解读国内外激光雷达技术差异

自上世紀(jì)60年代激光被發(fā)明不久，激光雷達(dá)就大規(guī)模發(fā)展起來(lái)，如今，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)滲入到各個(gè)領(lǐng)域，包括了軍事、商用、民用等各大層面，而未來(lái)在機(jī)器人及無(wú)人駕駛領(lǐng)域?qū)?huì)開(kāi)拓一片全新局面。

激光雷達(dá)發(fā)展歷程

縱觀多年來(lái)激光雷達(dá)在全球的發(fā)展史，激光雷達(dá)經(jīng)歷了許多發(fā)展階段，從最早的激光測(cè)距使其在軍事測(cè)距及武器制導(dǎo)上得以廣泛應(yīng)用，尤其是在激光定位方面，進(jìn)一步的研究導(dǎo)致了基于二維門(mén)控監(jiān)測(cè)的激光成像系統(tǒng)以及正在裝備過(guò)程中的三維成像技術(shù)的發(fā)展。

再到民用以及軍用兩方面，環(huán)境激光雷達(dá)技術(shù)在大氣和海洋遙感研究方面已經(jīng)成熟，而在很多國(guó)家三維測(cè)繪激光雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。隨著激光效率的越來(lái)越高，而且更小巧、成本更低，這為汽車(chē)以及無(wú)人機(jī)提供了潛在應(yīng)用。目前，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走方面的應(yīng)用成為激光雷達(dá)最為廣泛的商業(yè)應(yīng)用，這也在一定程度上減小了激光雷達(dá)的尺寸、重量以及造價(jià)。

另外，在醫(yī)學(xué)方面激光雷達(dá)技術(shù)也同樣適用，其中一個(gè)重要的例子是：光學(xué)低相干斷層掃描，這個(gè)技術(shù)起源于激光反射儀在眼科中研究結(jié)構(gòu)的三維復(fù)原方面的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的三維內(nèi)窺鏡研究，擴(kuò)展到多普勒三維測(cè)速儀。而人類(lèi)眼睛屈光度的折射成像研究是激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重要例子。

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經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)已取得了豐碩的研究成果，從最初的激光測(cè)距技術(shù)，逐步發(fā)展了激光跟蹤、激光測(cè)速、激光掃描成像等技術(shù)，不同用途的激光雷達(dá)也陸續(xù)出現(xiàn)在市場(chǎng)，使得激光雷達(dá)成為具有多種功能的系統(tǒng)。相比普通微波雷達(dá)，激光雷達(dá)使用的激光束具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如極高的分辨率、隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)等等。隨著激光雷達(dá)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展及相關(guān)技術(shù)的不斷迭代，未來(lái)，激光雷達(dá)一定會(huì)給我們帶來(lái)更多驚喜。

國(guó)內(nèi)外激光雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀

1、車(chē)載激光雷達(dá)

隨著機(jī)器人、無(wú)人駕駛領(lǐng)域的興起，未來(lái)，這兩大領(lǐng)域?qū)⒊蔀榧す饫走_(dá)行業(yè)的著重發(fā)力點(diǎn)。從市場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，目前車(chē)載激光雷達(dá)的多數(shù)用戶(hù)還普遍比較看重進(jìn)口激光雷達(dá)，車(chē)載激光雷達(dá)的產(chǎn)品及生產(chǎn)廠商主要還集中于國(guó)外，包括美國(guó)Velodyne、Quanegy以及德國(guó)IBEO公司等。

Velodyne作為車(chē)載激光雷達(dá)的龍頭企業(yè)，旗下的HDL-64E機(jī)械激光雷達(dá)曾被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛的測(cè)試中，不過(guò)其高昂的價(jià)格和低生產(chǎn)率也提醒各個(gè)科技巨頭車(chē)載激光雷達(dá)的低成本化和量產(chǎn)化相當(dāng)關(guān)鍵，這也正是 Tesla 一直不采用這種『3D 激光雷達(dá)』方案，而是堅(jiān)持采用『毫米波雷達(dá) + 攝像頭』方案的原因。但目前 Velodyne LiDAR 已經(jīng)推出成本更低、線數(shù)更多的 128 線的 VLS-128 型固態(tài)激光雷達(dá)，這意味著這款激光雷達(dá)有更高的分辨率、安全性以及更低的成本，并且可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。然而，『3D 激光雷達(dá) + 高精度導(dǎo)航地圖 + 云計(jì)算』被認(rèn)為是未來(lái)理想的綜合性解決方案。

