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关于激光雷达,投资者及车企感兴趣的12个问题

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在过去的六个月里,许多投资机构和汽车公司的朋友与作者交流了激光雷达的话题。他们提出的问题有很多重叠。

关于激光雷达的报道很多,但信息碎片化非常严重,一些基本概念仍然混淆。因此,在回答了大量同质化问题后,作者决定整理这些问题的答案,并进行科普。

答:这不是一个好问题。更准确的问题应该是现阶段哪条技术路线占主流。

首先,关于技术路线,需要澄清的是,激光雷达有多种分类方法:根据测距方法;根据激光发射器和探测器;根据扫描方法。

按照测距方式,当前车载激光雷达主要分为dTOF(飞行时间法)和iTOF(飞行时间通过测量相位偏移间接测量分为FMCW和AMCW)目前有两种方式dTOF而且是市场主流FMCW处于预研阶段。

两者的区别在于,dTOF通过记录激光脉冲和探测器接收回波信号的时差,直接计算目标与传感器之间的距离;FMCW调整激光频率,检测发射和回波之间的拍频信号,同时检测目标距离和速度。

现阶段,ToF是最主流的测距方案,但是Mobileye、Aeva及Blackmore(已被Aurora收购)等公司从一开始就采用了FMCW测距方案。

目前,激光雷达技术路线在行业内讨论较多ToF大前提下讨论了测距方案。

ToF激光雷达的结构分为三部分:激光发射器、激光探测器和扫描部件。根据波长,激光发射器主要分为905 nm和1550 nm根据集成度可分为两种类型EEL(边发射激光器)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)两种激光探测器主要分为集成度和感光灵敏度APD(雪崩光电二极管)和SPAD(单光子光电探测雪崩二极)等。根据扫描部件,可分为机械旋转、混合固态和纯固态。

(以上每种分类方法列出的类型都不完整,这里只选择了最具代表性的方案。

传统的机械旋转概念没有争议,即整个产品由电机旋转360度;混合固态概念,简单地说,部分部件是机械运动,另一部分不是运动,虽然概念清晰,但过去几年有很多误解;纯固态,完全没有机械运动部件,虽然概念楚,但以前有一些误解。

2017-2019年,根据一些老厂商给出的定义,机械旋转产品只要封在盒子里,就会变成混合固态,但实际上是机械旋转。在那个阶段,MEMS(微振镜式)被归类为纯固态,这也是一种误解,因为MEMS机械运动部件也存在。

机械旋转:机械部件(扫描模块)和电子部件(激光收发模块)都在运动-电机360度旋转。

混合固态:激光收发模块不运动,只有扫描模块在运动。混合固态按扫描模块的运动方式分为MEMS、有三种转镜式和棱镜式(这个稍后会有更详细的解释)。

纯固态:不仅激光收发模块不运动,扫描模块也不机械运动。纯固态方案主要包括OPA和Flash两种。

总体上,从机械旋转到半固体、再到固态,产品的集成化程度越来越高,成本越来越低。

机械旋转激光雷达具有体积大、可靠性低、交通规则困难、价格高等缺点,但其性能指标强(距离长、水平扫描角度大)。——在这个阶段,它的缺点是可以容忍的。

机械旋转激光雷达主要销售Robotaxi由于需求量小,测试车队,Robotaxi客户对激光雷达价格不敏感;此外,这些B端客户将对激光雷达的技术成熟度和可靠性有更合理的期望。为了确保安全,他们还将严格遵循制造商提供的使用寿命。如果过期,将及时更换。此外,他们还将安排专人定期检查和维护激光雷达,并及时发现问题。

目前,全球范围内Robotaxi市场上比例最高的激光雷达是和赛的40线和64线产品。根据和赛招股说明书上的信息,2019年以后,64线产品销量优于40线。作者曾经问过几位和赛的客户,他们对机械旋转激光雷达的价格有一些看法,但他们相当认可它的性能。

然而,如果你想把激光雷达安装在前装量产车上,那就不一样了。这些车大多卖给终端消费者做私家车。消费者会定期检查车上的激光雷达是否有问题?

