自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器必須解決溫度,、照明、反射,、導(dǎo)航甚至網(wǎng)絡(luò)安全等多種性能挑戰(zhàn)。

　　據(jù)麥姆斯咨詢介紹,，自動(dòng)駕駛為基于光子學(xué)的傳感器帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn),。自動(dòng)駕駛汽車需要激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭,、雷達(dá)和超聲波等許多類型的傳感器,，預(yù)計(jì)每年數(shù)百萬(wàn)的自動(dòng)駕駛汽車將為這些傳感器帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。

　　當(dāng)然,，與機(jī)遇相伴的是,，挑戰(zhàn)也很多。攝像頭和激光雷達(dá)必須高可靠地生成安全導(dǎo)航所需要的數(shù)據(jù),，在各種溫度,、照明水平和目標(biāo)反射率下運(yùn)行多年。并且,，還需要在低成本下提供這種性能,，好比以消費(fèi)類產(chǎn)品的價(jià)格,，提供航天產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　上圖激光雷達(dá)圖像中的顏色編碼反映強(qiáng)度,，很容易看到車輛的黑色輪胎,。這種性能對(duì)于自動(dòng)駕駛很重要，因?yàn)榈缆飞蠒r(shí)常會(huì)出現(xiàn)車輛需要避讓的散落輪胎

　　因此,，激光雷達(dá)和攝像頭供應(yīng)商正在不斷創(chuàng)新,。如果自動(dòng)駕駛汽車能夠在近年內(nèi)成功在大眾市場(chǎng)閃亮登場(chǎng)，激光雷達(dá)和攝像頭技術(shù)的進(jìn)步功不可沒(méi),。

　　Yole技術(shù)和市場(chǎng)分析師Alexis Debray指出,，對(duì)多種傳感器的需求，源于這些不同技術(shù)的不同基本功能,?！皵z像頭具有良好的空間分辨率，但缺乏深度信息,，”他說(shuō),，“雷達(dá)具有良好的深度感知，但受限于橫向空間分辨率,。而激光雷達(dá)能夠以中等分辨率實(shí)現(xiàn)兩者兼具,。”

　　Debray稱,，攝像頭相比雷達(dá)可以提供100倍的空間分辨率,。而落在兩者之間的激光雷達(dá)，其分辨率約為雷達(dá)的20倍,，攝像頭的五分之一,，填補(bǔ)了覆蓋范圍的空白。

　　自動(dòng)駕駛使用多種類型的傳感器,，還有另一個(gè)原因,。“那就是安全,，需要從多個(gè)傳感器獲取自動(dòng)駕駛需要的冗余信息,，”Debray說(shuō)。

　　因此,，激光雷達(dá)和雷達(dá)都用于提供有關(guān)物體距離的信息,，以及物體之間距離變化的速度信息。攝像頭可以捕捉物體的顏色和其他特征,。這些傳感數(shù)據(jù)可用于將物體分類,，例如被風(fēng)吹起的塑料袋，或者需要避讓的行人或其他車輛,，這些對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,。攝像頭還可以捕捉街道交通標(biāo)志,、探測(cè)車道標(biāo)記。

　　激光雷達(dá)已經(jīng)首次裝配在量產(chǎn)汽車中進(jìn)入大眾市場(chǎng),，盡管目前有些系統(tǒng)的覆蓋范圍和探測(cè)距離仍有限,。然而，自動(dòng)駕駛應(yīng)用的激光雷達(dá)系統(tǒng)需要足夠高的分辨率和足夠遠(yuǎn)的探測(cè)距離,，以精確感知車輛的周圍環(huán)境,。美國(guó)加州的激光雷達(dá)領(lǐng)導(dǎo)廠商Velodyne LiDAR首席技術(shù)官Anand Gopalan表示，這些要求對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn),。Velodyne公司參與了全球許多自動(dòng)駕駛汽車項(xiàng)目,。

　　峰值功率

　　假設(shè)一輛自動(dòng)駕駛汽車正以120公里/小時(shí)的速度在高速上行駛,，在前方幾百米處出現(xiàn)了黑色的破損輪胎,。據(jù)Gopalan介紹，輪胎的反射率約為10％,，在這種情況下,，激光雷達(dá)投射在輪胎上的數(shù)十億光子，只有數(shù)百個(gè)能反射回來(lái),。