不過(guò)，在 Velodyne 推出 VLS-128之前，整體車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)上的趨勢(shì)都是往低線束化、固態(tài)化發(fā)展，也就是往減少激光雷達(dá)線束發(fā)展，同時(shí)也從機(jī)械型轉(zhuǎn)為固態(tài)型，比如 Quanergy 公司就在 2016 年 CES 展會(huì)上推出了與 Delphi 公司共同研發(fā)的新產(chǎn)品 S3，號(hào)稱(chēng)全球首款固態(tài)激光雷達(dá)，就連 Velodyne 公司本身也在推出混合或固態(tài)的低線束激光雷達(dá)。因?yàn)檫@樣做可以降低成本，但是需要用數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)線數(shù)的不足，也體現(xiàn)出未來(lái)的技術(shù)路線未定，產(chǎn)業(yè)龍頭 Velodyne LiDAR 也不能確定到底是多線束激光雷達(dá)還是多激光雷達(dá)耦合。      

從以上對(duì)國(guó)外車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀的分析中能夠得到的統(tǒng)一趨勢(shì)有低成本化、固態(tài)化、量產(chǎn)化，但是 Velodyne LiDAR 推出更高線束的激光雷達(dá)和其他科技廠商推出低線束激光雷達(dá)的行為并不矛盾，他們的整體方向依然是要實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的更高分辨率和精準(zhǔn)度，進(jìn)一步保證無(wú)人駕駛的安全性，只不過(guò)前者傾向于使用更強(qiáng)大的設(shè)備，后者傾向于使用多激光雷達(dá)耦合并降低成本。同時(shí)，低線束激光雷達(dá)對(duì)高線束激光雷達(dá)可以起到補(bǔ)充的作用。

實(shí)際上，在國(guó)內(nèi)車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)上不比國(guó)外起步要晚，成立于2005年的北科天繪和 Velodyne 的激光雷達(dá)計(jì)劃幾乎同時(shí)開(kāi)始，但從目前情況來(lái)看，Velodyne的車(chē)載激光雷達(dá)水平明顯更高。盡管自動(dòng)駕駛市場(chǎng)需求量極大，激光雷達(dá)仍面臨著成本高、量產(chǎn)難的問(wèn)題。制造門(mén)檻高，且應(yīng)用領(lǐng)域較窄（汽車(chē)、資源勘測(cè)），使該類(lèi)產(chǎn)品供應(yīng)商相對(duì)較少，缺乏針對(duì)車(chē)規(guī)級(jí)的成熟量產(chǎn)方案。要推動(dòng)激光雷達(dá)解決方案落地，供應(yīng)商勢(shì)必要完整掌握硬件的核心技術(shù)，以便控制成本，并以配套的算法推動(dòng)市場(chǎng)接受其方案。目前，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)低成本的路線有：犧牲一定的精度，使用全固態(tài)、低線束激光雷達(dá)降低制作成本；提高生產(chǎn)率，通過(guò)量產(chǎn)帶來(lái)的規(guī)模效益攤薄產(chǎn)品成本。

2、機(jī)器人激光雷達(dá)

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)車(chē)載激光雷達(dá)與國(guó)外仍有較大的差距，但是應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人上的激光雷達(dá)并沒(méi)有太大差別。據(jù)了解，目前，國(guó)外的單線激光雷達(dá)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)公司，主要有SICK和HOKUYO，其產(chǎn)品擁有良好的實(shí)時(shí)性、很強(qiáng)的魯棒性和機(jī)械穩(wěn)定性，但是價(jià)格也相對(duì)較高，售價(jià)大多在上萬(wàn)元級(jí)別。

而國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)售價(jià)僅在上百至上千元之間，相對(duì)來(lái)說(shuō)，售價(jià)更低，重要的是其同樣也能滿(mǎn)足服務(wù)機(jī)器人的使用需求。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人激光雷達(dá)的生產(chǎn)及研發(fā)企業(yè)主要包括了思嵐科技、北醒光子、禾賽科技、玩智商等為代表性的企業(yè)，而為首的思嵐科技已占據(jù)了半數(shù)以上的市場(chǎng)份額。

思嵐科技從2009年開(kāi)始就致力于激光雷達(dá)傳感器和自主定位導(dǎo)航方案的研發(fā)，并于2013年正式成立，作為國(guó)內(nèi)最早從事激光雷達(dá)技術(shù)的企業(yè)，思嵐科技在激光雷達(dá)傳感器技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了多次突破。

創(chuàng)立激光雷達(dá)設(shè)計(jì)新玩法 降低技術(shù)成本

在思嵐科技未出現(xiàn)之前，激光雷達(dá)市場(chǎng)份額基本被國(guó)外壟斷，但高額的價(jià)格讓不少企業(yè)難以承受，為了改變這一局面，思嵐科技CEO陳士凱創(chuàng)立了一套新玩法，打破了行業(yè)壟斷及技術(shù)瓶頸。即采用圖像的方法進(jìn)行激光雷達(dá)傳感器的設(shè)計(jì)，通過(guò)拍攝激光到達(dá)目標(biāo)物體后在攝像頭上呈現(xiàn)的畫(huà)面，根據(jù)遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致相機(jī)畫(huà)面尺寸的變化來(lái)求得距離。

