傳感器是設備感受外界環(huán)境的重要硬件,，決定了裝備與外界環(huán)境 交互的能力,，是設備智能化的硬件基礎，尤其在很多智能設備中,，傳感器決定著設備的核心能力,。一個典型的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路組成,。敏感元件用于直接感受被測量,，轉(zhuǎn)換元件用于轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)。
傳感器用途廣泛,、種類繁多,。按照測量對象可以將傳感器分為檢測光、放射線,、聲信號,、磁信號、力,、位置信息,、溫度、濕度,、溶液流量流速等類型的傳感器,。每一種檢測同樣對象的傳感器又有多種應用和不同的實現(xiàn)路徑。
目前,，國內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點在材料,、結(jié)構(gòu)和性能改進3個方面：敏感材料從液態(tài)向半固態(tài),、固態(tài)方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)向小型化,、集成化,、模塊化、智能化方向發(fā)展,；性能向檢測量程寬,、檢測精度高、抗干擾能力強,、性能穩(wěn)定,、壽命長久方向發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,，對傳統(tǒng)傳感技術(shù)又提出了新的要求,，產(chǎn)品正逐漸向MEMS技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),、紅外技術(shù),、新材料技術(shù)、納米技術(shù),、陶瓷技術(shù),、薄膜技術(shù)、光纖技術(shù),、激光技術(shù),、復合傳感器技術(shù)、多學科交叉融合的方向發(fā)展,。
智能傳感器讓智能裝備擁有多種“感覺”
傳感器作為智能裝備唯一的自主式輸入，相當于智能裝備,、機器人的各種感覺器官,，智能裝備對于外界環(huán)境的感覺主要有視覺、位置覺,、速度覺,、力覺、觸覺等,。
視覺是智能裝備最常用的輸入系統(tǒng),，并可以分為兩大類：一是直觀的視覺，數(shù)據(jù)類型是像素組成的圖片,，典型的應用如機器視覺,、物體識別等，此類傳感器有高速相機,、攝像機等,；二是環(huán)境模型式的視覺,，數(shù)據(jù)類型是點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間模型，典型的應用是空間建模,，此類傳感器有3D激光雷達,、激光掃描儀等。
位置覺是指通過感知周圍物體與自身的距離,，從而判斷自身所處的環(huán)境位置,，此類傳感器有激光測距儀、2D激光雷達,、磁力計(判斷方向),、毫米波雷達、超聲波傳感器等,。
速度覺是指智能裝備對于自身運行的速度,、加速度、角速度等信息的掌握,，此類傳感器有速度編碼器,、加速感應器、陀螺儀等,。
力覺在智能裝備中用以感知外部接觸物體或內(nèi)部機械機構(gòu)的力,，典型的應用如裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，用來實現(xiàn)力反饋,；裝在機械手臂末端和機器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器,，用來檢測物體施加的力等。
觸覺在智能裝備中可以進一步分為接觸覺,、壓覺,、滑覺，此類傳感器有光學式觸覺傳感器,、壓阻式陣列觸覺傳感器,、滑覺傳感器等，其中滑覺傳感器是實現(xiàn)機器人抓握功能的必備條件,。
除以上五種人體感覺以外,，一些物理傳感器還具有超越人體的感覺，比如生物傳感器可以測量血壓,、體溫等,，環(huán)境傳感器可以測量溫濕度、空氣粉塵顆粒物含量,、紫外線光照強度等,。這些超越人體感官的傳感器如今被可穿戴設備搭配起來，可穿戴設備從而被賦予了擴充人體感官的功能,。
傳感器研發(fā)趨勢