此外,激光雷达的设计寿命可能已经满,但一些消费者仍然正确使用。当私家车被打开滴滴,每天工作超过16小时时时时,激光雷达的稳定性、散热能力和抗振动能力将面临更大的挑战。

因此,激光雷达必须入前装量产市场,必须达到汽车规级标准。

从2020年Q4.起初,激光雷达制造商和汽车公司都在高调喊前装量产。在这个阶段,除了性能指标外,还需要考虑汽车规则、集成度、大规模生产和成本。在这个阶段,机械旋转激光雷达基本上退出了竞争。现在,争夺前装量产市场的基本上都是混合固态产品。

如华为不做Robotaix测试市场,所以跳过机械旋转方案,直接从混合固态开始;在机械旋转激光市场上最具竞争力的竞争力,也在开发面向大规模生产市场的混合固态产品(MEMS、转镜)。

主要分为纯固态OPA和Flash,但率先提出OPA路线的Quanergy公司已经退出了自动驾驶市场,目前主流厂商很少开发OPA产品;当前,Ibeo、大陆、Ouster等公司的纯固态激光雷达都是基于Flash方案。其中,Ouster公司的Flash激光雷达已经搭载在多家公司的无人卡车、矿车和环卫车上。

即使是现阶段专注于机械旋转和混合固态激光雷达的和赛、华为等厂商也承认,纯固态代表未来趋势,所以都有相关的技术储备。和赛招股说明书中提到的纯固态激光雷达,虽然不清楚是不是。Flash,但也强调了基于电子扫描。

纯固态激光雷达不仅体积小,而且由于没有运动部件,可靠性更高,技术成熟后成本更低。但目前,纯固态激光雷达的致命弱点是探测距离相对较短,如Ibeo公司提供给长城Flash激光雷达ibeoNext,探测距离只有130米。

有两种方法可以延长探测距离:提高激光发射器的功率,提高激光探测器的感光灵敏度。在这个阶段,这两种技术都还不成熟。当这两种技术成熟,成本可以接受时,Flash纯固态将成为主流。

2017年底,Velodyne高管在接受笔者采访时说:Flash该方案不适合汽车使用,我们已经达成了共识。 现在看来,Velodyne之前 随着技术的进步,技术的进步,技术的进步,Flash可以提高激光雷达的探测距离。

答:,MEMS激光雷达具有分辨率高、集成度高、体积小、成本低等优点(现有方案集成度最高、成本最低)MEMS该产品被朋友嘲笑为:扫描镜上的光孔相对较小,导致每个光束上的平均能量不足,因此在现有技术条件下的探测距离相对较短。

但由于成本和集成,MEMS该产品在低速自动驾驶市场上具有很强的竞争力。速腾聚创长期以来一直新秀的战略客户,并在三年多的合作中获得了大量客户的真实反馈,技术进步迅速。

而且,乘用车L2 或NOA就驾驶责任而言,由于驾驶责任主体仍然是人,自动驾驶系统只是锦上添花,并不要求100%完美。因此,在综合考虑了性能和成本后,一些汽车公司选择在前装量产车上携带MEMS激光雷达Lucid首款量产车Lucid Air速腾聚创即将搭载MEMS激光雷达。

虽然禾赛专注于机械旋式激光雷达,但它是在2019年初发布的PandarGT 3.0,却是基于MEMS计划。根据招股说明书中提到的信息,公司也将进行后续研发MEMS产品。

激光雷达是雷奥的第一个过车规则Scala 基于转镜方案,由于该方案易于通过车辆规则验证,其他主要的前装量产市场制造商也纷纷效仿。

(研究机构的报道和文章很多Luminar和华为的技术路线分为MEMS,这是一种误解。每个公司都储备了许多技术,他们已经向一些技术计划申请了相关的专利,但实际上并没有生产产品。一些研究机构只通过专利来判断其他产品的技术路线,但没有直接与相关公司接触,因此在分析结果上存在偏差。

转镜式和MEMS的区别是:MEMS扫描镜在一定直径周围上下振动,而旋转镜在圆心周围旋转。这种扫描方法意味着功耗相对较低,散热难度较低,因此很容易实现相对较高的可靠性。

目前,在已经获得量产订单的龙头公司中,有相对较多的转镜方案。虽然机械旋转产品在和赛,但Robotaxi市场很有竞争力,但其实公司早在2017年就布局了转镜方案,只是比较低调,一直没有公开说。

