技术文章 | 想要更好的自主导航？从激光雷达开始
2024-01-26
2920核心提示：技术文章 | 想要更好的自主导航？从激光雷达开始
译自：EEtimes
作者：Eric Aguilar，Omnitron Sensors联合创始人兼首席执行官
激光雷达（LiDAR）现在到底在哪里？为什么它没有像摄像头一样普及？根据研究公司Yole Intelligence的数据，科技行业在2021年投资了26亿美元用于LiDAR，之前几年更是投入了数十亿美元。然而，到2022年7月，投资额跌至1.84亿美元。预计到2032年，只有10%的汽车将配备LiDAR。为什么占比如此之小呢？
虽然看起来不合逻辑，但是LiDAR（光探测与测距）仍然以健康的速度增长。仅就汽车市场而言，Yole预测从2022年的1.28亿美元增长到2027年的20亿美元，年复合增长率为73%。到那一年，整体市场规模预计将达到63亿美元。
惊讶的是，尽管LiDAR有着种种问题，它仍在持续增长。如果得以充分应用，LiDAR本应早已无处不在，为广泛的应用提供实时的3D视觉，从汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）、无人驾驶汽车、无人机，到工业机器人和增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用。
除了一些最昂贵的应用，比如卫星、飞机/宇宙飞船和地形探测，LiDAR还存在问题。LiDAR的应用在追赶成熟的视觉技术，比如摄像头和雷达，但它值得我们关注。摄像头缺乏深度感知，而深度感知对于机器人理解环境至关重要。摄像头也无法在夜晚进行视觉感知，这大大降低了它们的效力。雷达也有其局限性，首要的是它缺乏分辨率，无法区分汽车和人。另一方面，LiDAR提供深度感知，并在各种光照条件下无缝工作。它还具有出色的分辨率，因此可以感知运动和静止物体，这是另一个关键优势。在一个完全不同的市场领域，我们开始在一些智能手机中看到基础的LiDAR应用。一个更加功能齐全的LiDAR可能使您能够使用智能手机查看建筑物周围的环境，或者虚拟地爬上一棵树，以便从顶部观察鸟巢。但在将LiDAR应用于价格敏感且对电力要求高的消费设备之前，我们需要满足汽车领域的要求。虽然要等到数年时间才能实现真正意义上的自动驾驶，但汽车行业已经对ADAS产生了巨大的需求，其中包括碰撞避免、行人碰撞避免、偏离车道警告、自动停车等功能，这些功能在驾驶时提供安全和便利。过去五年里，ADAS取得了重大进展，但通过对LiDAR的改进，它可能会变得更好，其他类型的自主导航系统也是如此。和大多数具有变革性的技术进步一样，LiDAR之路充满了坎坷。一些最有前途的自主导航公司已经消失，而其他公司则在重新发展或者新生。福特的新子公司Latitude AI将专注于新的自动驾驶技术，包括福特车辆的免提、离目视驾驶辅助技术。梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）已经在其部分高端汽车上推出了L3级自动驾驶功能，并计划到2025年将Luminar的LiDAR子系统整合到更先进的车辆中。梅赛德斯对Luminar的数十亿美元投资非常感兴趣。我们还看到一些并购行动，独立的LiDAR公司，如Ouster和Velodyne LiDAR，正在整合庞大的专利组合和资源，以在市场上获得更多份额。毫无疑问，其他公司也将跟随。尽管有这么多动向，关于LiDAR有一个不为人知的事实，阻止我们发挥其全部潜力：汽车和无人机中使用的LiDAR传感器易碎、昂贵、不可靠，这将可能只能持续几个月。本人第一次发现这个问题是在我从核心传感器开发转向集成商的时候。最初，我在Google X的无人机自动送货项目中使用LiDAR。