隨著微機電系統(tǒng)(MEMS),、激光技術(shù),、高科技材料等的技術(shù)進步，傳感器的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化的趨勢,，有的利用生物材料模擬人類皮膚,，創(chuàng)新傳感器的觸覺；有的利用MEMS技術(shù)研發(fā)微型智能化傳感器,，從而有利于復雜系統(tǒng)的集成,；有的利用高精度的激光技術(shù)創(chuàng)造激光雷達，從而利于系統(tǒng)實時感知周邊障礙物與環(huán)境等等,。
然而總體而言,，傳感器的研發(fā)過程呈現(xiàn)兩階段的趨勢：一、技術(shù)創(chuàng)新,，根據(jù)未能滿足的需求開發(fā)新產(chǎn)品,。在第一階段中，傳感器研發(fā)創(chuàng)新的方向源于智能裝備,、創(chuàng)新設 備的需求,，研發(fā)人員根據(jù)使用需求，創(chuàng)新出新型傳感器,。二,、成本降低，應用落地,，產(chǎn)品逐步切合產(chǎn)業(yè)化需求,。在第二階段中，在研發(fā)創(chuàng)新的過程中,，為了滿足人們 對于智能裝備產(chǎn)業(yè)化應用的需求,，研究人員從對技術(shù)開發(fā)的關(guān)注轉(zhuǎn)為對成本下降的關(guān)注，以實現(xiàn)傳感器大規(guī)模生產(chǎn),，智能裝備產(chǎn)業(yè)化應用的愿景,。
3D激光雷達就是這樣一種從功能創(chuàng)新中誕生，又開始進入商業(yè)化開發(fā)的傳感器,。下面以激光雷達為例，梳理傳感器典型的發(fā)展趨勢,。
研發(fā)趨勢一：技術(shù)向高階延展
3D激光雷達的出現(xiàn)是為了滿足系統(tǒng)對于實時空間感知的需求而出現(xiàn)的,，無人駕駛汽車、無人機等自主移動式機器人出于空間識別,、自主避障,、規(guī)劃路線的目的，需要一個傳感器能夠?qū)崟r對于周邊環(huán)境進行掃描,，從而獲知周邊障礙物和道路的距離信息,，由此3D激光雷達應運而生,。
3D激光雷達的研發(fā)過程本質(zhì)上是激光測距技術(shù)的升維，和實現(xiàn)的需求逐步升級的過程,，激光測距技術(shù)是3D激光雷達的基礎,。最早激光測距儀的出現(xiàn)，解決了點到點一維距離測量的需求,；然后2D激光雷達的出現(xiàn),，解決了在一個扇形平面內(nèi)感知接近物體的需求，測量的是平面內(nèi)的距離,；如今3D激光雷達,，通過高速變化激光投射角度，對周邊環(huán)境實時掃描獲取距離信息,，解決了在三維空間內(nèi)的障礙物和環(huán)境識別需求,，測量的是三維空間內(nèi)的距離。
3D激光雷達應用最熱門的領(lǐng)域莫過于無人駕駛汽車,，以3D激光雷達為主導的無人駕駛感知系統(tǒng)是當今無人駕駛領(lǐng)域采取的主流技術(shù)路線,，但是3D激光雷達的成本一直是此技術(shù)路線的痛點。以生產(chǎn)3D激光雷達最為知名的Velodyne公司的產(chǎn)品為例,，三款產(chǎn)品按性能最高到底的售價分別為8萬美元,、2萬美元、8千美元,。在無人駕駛汽車研發(fā)測試階段,，包括谷歌、百度在內(nèi)的科研機構(gòu)一直采用8萬美元的版本進行測試,，據(jù)了解,，谷歌無人駕駛汽車的總成本約為30多萬美元，而該款64線型的3D激光雷達HDL-64占整車成本的25%,。
研發(fā)趨勢二：成本隨應用降低
經(jīng)過了研發(fā)第一階段技術(shù)創(chuàng)新以后,，成本過高是以3D激光雷達為主的無人駕駛感知系統(tǒng)的主要問題，傳感器生產(chǎn)公司對于激光雷達研發(fā)的關(guān)注點從功能增強轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀究刂?，由此進入了研發(fā)第二階段：降低成本以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用,。
在素有“電子消費領(lǐng)域科技風向標”之稱的2016CES大會上，激光雷達科技企業(yè)Velodyne和Quanergy都展出了新型3D激光雷達,。Velodyne的Puck Auto和Quanergy的S3與之前相比都是小型化的改良產(chǎn)品,。
