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          激光雷達在汽車行業的應用現狀
          發布時間:2021-12-07    來源:網絡搜集   閱讀次數:1967 分享到:
              1、什么是激光雷達?是偽需求還是真剛需?
              激光雷達是一種工作在光學波段(特殊波段)的雷達,最早發明于1960s,早期主要用于太空探測、氣象監測、地形勘測、軍事測距、武器制導等,自2005年美國DARPA挑戰賽起首次搭載于自動駕駛車輛,此后廣泛應用于自動駕駛、智慧交通等領域。而在量產汽車里第一個搭載激光雷達的則是奧迪A8,除特斯拉以外,當前主流車企通常選擇搭載激光雷達以提升對環境的感知能力。
              激光雷達可分為激光發射、激光接收、光束操縱和信息處理四大系統,通過分析激光信號描繪三維點云圖,實現環境實時感知及避障功能。相比攝像頭和毫米波雷達,激光雷達可以增強感知系統的冗余性,準確感知周邊環境的三維信息,探測精度在厘米級以內,補充毫米波雷達、攝像頭缺失的場景。較短波長及主動激光技術賦予了激光雷達測量分辨率高、探測距離遠、探測角度大、夜間工作能力強、抗干擾能力強等優勢,在高階自動駕駛方案中,激光雷達的點位還可以通過和高精地圖數據匹配來實時定位車輛信息。
              按照測距原理,激光雷達可以細分為三角測距、飛行時間測距ToF和調頻連續波FMCW。除了三角測距受制于較遠距離分辨率下降難以配套汽車外,ToF激光雷達技術成熟度高是配套汽車主流方式,FMCW激光雷達理論性能優異,長期來看,有望成為裝車破局新方向。
              根據激光發射裝置的不同又可將激光雷達分成光源波長和發射器種類兩種方式。光源波長主要分為905nm和1550nm兩類,發射器又包含邊發射激光器EEL、垂直腔面發射激光器VCSEL與光子晶體結構表面發射激光器PCSEL三種主流方向。
              在激光接收層面,根據光電探測器性能主要分為SiPM、SPAD、APD和PINPD四類。APD技術較為成熟,是使用最為廣泛的光電探測器件;PINPD目前僅適用于FMCW測距激光雷達;SPAD的理論增益能力是APD的一百萬倍以上,但系統成本與電路成本均較高;SiPM是多個SPAD的陣列形式,可通過大尺寸陣列的實現獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用,更容易集成CMOS技術,且電路結構簡單,工作電壓較低。禾賽科技、Innovusion、Ouster等主流廠商均已布局SiPM相關技術,未來有望代替APD。
              根據光束操縱方式不同又可將激光雷達分為機械式、半固態和固態,機械式因成本及外觀因素多應用于無人駕駛測試項目。半固態方案主流方向為MEMS與轉鏡式,MEMS綜合優勢明顯,有望搭載汽車商用;轉鏡方案最早通過車規,轉鏡方案的激光雷達也是首個車規級激光雷達,即上述奧迪A8在2017年時搭載的激光雷達。固態方案以OPA和Flash方案為主,從趨勢來看,激光雷達整體技術向固態演進。
              近日,日本索尼還推出了首枚自動駕駛激光雷達傳感器,該產品價格為1枚1。5萬日元(約合人民幣835元),或將首先用在索尼的概念電動車VisionS上,有望在2022年3月開始對外供貨。索尼的“殺入”似乎也證明了,激光雷達依舊熱的發燙。
              據預計,2021年起全球激光雷達市場將迎來快速發展時期,到2025年全球激光雷達市場規模將達到135。4億美元,2021-2025年復合增長率為61。3%。
              近期,眾多車企攜帶激光雷達車型亮相廣州車展。
