向）進行，而垂直掃描則透過可調諧雷射和類棱鏡光學元件（無移動部件）完成。 它還使用單靜態架構（透過一個孔徑進行發送/接收）。
3. 與 905 nm (②) 相比，1550 nm LiDAR（① 和 ④）消耗更高的功率，但也提供更高的範圍性能。 較高的功耗是由多種因素造成的。 首先，允許以更高的光功率驅動雷射（1550 nm 的人眼安全閾值遠高於 905 nm）。 其次，1550 nm 雷射效率較低且消耗更多電能。 最後，由於溫度敏感度較高，1550 nm 雷射需要冷卻或溫度穩定。 這會消耗功率和尺寸。
4. LiDAR 範圍和 PPS 性能的一代代改進（Innoviz 和法雷奧在②中）增加了功耗。 這是可以理解的，因為更高的性能需要更多的雷射功率、佔空比和空間頻率。 訊號處理計算能力也隨之增強。 尺寸隨著功耗的增加而成比例地縮放。
5. 相對於 Flash LiDAR (③) 提供的中等性能，它在尺寸和功耗方面價格昂貴。 如果消除移動部件是關鍵考慮因素（可靠性或整合考慮因素），那麼使用電子掃描的架構更具吸引力（③），因為它們在同等尺寸下提供顯著更高的性能，並且功耗顯著降低。 妥協的辦法是無法進行全域快門操作，導致點雲中出現模糊效果。
6. LiDAR 製造商與一級公司（Baraja-Veoneer、Continental-Aeye）之間的聯合設計合作夥伴關係有利於縮小尺寸。

LiDAR 在整合度、尺寸和功耗方面日趨成熟。 相對於雷達，它在尺寸和功耗方面仍然大約 2-3 倍。 成像相機更加小巧且節能（尺寸縮小 10 倍以上，功耗降低 5 倍）。

隨著時間的推移，LiDAR 能否達到與其他感測器相同的水平？ 1550 nm FMCW LiDAR (①) 提供了與雷達尺寸對等的最佳潛力，一旦在具有晶片級二維光學掃描的矽光子平台中實現（這是當今活躍的研究領域，但尚未實際可行）。 功耗不太可能降低，因為基礎雷射技術需要對材料進行重大改進（過去三十年在這一領域進行了大量投資以支援光纖通信，但不太可能出現顯著改進）。 大部分功耗來自激光，其中 70% 以上轉化為熱量，需要管理。 這反過來又設定了尺寸的下限。

製造：1-1000很容易，1000,000很難（如果你想賺美元）

確保像光達這樣的複雜光機感測器能夠從原型順利擴展到大批量生產，需要在設計的早期階段考慮供應鏈和可製造性。 在這方面，光達公司與一級供應商（掌握了有效擴大規模生產的流程和科學）之間的合作關係非常寶貴。

法雷奧設計並製造其光達（SCALA 系列）。 在 Autosens，他們提出了影響設計流程的考量——技術選擇、供應商、流程簡單性、成本、可靠性和可擴展性。 週期時間和廢品水準經過嚴格分析和驗證。 法雷奧的理念是推出滿足當前汽車客戶需求的「適合功能」設計（最初可能不會在性能上領先競爭對手，但可靠且易於客戶部署），將其投入批量生產，並利用規模化和低成本經驗作為未來設計性能升級的基礎。 迄今為止，已製造了超過 170,000 個汽車級 LiDAR（在 SCALA 1 和 2 系列中，SCALA 2 目前在前面討論的梅賽德斯 S-Class 中設計）。 SCALA 3 利用了這一經驗，性能顯著提高，預計將於2023 年推出。法雷奧的方法（這是一級和其他大批量製造公司的典型方法）與許多風險投資的LiDAR 公司不同，這些公司最初往往專注於最大化性能並假設一旦數量增加，擴展和成本要求就會解決。 這是一個困難的提議。

Seagate Technology 是一家大型硬碟 (HDD) 製造商，每年生產超過 100 億個硬碟。 在 Autosens 上，他們展示並展示了自己的 LiDAR，這是一款 1550 nm 系統，能夠動態聚焦、120° 視野、250 m 範圍和 25W 功耗。 該公司首創HAMR（熱輔助磁記錄）來增加HDD的儲存容量。 安裝在記錄頭上的雷射二極體用於局部加熱單位元以翻轉磁極性並協助寫入過程。 光學、精密機械、高速電子和掃描是關鍵的設計平台。 HDD 生產線利用光學、機械和電子零件的精確定位（亞微米）和黏合，以及高吞吐量的線上和最終測試。 希捷的策略是利用汽車光達硬碟產品的專利、相關技術塊和製造基礎設施。 這項工作在過去的 2-3 年裡一直在進行，目前詳細的規格和計劃尚未公開。 希捷可能與迄今為止擁擠的光達生態系統中的任何其他進入者不同。 他們從現有的大批量、低成本生產線開始，並將類似複雜性的產品設計插入其中。 他們未來可能會擾亂雷射雷達市場。

Trioptics（業納的一個部門）介紹了為汽車市場大批量生產雷射雷達所面臨的一些製造設備挑戰。 光學、機械和電子元件的精確對準和黏合是高產量 LiDAR 製造的關鍵，以及在極短的週期時間內校準和測試子組件和最終產品的能力也是如此。 關鍵是要確保每個子組件的設計和採購都具有足夠的精度等級和基準，以便機器人自動化能夠有效運作。 Trioptics 正在建造用於雷射雷達生產的商用設備，其主張類似於二十年前基於光纖的通訊系統的擴展。 它催生了一個致力於製造光電元件的專業設備行業，包括老化/測試、光纖對準/連接、晶片/引線鍵合、氣密密封和可靠性測試系統。

安全標準和認證

NVIDIA 介紹了解決感測器安全認證兩個關鍵標準的方法：ISO 26262 功能安全標準和涉及預期功能安全 (SOTIF) 的新興 ISO 21448 標準。 後者解決了特定車輛功能如何在承諾的 ODD 上執行。 對於像光達這樣的新型感測器，在不利的照明和天氣條件下將其轉化為物體偵測和分類（例如車輛、行人、障礙物和交通基礎設施）至關重要。 LiDAR 供應商越來越關注這項新標準，儘管尚不清楚這是否將由 OEM 或一級供應商實施（因為它可能依賴融合和更高層級的軟體堆疊）。

汽車光達確實已經到來。 雖然 L4 自動駕駛市場還很遙遠，但需要 LiDAR 的有限自動駕駛等級（L2 和 L3）提供了更有利可圖的近期機會。 設計機會是有限的，而爭奪這些機會的競爭是殘酷的。 贏得這些勝利需要在效能、成本、可靠性和易於整合之間實現適當的平衡。