　　“我們需要在激光器上獲得高峰值功率,，”Gopalan說(shuō)，“因?yàn)樗梢栽诿看螠y(cè)量距離的脈沖中發(fā)射盡可能多的光子,。而探測(cè)器需要高靈敏度和低噪音,。”

　　在激光雷達(dá)圖像中顏色編碼反映強(qiáng)度,，車道標(biāo)志會(huì)“浮現(xiàn)”出來(lái)

　　這些返回的信息需要組合成距離數(shù)據(jù)的點(diǎn)云,，然后對(duì)其進(jìn)行解讀。系統(tǒng)可能只有一秒的時(shí)間來(lái)執(zhí)行這些操作并采取某種行動(dòng),，因?yàn)樵诟咚偕闲旭偟钠嚨膭x停距離可能需要近百米或更長(zhǎng),。

　　Gopalan說(shuō)，業(yè)內(nèi)廠商已經(jīng)開(kāi)始為第一波自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)行規(guī)劃,，預(yù)計(jì)到2022年將推出幾十萬(wàn)輛自動(dòng)駕駛汽車,。他補(bǔ)充說(shuō)，自動(dòng)駕駛所需要的傳感器在性能,、可擴(kuò)展性和成本方面,，到時(shí)已經(jīng)能夠滿足行業(yè)的初期要求。他預(yù)測(cè),，隨著銷量的增加,，這些傳感器的成本將進(jìn)一步下降。

　　將傳感器捕捉的數(shù)據(jù)通過(guò)汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回中央處理單元需要能耗,，而分析這些數(shù)據(jù)需要更多的能耗和計(jì)算資源,。因此,，降低成本的一種途徑是使傳感器變得更智能，提高邊緣計(jì)算處理能力,。

　　據(jù)羿戓設(shè)計(jì)所了解,，先進(jìn)的CMOS圖像傳感器可以提供適用于新一代駕駛輔助和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的分辨率，這些圖像傳感器有助于對(duì)象的分類,，從而實(shí)現(xiàn)更安全的導(dǎo)航

　　滿足自動(dòng)駕駛車輛需求的另一種方法是推出新技術(shù),。美國(guó)加州的激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司Quanergy Systems便提供了一個(gè)案例。Quanergy Systems首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Louay Eldada稱,，該公司的核心專長(zhǎng)在于光學(xué)相控陣技術(shù),。

　　通過(guò)數(shù)千個(gè)光學(xué)天線元件之間的干涉，該公司的芯片可以在不使用任何運(yùn)動(dòng)部件的情況下形成并偏轉(zhuǎn)光束,。據(jù)Eldada稱,，Quanergy的激光雷達(dá)產(chǎn)品比同等性能的機(jī)械式激光雷達(dá)更小、更可靠,。并且,，這種系統(tǒng)功耗更低，可以用高幀率的低強(qiáng)度激光覆蓋周圍環(huán)境,。

　　“這是一種紅外激光束,。我們的工作波長(zhǎng)為905 nm，因?yàn)槲覀兿Ｍl(fā)射器和接收器等所有芯片都采用硅材料和工藝,，”Eldada說(shuō),。

　　多激光雷達(dá)組合應(yīng)用

　　Eldada指出，每輛車上可能需要多個(gè)激光雷達(dá),。自動(dòng)駕駛汽車必須能夠精確地“看到”周圍的一切,，汽車制造商希望刷新率能夠達(dá)到50 fps，而單個(gè)激光雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn),。如果激光雷達(dá)傳感器的安裝位置不影響車身設(shè)計(jì),，則意味著車輛本身將會(huì)阻擋傳感器的部分視線?！耙虼?，每輛自動(dòng)駕駛汽車將需要3~5個(gè)激光雷達(dá)，”Eldada說(shuō),，“其中,，4個(gè)是最優(yōu)的組合。因而每個(gè)激光雷達(dá)的價(jià)格需要降到數(shù)百美元區(qū)間,?！?/p>

　　加拿大激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司LeddarTech則帶來(lái)了另一種達(dá)到成本和性能目標(biāo)的方案。LeddarTech總裁兼首席執(zhí)行官Frantz Saintellemy表示,，該公司開(kāi)發(fā)了自己的核心傳感技術(shù),，并為客戶提供如何為汽車應(yīng)用構(gòu)建激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整解決方案,。