              極狐ARCFOX阿爾法S正式上市,其中阿爾法S華為HI版將成為華為HI智能汽車解決方案首款量產車型,搭載3顆速騰聚創M1激光雷達,探測距離150m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
              小鵬汽車全新智能旗艦SUV小鵬G9亮相廣州車展,迎來全球首發?;谌耎-EEA3。0電子電氣架構,搭載2顆速騰聚創M1激光雷達,探測距離150m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
              威馬汽車發布首款純電動轎車M7(預計2022年實現交付),成為全球首搭3顆速騰聚創M1激光雷達和水平探測范圍達330°的車型,探測距離200m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
              哪吒汽車帶來了全新B級數字電動轎跑——哪吒S,其搭載3顆華為激光雷達、探測距離150m@10%,角分辨率0。25°*0。26°,宣稱在部分場景下可以實現L4級自動駕駛。
              廣汽埃安AIONLXPlus新車型于廣州車展正式亮相,將于2022年1月正式上市。AIONLXPlus定位“智行千里純電旗艦”,搭載3顆第二代智能可變焦激光雷達+高算力智能駕駛計算平臺的軟硬件組合,激光波長為905nm、10%反射率下探測距離為150米以及擁有120°水平視場和25°的垂直視場的激光雷達,讓AIONLXPlus成為“高階智駕的新起點”。
              長城旗下高端品牌沙龍汽車正式公布首款高端純電動車機甲龍,于2021廣州車展全球首發。智能配置方面,新車將作為全球首款搭載四顆激光雷達實現激光雷達360°全視角覆蓋的車型,還擁有全球最多的38個智能化感知元件加持,感知能力行業領先。
              傳感器是實現車輛環境感知的硬件保障,是實現自動駕駛的重要關鍵部件。自動駕駛技術的實現主要通過感知、決策和執行三個步驟。1)感知:通過使用多種傳感器獲取和搜集外界環境狀況;2)決策:基于上述信息,通過算法對信息進行處理并將判斷指令發送至執行層;3)執行:智能駕駛系統發出控制指令,對汽車進行控制。
              從自動駕駛技術發展來看,L0-L2階段,傳感器與控制系統的革新是主要變化;L3-L4階段,感知與決策能力的增強是主要變化。
              多傳感器融合優勢互補。視覺傳感器的主要技術手段為圖形識別技術,對環境要求高。雷達傳感器測距精度相對較高,參數各異,對應于物體探測能力、識別分類能力、三維建模、抗惡劣天氣等特性優劣勢分明。
              隨著自動駕駛等級提升,所需傳感器類型和數量有所差異。以L5級別自動駕駛為例,攝像頭個數在8-12個,超聲波雷達在8-12個,毫米波雷達為5-10個,激光雷達在3-6個。
              針對部分復雜場景,激光雷達具有不可替代的優勢。針對遠距小障礙物、近距離加塞、隧道、車庫等復雜場景,毫米波雷達存在分辨率不夠、無法識別靜止物體,攝像頭亦存在受照明條件影響等缺點,激光雷達的優勢能夠充分發揮。
              激光雷達:點云分割創造三維立體圖像,分辨度精準度高。激光雷達主要通過發射和接收激光束,計算時間和相對距離,快速目標三維模型以及線、面、體等各種相關數據,建立三維點云(PointCloud)圖,最大的優勢在于能夠創建出目標清晰的3D圖像。其測量分辨率高,抗干擾能力強、抗隱身能力強、穿透能力強和全天候工作的優勢,促使激光雷達成為L4級以上ADAS系統必不可少的一環,未來有望向L4級別以下智能汽車滲透。