此外,禾赛的招股说明书显示,其产品面向前装量生产市场Pandar ST也采用了转镜方案。

转镜方案分为一维转镜(Ibeo、和赛)和二维转镜(Luminar、Innovusion)两种,所谓的一维镜头,即只有一个扫描镜,二维镜头是一个纵向和水平的两个扫描镜。一维镜头有多少线就有多少激光发射器,这意味着在制作高线产品时不仅要花费成本,而且集成难度很大,因而线数很难做高(法雷奥的Scala 1只有4线,Scala 2也只有16线,原因便在于此);二维转镜则跟MEMS类似,是只用数量很少的激光发射器,通过扫描镜高速旋转中的折射和反射来达到“多线”的效果,这样不仅可节省激光器的成本,也可做高“线数”。

禾赛的PandarST将采用一维转镜方案,但不同于Scala,禾赛计划将激光发射器和探测器集成到芯片里面(这个目标将在禾赛芯片化方案Roadmap的2.0阶段实现),实现激光收发系统和“线数”的一一对应,这样,就不仅可以基于一维转镜实现很高的线数,而且还可以持续享受到摩尔定律的红利。

棱镜式扫描方案的代表公司是Livox。棱镜式方案使用的是非重复扫描技术,这意味着,其需要搭配的算法跟主流基于重复扫描技术的激光雷达不同。

与MEMS和二维转镜方案相比,棱镜式方案用的激光发射器数量更多,也能达到更高的点云密度、更远的探测距离,但因电机的转速比转镜式方案下高数倍,棱镜方案对电机轴承等可靠性提出了非常大的挑战。Livox在做无人机时积累了精密电机制造技术,有信心克服这一困难,而目前其他厂商鲜有去探索这一技术的。

Livox的棱镜式产品还可享受一个“红利”:Livox的兄弟公司“大疆车载”会向他们提要求、给反馈,这样,他们自己就形成了一个闭环,有利于技术的快速进步。 

答:目前,激光雷达的技术路线都尚处在百家争鸣的阶段,这三种方案,都有主流厂商在尝试,甚至,同一家公司同时在做两种以上方案的产品;而且,产品都还没有大规模上车,没经过验证,现在评价“谁行谁不行”,为时尚早。

如Luminar尽管早在一年半前就说拿到了15亿美元的订单,但据其在上市前公布的信息,2020年只卖出去了100颗激光雷达,大批量交付要等到2022年之后。

而且,Lumianr公布的很多订单可能只是个供货协议,主要是约束供应商的价格,对车企的订单规模没有太强的约束力。以下是

某激光雷达厂商负责人的原话是:“即便是现在跟某个车企签约了,后续的合作中还可能存在变数,未必就会长期合作;现在没签约的,也不代表以后就没机会了。“

笔者估计,哪种技术路线及哪家公司的产品力更强,在2023年底之前会有一一个相对清晰的答案。

答:首选需要澄清,禾赛和华为都有MEMS的技术储备,哪怕没有相关产品,也有专利,因此,不存在MEMS路线胜出后他们就“不知所措”的问题。

而且,MEMS还是转镜式或棱镜式,激光收发模块是可以通用的,区别主要在扫描方案上。那么,一家公司能否快速从转镜或棱镜方案切换到MEMS方案,取决于这样一个问题:激光雷达的真正壁垒在扫描模块,还是在激光收发模块?

如果是前者,在切换到另一种扫描方案就很难,如果是后者,则不难。

有一些厂商认为,扫描方案才是差异化竞争的点,但禾赛在去年7月份接受笔者采访时提到,扫描方案只是激光雷达的“外功”,激光收发技术才是“内功”。禾赛认为,禾赛在做机械旋转式产品时积累起来的激光收发技术,可复用至转镜式、MEMS及纯固态产品中,只需要对个别参数微调一下即可。Ouster公司也持类似观点。

(激光雷达核心技术逻辑框图;摘自 禾赛招股书)

笔者的理解是:在法雷奥已经证明转镜方案更容易过车规后,多家厂商在开发面向前装量产市场的产品时都瞄准了转镜式,这意味着,扫描方案的壁垒可能没那么高;事实上,做长探测距离、提高集成度这些,往往是要围绕着激光收发模块“做文章”。

