• 欢迎访问中国光电光电子行业网! 主办单位:中国光学光电子行业协会
激光雷达在汽车行业的应用现状
发布时间:2021-12-07    来源:网络搜集   阅读次数:1503 分享到:
    1、什么是激光雷达?是伪需求还是真刚需?
    激光雷达是一种工作在光学波段(特殊波段)的雷达,最早发明于1960s,早期主要用于太空探测、气象监测、地形勘测、军事测距、武器制导等,自2005年美国DARPA挑战赛起首次搭载于自动驾驶车辆,此后广泛应用于自动驾驶、智慧交通等领域。而在量产汽车里第一个搭载激光雷达的则是奥迪A8,除特斯拉以外,当前主流车企通常选择搭载激光雷达以提升对环境的感知能力。
    激光雷达可分为激光发射、激光接收、光束操纵和信息处理四大系统,通过分析激光信号描绘三维点云图,实现环境实时感知及避障功能。相比摄像头和毫米波雷达,激光雷达可以增强感知系统的冗余性,准确感知周边环境的三维信息,探测精度在厘米级以内,补充毫米波雷达、摄像头缺失的场景。较短波长及主动激光技术赋予了激光雷达测量分辨率高、探测距离远、探测角度大、夜间工作能力强、抗干扰能力强等优势,在高阶自动驾驶方案中,激光雷达的点位还可以通过和高精地图数据匹配来实时定位车辆信息。
    按照测距原理,激光雷达可以细分为三角测距、飞行时间测距ToF和调频连续波FMCW。除了三角测距受制于较远距离分辨率下降难以配套汽车外,ToF激光雷达技术成熟度高是配套汽车主流方式,FMCW激光雷达理论性能优异,长期来看,有望成为装车破局新方向。
    根据激光发射装置的不同又可将激光雷达分成光源波长和发射器种类两种方式。光源波长主要分为905nm和1550nm两类,发射器又包含边发射激光器EEL、垂直腔面发射激光器VCSEL与光子晶体结构表面发射激光器PCSEL三种主流方向。
    在激光接收层面,根据光电探测器性能主要分为SiPM、SPAD、APD和PINPD四类。APD技术较为成熟,是使用最为广泛的光电探测器件;PINPD目前仅适用于FMCW测距激光雷达;SPAD的理论增益能力是APD的一百万倍以上,但系统成本与电路成本均较高;SiPM是多个SPAD的阵列形式,可通过大尺寸阵列的实现获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术,且电路结构简单,工作电压较低。禾赛科技、Innovusion、Ouster等主流厂商均已布局SiPM相关技术,未来有望代替APD。
    根据光束操纵方式不同又可将激光雷达分为机械式、半固态和固态,机械式因成本及外观因素多应用于无人驾驶测试项目。半固态方案主流方向为MEMS与转镜式,MEMS综合优势明显,有望搭载汽车商用;转镜方案最早通过车规,转镜方案的激光雷达也是首个车规级激光雷达,即上述奥迪A8在2017年时搭载的激光雷达。固态方案以OPA和Flash方案为主,从趋势来看,激光雷达整体技术向固态演进。
    近日,日本索尼还推出了首枚自动驾驶激光雷达传感器,该产品价格为1枚1。5万日元(约合人民币835元),或将首先用在索尼的概念电动车VisionS上,有望在2022年3月开始对外供货。索尼的“杀入”似乎也证明了,激光雷达依旧热的发烫。
    据预计,2021年起全球激光雷达市场将迎来快速发展时期,到2025年全球激光雷达市场规模将达到135。4亿美元,2021-2025年复合增长率为61。3%。
    近期,众多车企携带激光雷达车型亮相广州车展。
    极狐ARCFOX阿尔法S正式上市,其中阿尔法S华为HI版将成为华为HI智能汽车解决方案首款量产车型,搭载3颗速腾聚创M1激光雷达,探测距离150m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
    小鹏汽车全新智能旗舰SUV小鹏G9亮相广州车展,迎来全球首发。基于全新X-EEA3。0电子电气架构,搭载2颗速腾聚创M1激光雷达,探测距离150m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
    威马汽车发布首款纯电动轿车M7(预计2022年实现交付),成为全球首搭3颗速腾聚创M1激光雷达和水平探测范围达330°的车型,探测距离200m@10%,角分辨率0。2°*0。1°~0。2°。
    哪吒汽车带来了全新B级数字电动轿跑——哪吒S,其搭载3颗华为激光雷达、探测距离150m@10%,角分辨率0。25°*0。26°,宣称在部分场景下可以实现L4级自动驾驶。
    广汽埃安AIONLXPlus新车型于广州车展正式亮相,将于2022年1月正式上市。AIONLXPlus定位“智行千里纯电旗舰”,搭载3颗第二代智能可变焦激光雷达+高算力智能驾驶计算平台的软硬件组合,激光波长为905nm、10%反射率下探测距离为150米以及拥有120°水平视场和25°的垂直视场的激光雷达,让AIONLXPlus成为“高阶智驾的新起点”。
    长城旗下高端品牌沙龙汽车正式公布首款高端纯电动车机甲龙,于2021广州车展全球首发。智能配置方面,新车将作为全球首款搭载四颗激光雷达实现激光雷达360°全视角覆盖的车型,还拥有全球最多的38个智能化感知元件加持,感知能力行业领先。