在特斯拉，我带领固件集成团队，将Model 3从原型推向生产。随着我转向Argo AI、福特和大众的无人出租车业务，我继续钻研着与LiDAR相关的问题。通过这一切，我亲身体会到，完善LiDAR这个技术真的很难。与自动导航系统中已经成熟的光学技术、雷达和摄像头不同，LiDAR仍在不断发展，并且非常复杂。首先，LiDAR需要在主动对准系统上具有亚微米的公差，这个过程类似于钟表匠微调以确保激光对准正确。在微尺度上，这是极其昂贵的。其次，LiDAR需要可靠性。但它在高振动环境和多变的温度循环中运行。这使零件疲劳，导致微小的摆动破坏了准确性。由于我们讨论的是安全关键的导航系统，这是一个我们必须解决的问题。如果LiDAR传感器每六个月就会损坏，制造商该怎么办呢？这可能听起来难以置信，现在激光雷达传感器的成本在每个单位500美元至5000美元之间，这在经济上是不可持续的。对于顾客来说，这也是一个麻烦，他们需要频繁去经销商处维修。然而，LiDAR是机器人的关键启用技术，我们不能就此放弃。这就是为什么现在是时候修复LiDAR传感器中的光学子系统了。但最重要的是，我们需要了解它的要求。在用于汽车领域的长距离LiDAR中，最关键的元素是MEMS振镜。在这种情况下，自主导航需要一个能够达到200多米范围且具有厘米级准确度的大光束的振镜（mirrors）。与当前常用的旋转镜子不同，长距离LiDAR中的振镜不能摆动。相反，振镜应该停下来扫描。因为它不摆动，这种步进扫描反射镜不容易因为摆动而产生不准确。
这个振镜还必须能够处理高振动，比如在路上颠簸时，以及广泛的温度变化。此外，振镜对制造商来说必须是经济实惠的，从而首次使新的LiDAR系统具有竞争力。此外，反射镜还必须进行水平和垂直扫描，以支持希望进行单轴或双轴扫描的客户。在LiDAR的发展过程中，一些光学子系统已经达到了一些标准，但没有一个能够保罗所有。目前用于价格在100万到1000万美元甚至更高的卫星系统中，音圈（voice coils）具有高精度和稳健性，但每个售价约为5000美元。尽管不如音圈昂贵，但scala mirrors 仍然成本高昂；它们笨重且容易摆动。众所周知，旋转多边形（spinning polygon）既昂贵又容易摆动，而且它的功耗很高，这对于无人机是个问题。这就需要微机电扫微扫描振镜(MEMS Scanning Mirror)的帮助了。从历史上看，我们只看到了共振镜的MEMS光学子系统，因此它们和其他旋转镜部件一样容易受到振动的影响。过去，MEMS振镜太小，无法满足长距离LiDAR所需的大光束。此外，MEMS振镜也受到了限制MEMS数十年来增长的制造问题的限制：复杂的工艺技术使MEMS传感器难以以商品价格大规模生产。这并不意味着我们要放弃MEMS。汽车制造商需要小巧、时尚、经济实惠的微机电扫微扫描振镜，适合安装在汽车的车顶线，并且足够稳健，可以处理高振动和温度变化。
新一代的MEMS振镜大约是一枚硬币大小，直径为15毫米，足够大，可以移动数十度以获得宽广的视野。这种MEMS振镜还能进行步进扫描，因此它满足汽车环境的性能要求。此外，这个新设备在背后有一个非常强大的硅电机，因此它足够快速，适用于长距离LiDAR。实现满足LiDAR所有要求的步进扫描MEMS振镜绝非易事。我们之所以知道，是因为我们正在做这件事。为了使其正常工作，我们开发了一个新的MEMS拓扑结构，其中包括对硅工艺步骤的重新排列和一种新的封装方法。我们基础工作的结果是一个稳健可靠、在大规模生产量下成本低廉的MEMS步进扫描振镜。简而言之，它是一个可以解决LiDAR最严重问题的方案，将自主导航系统推向一个全新的水平。
如果您有关于光电领域的新发现、新观点，欢迎您的投稿，期待您的作品为光电爱好者打开新的大门!
投稿渠道：muyan@csoe.org.cn
文章转载自微信公众号：北京光博会订阅号