到了纯固态的阶段,激光发射器和探测器都会被集成到芯片中,并且也不需要单独的扫描部件了,这时,激光雷达高度依赖半导体技术,很难说扫描方案占了多高的权重。

因此,在扫描方案方面,先发优势可能不明显;但在激光收发技术方面,先发优势可能会比较明显。

答:从目前激光雷达的核心组成元器件来看,芯片是关键的降本部分,包括控制芯片、ASIC芯片、激光器、波束控制机构和光电探测器。Luminar在招股书中显示,其已经通过跟供应商的协议定,在订单量达到一定规模的前提下激光发射器、探测器及Asic芯片,这三项的成本可控制在100美元以内。

 

答案:早期,有不少厂商使用的芯片是外购的,如法国市场研究机构Yole的报告显示,高通、德州仪器、LG Innotek和理光就在为激光雷达厂商提供芯片。但由于激光雷达是一个比较新的产品,技术路线还不确定,供应商也没有成熟的方案,因此,外采的难度并不低。

况且,激光雷达早期的壁垒在光学知识,但从长期看,性能如何提升、成本怎么降,都是半导体问题。芯片就是激光雷达厂商的命脉, 激光雷达厂商没有对核心芯片的自研能力,很难在这个市场上生存。因此,Luminar从一开始就决定自研激光雷达芯片,即将在美国上市的Ouster也已自研了用在Flash激光雷达上的ASIC芯片。

 

答:基本功能不会改变,但性能会越做越好,主要体现在:探测距离会越来越长、测距精度会越来越高、分辨率会越来越高。

答:这是一个非常好的问题。Luminar和速腾聚创已明确将卖算法作为一种收入来源,禾赛招股书中也提到,融资金额中有差不多1.5亿元是要用于算法开发的。但具体更喜欢那种方案,不同的车企会有不同的选择。

小鹏、蔚来、理想这种造车新势及长城这种对自己掌握核心技术志在必得的传统车企,基本上不大可能愿意使用激光雷达厂商提供的算法;但许多一时半会儿还不能自己搞定感知算法,又急着使用激光雷达的传统车企,将不得不依赖于激光雷达厂商提供的感知算法,毕竟,消费者只在乎装激光雷达带来的体验如何,那个钱是否花得值,而不会在乎你的激光雷达算法是你自己的还是供应商的。

接下来几年,还有不少激光雷达是卖给车路协同项目,这些客户都是搞基建的公司,他们肯定没能力自己做算法的。激光雷达厂商要跟这些客户做生意,不是你愿不愿意提供算法的问题,而是你必须如此,如果不提供算法,这块市场你是啃不下来的。

当然,激光雷达的算法要比摄像头算法简单得多,因此,厂商们提供算法,是增加产品的附加值,但算法本身并不足以构成竞争壁垒。

答:不会捆绑的。MDC团队曾频繁跟其他激光雷达厂商接触,希望MDC的接口能跟其他厂商的激光雷达兼容,这对华为自己、其他激光雷达厂商及车企来说都是一个比较好的做法。

 

答:各家主机厂的能力体系及需求不太一样,有一些主机厂会倾向于采用华为的全栈式方案,但也有很多主机厂倾向于自研软件算法,根据算法能力及需求去选择芯片、传感器供应商。

答:从长期看,各车企之间自动驾驶能力的差异点,在决策算法上,而非感知环节——“正如同我们评价一个人牛不牛逼,是看他的思维牛不牛逼,而不是看他的视力牛不牛逼”(郭继舜语),而在技术成熟后,感知是会是一项标准化程度比较高的通用技术。

从技术的角度考虑,投资一项通用技术,无助于提高车企的竞争力。但如果车企的采购量足够大,而通过投资又能享受折扣价,那是另一回事。

答:也许,在几年后再看,“优先搭载”这个权利就没那么重要了。

前些年,在激光雷达由Velodyen垄断供应、产能极度紧缺的阶段,百度 福特为了优先购买Veldoyen的激光雷达而投资,但现在,激光雷达已是一个充分竞争的市场了,总共有超过100个玩家,有影响力的也达10家左右,几年之后,产能应该也起来了,“优先搭载”的必要性就不存在了吧?

况且,如果你的算法还没有牛逼到需要搭配很高级的传感器,那“优先搭载”的意义也不大吧?

标签: 高功率密度1w激光二极管850nm脉冲激光二极管

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