              激光驅動芯片用于驅動激光器發射激光脈沖,為了滿足激光雷達探測的需求,驅動芯片需要提供數十安培的峰值電流以及納秒級的窄脈寬驅動能力。激光器的輸出特性與其驅動電源的性能密切相關,溫度、電流的起伏會影響半導體激光器的光輸出功率。隨著溫度的升高,閾值電流也升高,激光器的特性曲線隨溫度升高向前平移,激光輸出功率下降,以至于可能不能滿足儀器設備正常工作的要求。
              2、百億甚至千億市場空間,百家爭鳴尚未定勝負
              激光雷達持續的技術革新助力多產業新發展。早期激光雷達主要用于科研及測繪項目,進行氣象探測以及地形測繪。隨著技術的發展,激光雷達的應用領域得到拓展,包括工業測量以及早期的無人駕駛研究項目等。激光雷達產業自發展以來,不斷引入新的技術架構,從單點激光掃描到多線激光,從機械旋轉式到半固態、固態式,以及如今車規級、芯片化的發展。最早布局的激光雷達巨頭Velodyne率先將激光雷達應用在無人駕駛測試項目中,在2020年9月完成了NASDAQ上市,市場商業成熟度越來越高。
              隨著自動駕駛級別的提升,單車激光雷達裝載量在1-6個范圍內,預計穩態價格能夠下探至100-200美元區間。根據沙利文預測,受無人駕駛車隊規模擴張、激光雷達在ADAS中滲透率增加等因素推動,激光雷達整體市場預計將呈現高速發展態勢,至2025年全球市場規模為135。4億美元。其中,中國激光雷達市場規模將達到43。1億美元。
              車載激光雷達市場占比超過50%,預計2025年全球車載激光雷達(無人駕駛+ADAS)市場規模將超過80億美元(約合人民幣518億元)。
              光模塊主要由光芯片、電芯片、光組件和其他結構件所構成。在光器件元件中,光發射模塊TOSA和光接收模塊ROSA成本占比較高。TOSA的主體為激光器芯片(VCSEL、DFB、EML等),ROSA的主體為探測器芯片(APD/PIN等)。根據公開資料整理分析,一般光模塊中光芯片成本占比在30%-40%之間,在高端高速光模塊中,這一占比可以達到50%左右。
              激光雷達主要由發射模塊、接收模塊、掃描模塊和主控模塊四部分組成。在光器件元件中,光發射模塊和光接收模塊成本占比較高。激光器芯片一般為EEL、VCSEL、光纖激光器等;探測模塊的主體為探測器芯片(APD/SPAD等)。根據產業調研,一般激光雷達中,光芯片(激光器+探測器)成本占比大于30%,與光模塊的BOM成本結構相似。
              激光雷達仍處于發展初期,技術路徑尚未定型,公司的技術儲備以及車規化能力是決定長期格局的關鍵。目前機械旋轉式激光雷達主要應用在自動駕駛測試領域(robotaxi等),乘用車領域(L3量產車項目)多選擇混合固態式方案,也有少部分選擇純固態式方案。
              技術方案選擇的差異主要影響其商業化進度,國內禾賽、速騰、華為等廠商進度領先。目前主流的激光雷達廠商如禾賽科技、速騰聚創等均有機械式、固態式等產品布局,對OPA、FLASH等純固態式方案亦正在加緊研發;Lumianr則更加專注于混合固態式方案。
              2018年前后,Velodyne在無人駕駛激光雷達領域占據近80%市場份額。隨著禾賽科技、速騰聚創等公司的興起,Velodyne市場份額近年來持續下降。截至2020年三季度末,Velodyne和禾賽科技分別實現收入77。516百萬美元(約合人民幣5億元)和2。53億元,但Velodyne客戶涉及ADAS、自動駕駛、物流、測繪、機器人以及智慧城市等多個領域,按項目個數計算,汽車相關占比~50%,我們預計目前Velodyne汽車相關收入與禾賽科技整體收入規模近似相當。(報告來源:未來智庫)
              3。Velodyne、Luminar、禾賽、華為有何異同?