Velodyne公司的Puck Auto采用32線激光，掃描范圍達200米,，可以認為是VLP-16的加強版,，相比于VLP-16更加切合于無人駕駛汽車的使用需求，相比于另外兩款產(chǎn)品價格成本更低。該公司已與福特公司達成合作意向,，未來福特公司的無人駕駛汽車Fusion將配置2臺Puck Auto,，并且Velodyne公司負責人稱他們將進一步降低產(chǎn)品成本，目標控制在1000美元以下,。
Quanergy公司的S3是與德爾福公司合作開發(fā)的固態(tài)激光雷達,，采用8線激光，內(nèi)部無旋轉(zhuǎn)部件,，可集成于整車內(nèi),。在此前的報道中，Quanergy公司的CTO表示每臺S3成本在200美元,。價格極低的原因在于產(chǎn)品的配置,，“8線”、“固態(tài)”這兩個特性決定了成本的有效控制,?！肮虘B(tài)”意味著不能360度轉(zhuǎn)動，只能探測前方,，但探測范圍的不足,，可以用數(shù)量來彌補，在車身四角布置四臺或六臺S3,，是德爾福無人駕駛汽車所探索的方案,。
通過這兩個美國科技企業(yè)在2016CES上發(fā)布的新產(chǎn)品，我們可以得知激光雷達的技術(shù)特性正逐步切合無人駕駛領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求,，去除測試階段的冗余硬件配置后,，成本有望大幅降低。
傳感器應用趨勢：同類結(jié)合,、多種組合,、場景創(chuàng)新
傳感器作為智能裝備除人工設置參數(shù)以外的唯一輸入，其重要性不言而喻,。傳感器感知外界環(huán)境的能力,，決定了智能裝備信息輸入的準確性和豐富性。對于傳感器的有效應用的創(chuàng)新,，往往也是智能裝備功能創(chuàng)新的基礎,。智能裝備對于傳感器的創(chuàng)新應用主要有以下三種趨勢：
同類傳感器結(jié)合使用，單一功能上的縱向深度結(jié)合
這種情況下,，系統(tǒng)在單一功能上往往有著極高的需求,，為滿足系統(tǒng)在單一功能上的高復雜需求，同類傳感器有機結(jié)合,，形成的冗余結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)在該功能上的安全性。如無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)，多種視覺,、位置覺傳感器的有機結(jié)合,，形成了相互補充的冗余結(jié)構(gòu)，從而保證了系統(tǒng)能夠正確,、高效地實時感知外界環(huán)境,，做出正確駕駛決策。
此時,，傳感器之間在功能上往往有著主導和輔助的區(qū)別和聯(lián)系,，起主導作用的傳感器是產(chǎn)品實現(xiàn)的核心技術(shù)壁壘。
多種傳感器組合使用,，多種功能上的橫向廣度組合
為滿足系統(tǒng)多類型,、多層次的輸入輸出需求，多種類型的傳感器創(chuàng)新組合,，形成智能裝備的多種感覺,，根據(jù)多種感覺形成智能反饋。如情感交互性機器人Pepper以及其他陪護型,、早教型機器人等,，多種感官的組合形成了視覺、位置覺,、聽覺等情感感知系統(tǒng),，再通過內(nèi)部的人工智能算法形成智能反饋。
此時,，硬件之間不存在主次之分,，系統(tǒng)和算法芯片也同樣發(fā)揮重要作用。
新型傳感器應用于傳統(tǒng)設備,，賦予設備智能化的生命力
新型智能傳感器應用于傳統(tǒng)設備,，賦予傳統(tǒng)設備“感覺”，從而升級為智能設備,。如激光雷達與掃地機器人的結(jié)合,，形成了路徑規(guī)劃式的掃地機器人；血壓傳感器,、心率傳感器,、位置傳感器和手表、手環(huán)的結(jié)合,，形成了集各種健康監(jiān)控功能于一身的可穿戴式設備等,。
這種情況下，由于傳統(tǒng)設備本身具備需求,，因此是主要一種存量市場的滲透替換現(xiàn)象,，而新型傳感器應用帶來的效果改進具有明顯的消費者基礎。