    传感器是实现车辆环境感知的硬件保障,是实现自动驾驶的重要关键部件。自动驾驶技术的实现主要通过感知、决策和执行三个步骤。1)感知:通过使用多种传感器获取和搜集外界环境状况;2)决策:基于上述信息,通过算法对信息进行处理并将判断指令发送至执行层;3)执行:智能驾驶系统发出控制指令,对汽车进行控制。
    从自动驾驶技术发展来看,L0-L2阶段,传感器与控制系统的革新是主要变化;L3-L4阶段,感知与决策能力的增强是主要变化。
    多传感器融合优势互补。视觉传感器的主要技术手段为图形识别技术,对环境要求高。雷达传感器测距精度相对较高,参数各异,对应于物体探测能力、识别分类能力、三维建模、抗恶劣天气等特性优劣势分明。
    随着自动驾驶等级提升,所需传感器类型和数量有所差异。以L5级别自动驾驶为例,摄像头个数在8-12个,超声波雷达在8-12个,毫米波雷达为5-10个,激光雷达在3-6个。
    针对部分复杂场景,激光雷达具有不可替代的优势。针对远距小障碍物、近距离加塞、隧道、车库等复杂场景,毫米波雷达存在分辨率不够、无法识别静止物体,摄像头亦存在受照明条件影响等缺点,激光雷达的优势能够充分发挥。
    激光雷达:点云分割创造三维立体图像,分辨度精准度高。激光雷达主要通过发射和接收激光束,计算时间和相对距离,快速目标三维模型以及线、面、体等各种相关数据,建立三维点云(PointCloud)图,最大的优势在于能够创建出目标清晰的3D图像。其测量分辨率高,抗干扰能力强、抗隐身能力强、穿透能力强和全天候工作的优势,促使激光雷达成为L4级以上ADAS系统必不可少的一环,未来有望向L4级别以下智能汽车渗透。
    激光驱动芯片用于驱动激光器发射激光脉冲,为了满足激光雷达探测的需求,驱动芯片需要提供数十安培的峰值电流以及纳秒级的窄脉宽驱动能力。激光器的输出特性与其驱动电源的性能密切相关,温度、电流的起伏会影响半导体激光器的光输出功率。随着温度的升高,阈值电流也升高,激光器的特性曲线随温度升高向前平移,激光输出功率下降,以至于可能不能满足仪器设备正常工作的要求。
    2、百亿甚至千亿市场空间,百家争鸣尚未定胜负
    激光雷达持续的技术革新助力多产业新发展。早期激光雷达主要用于科研及测绘项目,进行气象探测以及地形测绘。随着技术的发展,激光雷达的应用领域得到拓展,包括工业测量以及早期的无人驾驶研究项目等。激光雷达产业自发展以来,不断引入新的技术架构,从单点激光扫描到多线激光,从机械旋转式到半固态、固态式,以及如今车规级、芯片化的发展。最早布局的激光雷达巨头Velodyne率先将激光雷达应用在无人驾驶测试项目中,在2020年9月完成了NASDAQ上市,市场商业成熟度越来越高。
    随着自动驾驶级别的提升,单车激光雷达装载量在1-6个范围内,预计稳态价格能够下探至100-200美元区间。根据沙利文预测,受无人驾驶车队规模扩张、激光雷达在ADAS中渗透率增加等因素推动,激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势,至2025年全球市场规模为135。4亿美元。其中,中国激光雷达市场规模将达到43。1亿美元。
    车载激光雷达市场占比超过50%,预计2025年全球车载激光雷达(无人驾驶+ADAS)市场规模将超过80亿美元(约合人民币518亿元)。
    光模块主要由光芯片、电芯片、光组件和其他结构件所构成。在光器件元件中,光发射模块TOSA和光接收模块ROSA成本占比较高。TOSA的主体为激光器芯片(VCSEL、DFB、EML等),ROSA的主体为探测器芯片(APD/PIN等)。根据公开资料整理分析,一般光模块中光芯片成本占比在30%-40%之间,在高端高速光模块中,这一占比可以达到50%左右。
    激光雷达主要由发射模块、接收模块、扫描模块和主控模块四部分组成。在光器件元件中,光发射模块和光接收模块成本占比较高。激光器芯片一般为EEL、VCSEL、光纤激光器等;探测模块的主体为探测器芯片(APD/SPAD等)。根据产业调研,一般激光雷达中,光芯片(激光器+探测器)成本占比大于30%,与光模块的BOM成本结构相似。
    激光雷达仍处于发展初期,技术路径尚未定型,公司的技术储备以及车规化能力是决定长期格局的关键。目前机械旋转式激光雷达主要应用在自动驾驶测试领域(robotaxi等),乘用车领域(L3量产车项目)多选择混合固态式方案,也有少部分选择纯固态式方案。
    技术方案选择的差异主要影响其商业化进度,国内禾赛、速腾、华为等厂商进度领先。目前主流的激光雷达厂商如禾赛科技、速腾聚创等均有机械式、固态式等产品布局,对OPA、FLASH等纯固态式方案亦正在加紧研发;Lumianr则更加专注于混合固态式方案。
    2018年前后,Velodyne在无人驾驶激光雷达领域占据近80%市场份额。随着禾赛科技、速腾聚创等公司的兴起,Velodyne市场份额近年来持续下降。截至2020年三季度末,Velodyne和禾赛科技分别实现收入77。516百万美元(约合人民币5亿元)和2。53亿元,但Velodyne客户涉及ADAS、自动驾驶、物流、测绘、机器人以及智慧城市等多个领域,按项目个数计算,汽车相关占比~50%,我们预计目前Velodyne汽车相关收入与禾赛科技整体收入规模近似相当。(报告来源:未来智库)
    3。Velodyne、Luminar、禾赛、华为有何异同?