              速騰聚創是全球領先的智能激光雷達系統技企業。通過激光雷達硬件、感知軟件與芯片三大核心技術閉環,為市場提供具有信息理解能力的智能激光雷達系統。公司創始人邱純鑫是哈爾濱工業大學控制科學方向博士,移動機器人環境感知技術專家,公司技術背景雄厚。
              公司激光雷達產品強調“智能化”。硬件智能上,基于革命性的二維MEMS智能芯片掃描架構,可以根據駕駛場景調節掃描方式,提升激光雷達感知能力;軟件智能上,基于速騰聚創十三年技術研發和五年商業化積累,可以配套成熟可嵌入的點云AI感知算法,提升感知能力。
              公司合作伙伴覆蓋全球各大自動駕駛科技公司、車企、一級供應商等,產品技術已廣泛應用于自動/輔助駕駛乘用車&商業車,無人物流車,機器人,RoboTaxi,RoboTruck,RoboBus,智慧交通新基建等細分領域,其中前裝定點量產項目覆蓋超跑、轎跑、SUV、重卡等各類車型。
              公司通過五年多的投入,在智能固態激光雷達項目上完成了五個大版本與數十個小版本的迭代,不僅在全球范圍內率先實現SOP版的完全鎖定,并在2021年Q2啟動SOP后,領先全行業,首次實現第二代智能固態激光雷達的車規量產交付。2021年8月19日,公司宣布北美新能源車企定點項目的訂單交付取得階段性成果。第二代智能固態激光雷達RS-LiDAR-M1自今年6月份啟動車規量產交付以來,目前已完成了十余批交付。
              禾賽科技
              公司共同控股股東、實際控制人為孫愷、李一帆、向少卿,本次發行前合計直接持股比例為30。03%,通過員工持股平臺上海樂以科技合伙企業(有限合伙)控制公司7。13%的股份,共同合計控制禾賽科技37。16%的股份。
              公司主營產品包括激光雷達以及激光器提傳感器。其中,激光雷達主要市場集中于無人駕駛領域,并逐漸向服務機器人領域拓展;激光氣體傳感器產品主要應用于氣體檢測領域,主要包括激光甲烷遙測儀和激光氧氣傳感器。
              公司激光雷達產品以機械旋轉式為主,目前正在研發開拓半固態、固態式激光雷達產品。機械旋轉式激光雷達產品已經在無人駕駛領域得到了廣泛應用,而半固態式激光雷達主要面向即將興起的量產乘用車高級輔助駕駛市場。
              2017年末成立芯片部門,開展激光雷達專用芯片的研發工作。激光雷達專用芯片包括激光驅動芯片、模擬前端芯片、數字化技術和芯片以及SoC芯片。
              自研芯片已完成量產并實現應用,成本大幅下降。公司芯片化V1。0成果多通道激光驅動芯片及多通道模擬前端芯片已完成量產,并應用于多個激光雷達研發項目和PandarXT的量產項目。高精度數字化技術已應用于公司產品,模擬數字轉換芯片已進入開發后期,在SoC芯片領域也進行了技術儲備。自研多通道發射芯片使得發射端驅動電路成本降低約70%,自研多通道模擬前端芯片使得接收端模擬電路成本降低約80%。
              V1。0、V1。5、V2。0芯片研究成果面向當前機械式、微振鏡式、轉鏡式技術方案,V3。0面向純固態式激光雷達PandarFT的開發及應用。
              華為
              華為致力打造一站式傳感器平臺,包含毫米波雷達、激光雷達以及高清攝像頭等。
              最新發布96線中長距激光雷達,綁定量產項目。2020年12月21日,華為正式發布車規級高性能激光雷達產品和解決方案。同時,北汽ARCFOX宣布,其最新款HBT車型將成為全球首個搭載華為激光雷達的車型(搭載3個激光雷達+6個毫米波雷達+12個攝像頭+13個超聲波雷達)。
              儲備量產能力,成本有望下探至100-200美元。華為已經建立第一條車規級激光雷達Pilot產線,按照年產10萬套/線推進,以適應未來大規模量產需求。據悉,華為未來計劃將激光雷達的成本降低至100-200美元。
              Velodyne
              Velodyne成立于1983年,最早從事音響開發,后續成立了VelodyneLiDar獨立發展激光雷達業務。公司2005年開發了首款實時3D激光雷達,2007年成為全球首個實現實時3D激光雷達商業化生產的企業,公司是車載激光雷達領域的鼻祖。
              Velodyne是市場營收總額最高的激光雷達公司,一度占據全球約80%份額。2017年之前Velodyne幾乎是市場上唯一的高線數激光雷達廠商,在研發以及工程技術能力上具有先發優勢。公司目前已合作超過300家客戶,激光雷達產品面向包括ADAS、自動駕駛、物流、測繪、機器人以及智慧城市等多個應用領域。