　　LeddarTech基于信號(hào)采集和處理技術(shù)，可以使返回脈沖捕捉更多信息,。據(jù)Saintellemy介紹,，這可以用更低的成本獲得可接受的產(chǎn)品性能。例如,，該公司的參考設(shè)計(jì)能夠使用905nm激光器和探測(cè)器達(dá)到數(shù)百米的探測(cè)距離,，該波長(zhǎng)的激光器和探測(cè)器比1550nm器件性能低，但成本低得多,。

　　“今天我們選擇專注于905nm波長(zhǎng),，因?yàn)檫@是目前更實(shí)際可行的技術(shù)方案，”Saintellemy說(shuō),，“隨著1550nm技術(shù)變得更加標(biāo)準(zhǔn)化,，我們可以通過(guò)選擇1550nm技術(shù)方案來(lái)顯著提高我們的產(chǎn)品性能。但是,，現(xiàn)在我們并不需要利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所需要的性能,?！?/p>

　　多攝像頭組合應(yīng)用

　　據(jù)Yole稱,，每輛自動(dòng)駕駛汽車或?qū)⒀b備10個(gè)以上的攝像頭，而目前汽車中一般只有2~4個(gè)攝像頭,。更重要的是,，與當(dāng)今最先進(jìn)的汽車相比，未來(lái)自動(dòng)駕駛需要的攝像頭必須具有更低的噪聲,、更好的校準(zhǔn)性能和更強(qiáng)大的堅(jiān)固性,。

　　“用于自動(dòng)駕駛汽車的攝像頭與工廠中用于機(jī)器視覺(jué)的攝像頭類似，”Debray說(shuō),。

　　OmniVision Technologies（豪威科技）汽車營(yíng)銷負(fù)責(zé)人Andy Hanvey表示,，攝像頭的分辨率最初為2~8 MP，之后將升級(jí)到更高的分辨率,。更好的成像能力可以帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì),。

　　“隨著分辨率的提高，可以使攝像頭能夠更遠(yuǎn)地看到并更快地檢測(cè)到障礙物或危險(xiǎn),，”Hanvey說(shuō),，“越早感知危險(xiǎn)，對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)非常重要,?！?/p>

　　對(duì)于堅(jiān)固耐久性的要求，一方面是因?yàn)樽詣?dòng)駕駛車輛未來(lái)在路上行駛的時(shí)間將更長(zhǎng)?，F(xiàn)在,，普通汽車通常每天有22~23個(gè)小時(shí)是閑置在車位上的,。自動(dòng)駕駛汽車可能會(huì)刺激乘車共享的發(fā)展。如果是這樣,，使用和閑置之間的比例可能會(huì)翻轉(zhuǎn),，全自動(dòng)駕駛汽車每天可能要運(yùn)行20多個(gè)小時(shí)。

　　“這要求傳感器具有更高的可靠性,，就像工業(yè)或商業(yè)設(shè)備必須比消費(fèi)類設(shè)備更加堅(jiān)固,、耐久，”位于美國(guó)鳳凰城的芯片制造商O(píng)N Semiconductor（安森美半導(dǎo)體）汽車傳感部門(mén)市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)主管Geoff Ballew說(shuō),。ON Semiconductor是汽車圖像傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商,。

　　此外，可靠性還需要網(wǎng)絡(luò)安全,。惡意攻擊自動(dòng)駕駛汽車可能導(dǎo)致致命的結(jié)果,。業(yè)界正在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)解決這個(gè)問(wèn)題。Ballew表示,，ON Semiconductor已經(jīng)將其建議的功能納入其傳感產(chǎn)品中,。

　　據(jù)Ballew稱，多達(dá)20種不同分辨率的攝像頭最終可以安裝在自動(dòng)駕駛汽車中,。這個(gè)數(shù)量級(jí)的攝像頭可以覆蓋幾乎所有視角,，確保車輛能夠充分看到周圍發(fā)生的所有狀況。同時(shí),，成像必須足夠清晰,，以便處理器可以將攝像頭圖像與其他傳感器報(bào)告的信息組合，決定并快速采取行動(dòng),。

　　“關(guān)鍵是要對(duì)汽車進(jìn)行360°覆蓋,，視野中的任何部分都至少有一個(gè)攝像頭覆蓋，并且具有近距離和遠(yuǎn)距離覆蓋范圍,，使汽車每個(gè)角度都有覆蓋冗余,。”Ballew說(shuō)道,。