同時(shí)，思嵐科技還在生產(chǎn)方面做出了努力：建立自主研發(fā)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，在控制良品率的同時(shí)還能夠降低生產(chǎn)成本。除了在技術(shù)層面把成本降下來(lái)，還需要在批量生產(chǎn)上下功夫，在解決量產(chǎn)問(wèn)題上。思嵐科技發(fā)現(xiàn)在試產(chǎn)過(guò)程中，激光雷達(dá)面臨著來(lái)自工藝與工人技術(shù)上的極大挑戰(zhàn)，這類(lèi)產(chǎn)品在組裝的過(guò)程、順序、使用材料上都有很?chē)?yán)格的要求。在調(diào)校上，工人對(duì)于行業(yè)以及產(chǎn)品的了解較少，實(shí)際操作中會(huì)面臨較大的困難，而作為初創(chuàng)公司的思嵐科技又很難仿效大公司雇傭有多年經(jīng)驗(yàn)的技工。因此，思嵐科技通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，利用自動(dòng)化的方式進(jìn)行激光的調(diào)校，以此降低對(duì)工人個(gè)人能力的要求，控制成本的同時(shí)又能保證品質(zhì)。

獨(dú)創(chuàng)光磁融合技術(shù)，激光雷達(dá)使用壽命更長(zhǎng)

壽命問(wèn)題一直是考量激光雷達(dá)的一個(gè)重要因素。在2014年思嵐科技就推出了第一代激光雷達(dá)，但在使用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電滑環(huán)的壽命問(wèn)題。為了使激光雷達(dá)擁有更長(zhǎng)的使用時(shí)間，經(jīng)過(guò)兩年的研發(fā)與改進(jìn)，思嵐科技從第二代RPLIDAR A2開(kāi)始就完全放棄了導(dǎo)電滑環(huán)這個(gè)機(jī)械裝置，獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了光磁融合技術(shù)，這種非物理接觸的無(wú)線供電和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，徹底解決了因物理接觸機(jī)械磨損導(dǎo)致電氣連接失效、激光雷達(dá)壽命短的問(wèn)題。使得激光雷達(dá)壽命長(zhǎng)達(dá)5年。

突破三角測(cè)距激光雷達(dá)局限 測(cè)距更長(zhǎng)，采樣頻率更高

業(yè)內(nèi)曾經(jīng)認(rèn)為三角測(cè)距激光雷達(dá)因?yàn)樽陨碓?，難以突破20米以上的實(shí)用化測(cè)距，采樣率也難以突破上萬(wàn)次大關(guān)，加之三角測(cè)距激光雷達(dá)在室外陽(yáng)光條件下也表現(xiàn)的較不理想，這些問(wèn)題阻擋了三角測(cè)距雷達(dá)朝著更復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。因此對(duì)于更大場(chǎng)合的應(yīng)用，大家也只能采用工業(yè)TOF激光雷達(dá)。而后，基于思嵐最新的RPVision 3.0測(cè)距引擎RPLIDAR A3在測(cè)量性能和實(shí)用性上都實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)突破，再一次刷新了三角測(cè)距雷達(dá)的極限。思嵐科技的RPLIDARA3實(shí)現(xiàn)了25米范圍的實(shí)用化距離探測(cè)，每秒16,000的采樣頻率，高達(dá)0.33°(15hz情況)的角度分辨率，又一次刷新了三角測(cè)距雷達(dá)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至，超過(guò)了某些工業(yè)TOF激光雷達(dá)的指標(biāo)，此外，RPLIDAR A3也實(shí)現(xiàn)了三角測(cè)距激光雷達(dá)在室外陽(yáng)光下的可靠測(cè)距。

定義業(yè)內(nèi)全新品類(lèi) 發(fā)布首款激光建圖雷達(dá)

據(jù)悉，在今年7月份，思嵐科技正式對(duì)外發(fā)布了一款集實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建和定位為一體的全新激光傳感器品類(lèi)，在TOF激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上，融入了思嵐科技引以為傲的第三代高性能SLAM建圖定位系統(tǒng)，可以直接對(duì)外輸出高品質(zhì)的地圖以及定位坐標(biāo)信息，無(wú)需任何外部依賴(lài)，上電手持即可使用。Slamtec Mapper不僅能在大場(chǎng)景下完成高品質(zhì)的地圖構(gòu)建，而且在室內(nèi)外環(huán)境下工作同樣穩(wěn)定。

寫(xiě)在最后

如今，激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，機(jī)器人及無(wú)人駕駛作為時(shí)下備受關(guān)注的兩大領(lǐng)域，仍與國(guó)外激光雷達(dá)技術(shù)存在一定差距，這主要表現(xiàn)在車(chē)載激光雷達(dá)上，但在機(jī)器人激光雷達(dá)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外并沒(méi)有太大差別，目前，國(guó)內(nèi)的激光雷達(dá)技術(shù)也同樣能滿(mǎn)足服務(wù)機(jī)器人的使用需求，且性?xún)r(jià)比更高。