              總體來看,激光雷達感知識別效果更好,且無須強大算法支撐,對主流高階自動駕駛玩家來說,是必備選擇。
              當前,汽車智能化趨勢已不可阻擋,激光雷達在自動駕駛領域所擁有的不可替代的優勢,使得它在汽車行業“打得火熱”。
              從今年的車展來看,無論是4月份的上海車展還是11月份的廣州車展,搭載激光雷達的車型依舊是大熱門,包括極狐、沙龍、小鵬等在內,不少車企宣布搭載激光雷達的車型明年量產。
              據統計,截至目前,宣布搭載激光雷達的車企已超23家,這些車型的交付時間基本集中在2021年底到2022年,從售價上來看,豪華轎車價格普遍在80萬以上,其余售價也大多在30-80萬之間。
              不得不說,成本高確實是激光雷達上車路上最大的絆腳石。當前激光雷達產品均價普遍在1000美元左右,而其他傳感器價格均已下探到150美元以下,單個車載攝像頭價格最低甚至已降至30美元左右。正是由于價格昂貴,激光雷達迄今還未達到大規模車規級應用。
              激光雷達每個部分都包含著大量的精密部件,復雜的結構需要眾多高精密設備,加上核心部件的價格,使得激光雷達尤其是機械式激光雷達成本較高。一般激光雷達的成本可分為研發成本、生產成本與BOM成本(物料成本)。其中,掃描系統作為激光雷達的主要部件成本占比最高,以法雷奧為例,包括激光模塊、光學模塊和主板,其中激光單元成本占比23%、光學單元占比13%、激光硬件占比10%、主板占比45%。掃描組件包括主板以及激光單元,合計成本占比接近70%。
              為了盡快降低激光雷達的成本,各大分析機構紛紛提出來大規模量產、控制上游元件成本、技術路徑迭代等降本方向,而整車廠也在積極尋求降本策略。
              由于激光雷達技術路線眾多、不確定性較大,若為并購或自行成立事業部會存在內部排他性約束,為了避免這種情況的產生,整車廠多通過投資或合作的方式參與激光雷達領域中。
              據統計,國外福特、沃爾沃、戴姆勒、奔馳等,國內上汽、北汽、長安汽車、哪吒、小鵬等整車廠多通過投資或合作的方式積極參與到激光雷達領域中,不僅可以提高參與度,通過定制化或自研軟件算法滿足上車要求,還可以通過這種方式加快激光雷達規模量產和技術更新的速度,進而降低成本。
              近期最為熱門的當屬小米投資禾賽科技。11月,禾賽科技獲得了來自小米的七千萬美元追加融資,加上此前已獲得的超3億美元融資,截至當時禾賽科技的D輪融資總金額已超3。7億美元。而這次投資也是小米自6月以來第二次加持禾賽,可見小米激光雷達上車的決心。而禾賽已獲得了理想、高合、路特斯等定點。
              當前小米造車事業正在如火如荼得進行中,小米Q3業績公告顯示,其智能電動車業務推進順利,團隊成員已超過500人。此外,小米還與北京亦莊簽訂合作,將在北京經開區建設小米汽車總部基地、銷售總部和研發總部,并將建設年產量30萬輛的整車工廠,其中一期、二期產能分別為15萬輛。
              除了小米外,百度也選擇了禾賽科技,已宣布將與禾賽科技共同研發新一代激光雷達產品并將其搭載于第五代Robotaxi上。
              吉利集團旗下智能純電品牌極氪智能科技,作為一個成立不久的品牌,選擇與速騰聚創達成合作。12月1日,速騰聚創與極氪品牌宣布達成戰略合作。速騰聚創在激光雷達領域的地位是毋庸置疑的,號稱亞太地區市占率第一。YoleDevelopment數據顯示,2021年速騰聚創在全球以10%的市場份額位列法雷奧之后,超過其他廠商排列第二。早在2018年的時候,速騰聚創就獲得了北汽產投、上汽旗下尚欣資本等的投資。
              而長安汽車和哪吒汽車則是選擇與華為合作。確實華為激光雷達實力不容小覷,YoleDevelopment數據顯示,2021年華為激光雷達以3%的全球市場份額排在第五。從去年8月華為透露在武漢光電研究中心有10000+人在研究激光雷達技術,并計劃將激光雷達的成本下降到200美元左右,短短一年時間,華為就已搶占了3%的市場份額,從上文可以看出,已有哪吒S、極狐阿爾法S、沙龍汽車機甲龍三款汽車搭載華為的激光雷達。
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