电动汽车搭载激光雷达助力主流自动驾驶技术

相信很多人心里都有一个疑问：为什么从事自动驾驶的企业都集中在像特斯拉这样的电动车新兴制造企业，传统车企为何对此反应迟迟？

随着各国环保法律法规的逐步严格化，电动化、新能源化是汽车行业的未来发展必然趋势。目前，许多欧美发达国家纷纷公布了燃油车禁售的时间期限，其中荷兰和挪威最为激进，将于2025年禁售所有的传统燃油车；而德国和美国加州，也已决定将禁售年限划至2030年。这意味着传统的燃油车终有一天会被新能源汽车所取代。所以对于各大车企或是研究机构而言，他们会更倾向于在自家品牌的电动汽车以及其他新能源汽车上研制搭载自动驾驶技术，此外，传统技术的燃油车设计基本已经定型，整体框架上很难再做出巨大改动，而以电动汽车为主体的新能源汽车在整车架构上依然有很大的创新发展空间，所以在新能源汽车上开发自动驾驶技术，未来发展的潜力更大。

自动驾驶是一场非零和博弈，需要汽车厂商和科技公司合作共赢。

当前，SAE（国际汽车工程师协会）J3016文件提出的五级自动驾驶分级方案是当前被普遍采用接受的标准，将自动驾驶技术分为L0~L5共六个等级(见表1)。L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶，L1~L5则将自动驾驶的发展程度进行了分类：

无人驾驶专指L4、L5阶段，即驾驶员不介入的情况下汽车可以完成全自动驾驶的控制动作，指向自动驾驶汽车技术发展的最终形态。

自动驾驶覆盖L1到L5整个阶段，在L1、L2阶段，汽车的自动驾驶系统只作为驾驶员的辅助，但能够持续地承担汽车横向或纵向某一方面的自主控制完成感知、认知、决策、控制、执行这一完整过程，其他如预警提示、短暂干预的先进辅助驾驶技术（ADAS,AdvancedDriverAssistanceSystems）不能完成这一完整的流程，所以不在自动驾驶技术范围之内。即汽车至少在某些具有关键安全性的控制功能方面（如转向、油门或制动）无需驾驶员直接操作即可自动完成控制动作。自动驾驶汽车一般使用机载传感器、GPS和其他通信技术设备获得信息，针对安全状况进行决策规划，在某种程度上恰当地实施控制。自动驾驶包括无人驾驶。

当前，自动驾驶的核心关键，离不开一项与激光传感紧密相连的技术：激光雷达（LiDAR）。

LiDAR，是英文LightDetectionAndRanging的缩写，中文名称为激光雷达。激光雷达作为在激光测距雷达基础上发展起来的一项主动成像雷达技术，通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出到目标对象的相对距离，并利用此过程中收集到的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速得出被测目标的三维模型以及线、面、体等各种相关数据，建立三维点云（PointCloud）图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。由于光速非常快，飞行时间可能非常短，因此要求测量设备具备非常高的精度。从效果上来讲，激光雷达维度（线束）越多，测量精度越高，安全性就越高。

早期激光雷达主要用于军事和民用地理测绘（GIS）等领域，比如地质测绘、监测树木生长、测量建筑项目进度等。随着自动驾驶的兴起，对于环境感知要求日趋严格，在自动驾驶架构中，传感层被比作为汽车的“眼睛”，包括车载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感器，其中激光雷达已经被广泛认为是实现自动驾驶的必要传感器。相比于其它类型的自动驾驶传感器，如摄像头，激光雷达探测的距离更远、精度更高。而相对于摄像头而言，激光雷达由于为主动发射光束，故比较不容易受周围环境，如弱光、雨雪烟尘的影响，而且摄像头在进行图像识别处理时需要消耗大量的处理器能力，而激光雷达产生的三维地图信息更容易被计算机解析。在自动驾驶领域，激光雷达与其它传感器互为补充，可以有效提高车辆对于周围环境感知的准确度。

相比于可见光、红外线等传统被动成像技术，激光雷达技术具有如下显著特点：一方面，它颠覆传统了二维投影成像模式，可采集目标表面深度信息，得到目标相对完整的空间信息，经数据处理重构目标三维表面，获得更能反映目标几何外形的三维图形，同时还能获取目标表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息，为目标探测、识别、跟踪等数据处理提供充分的信息支持、降低算法难度；另一方面，主动激光技术的应用，使得其具有测量分辨率高，抗干扰能力强、抗隐身能力强、穿透能力强和全天候工作的特点。

目前的市场格局中，不甘于落后于特斯拉等电动汽车车企，传统车企也纷纷布局自动驾驶。2017年5月，丰田宣布与英伟达达成合作，使用英伟达的DrivePX2平台进行自动驾驶的开发。2016年，通用汽车以10亿美金收购了自动驾驶创业公司Cruise。2017年2月，福特收购自动驾驶公司Argo、投资了激光雷达厂商Velodyne。2020年初，中国自动驾驶公司Pony.ai获得了来自丰田的4亿美元的输血。同时，百度和长沙政府、文远知行和白云出租车汽车集团组成了联盟。

三维激光点云图

截止发刊前，传统车企巨头日本汽车制造商丰田（ToyotaMotorCorp.）表示，将在今年（2020年）晚些时候在日本上市的新款雷克萨斯LS轿车上计划安装迄今为止最先进的自动驾驶系统，该系统基于丰田与电装部分合作研发的激光雷达技术，属于L2自动驾驶系统。由此能够让雷克萨斯在高速公路上实现自动变道、跟车以及超车。新款LS的图片显示，前轮舱后部嵌入了激光雷达扫描仪，借用了制动冷却通风口的外观。其他激光雷达则安装在车辆前部和后部。有一张图片还显示，有一个弹出式洗涤器用两股水流冲洗前部安装的激光雷达，让其保持清洁。

激光雷达技术的蓬勃发展，背后离不开另外一项激光技术：近年以来呈爆发式增长的VCSEL芯片。VCSEL，即VerticalCavitySurface-EmittingLaser垂直腔面发射激光器，是一种半导体光源。和其他半导体光源一样，VCSEL体积小、可简易封装，适用于各种对体积有要求的场景。VCSEL的优点是价格低廉，功耗极低且照比传统LED技术敏感度更高。

水流冲洗前部安装的激光雷达

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为自动驾驶领域的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。

随着车企巨头纷纷拥抱激光雷达传感技术，在接下来的几年里，相信更多的汽车制造商将开始批量订购激光雷达，用于L3/L4级自动驾驶量产车的研发测试。在此之前，低成本的激光雷达有望增强现有L2+级别新车的感知。

未来，随着工艺的进步，激光雷达的线数和可视范围会逐渐增加。激光雷达的相关图象处理算法的效率的提高可能会是主流企业和研究所的一个研究的方向。

本刊编辑组稿