    速腾聚创是全球领先的智能激光雷达系统技企业。通过激光雷达硬件、感知软件与芯片三大核心技术闭环,为市场提供具有信息理解能力的智能激光雷达系统。公司创始人邱纯鑫是哈尔滨工业大学控制科学方向博士,移动机器人环境感知技术专家,公司技术背景雄厚。
    公司激光雷达产品强调“智能化”。硬件智能上,基于革命性的二维MEMS智能芯片扫描架构,可以根据驾驶场景调节扫描方式,提升激光雷达感知能力;软件智能上,基于速腾聚创十三年技术研发和五年商业化积累,可以配套成熟可嵌入的点云AI感知算法,提升感知能力。
    公司合作伙伴覆盖全球各大自动驾驶科技公司、车企、一级供应商等,产品技术已广泛应用于自动/辅助驾驶乘用车&商业车,无人物流车,机器人,RoboTaxi,RoboTruck,RoboBus,智慧交通新基建等细分领域,其中前装定点量产项目覆盖超跑、轿跑、SUV、重卡等各类车型。
    公司通过五年多的投入,在智能固态激光雷达项目上完成了五个大版本与数十个小版本的迭代,不仅在全球范围内率先实现SOP版的完全锁定,并在2021年Q2启动SOP后,领先全行业,首次实现第二代智能固态激光雷达的车规量产交付。2021年8月19日,公司宣布北美新能源车企定点项目的订单交付取得阶段性成果。第二代智能固态激光雷达RS-LiDAR-M1自今年6月份启动车规量产交付以来,目前已完成了十余批交付。
    禾赛科技
    公司共同控股股东、实际控制人为孙恺、李一帆、向少卿,本次发行前合计直接持股比例为30。03%,通过员工持股平台上海乐以科技合伙企业(有限合伙)控制公司7。13%的股份,共同合计控制禾赛科技37。16%的股份。
    公司主营产品包括激光雷达以及激光器提传感器。其中,激光雷达主要市场集中于无人驾驶领域,并逐渐向服务机器人领域拓展;激光气体传感器产品主要应用于气体检测领域,主要包括激光甲烷遥测仪和激光氧气传感器。
    公司激光雷达产品以机械旋转式为主,目前正在研发开拓半固态、固态式激光雷达产品。机械旋转式激光雷达产品已经在无人驾驶领域得到了广泛应用,而半固态式激光雷达主要面向即将兴起的量产乘用车高级辅助驾驶市场。
    2017年末成立芯片部门,开展激光雷达专用芯片的研发工作。激光雷达专用芯片包括激光驱动芯片、模拟前端芯片、数字化技术和芯片以及SoC芯片。
    自研芯片已完成量产并实现应用,成本大幅下降。公司芯片化V1。0成果多通道激光驱动芯片及多通道模拟前端芯片已完成量产,并应用于多个激光雷达研发项目和PandarXT的量产项目。高精度数字化技术已应用于公司产品,模拟数字转换芯片已进入开发后期,在SoC芯片领域也进行了技术储备。自研多通道发射芯片使得发射端驱动电路成本降低约70%,自研多通道模拟前端芯片使得接收端模拟电路成本降低约80%。
    V1。0、V1。5、V2。0芯片研究成果面向当前机械式、微振镜式、转镜式技术方案,V3。0面向纯固态式激光雷达PandarFT的开发及应用。
    华为
    华为致力打造一站式传感器平台,包含毫米波雷达、激光雷达以及高清摄像头等。
    最新发布96线中长距激光雷达,绑定量产项目。2020年12月21日,华为正式发布车规级高性能激光雷达产品和解决方案。同时,北汽ARCFOX宣布,其最新款HBT车型将成为全球首个搭载华为激光雷达的车型(搭载3个激光雷达+6个毫米波雷达+12个摄像头+13个超声波雷达)。
    储备量产能力,成本有望下探至100-200美元。华为已经建立第一条车规级激光雷达Pilot产线,按照年产10万套/线推进,以适应未来大规模量产需求。据悉,华为未来计划将激光雷达的成本降低至100-200美元。
    Velodyne
    Velodyne成立于1983年,最早从事音响开发,后续成立了VelodyneLiDar独立发展激光雷达业务。公司2005年开发了首款实时3D激光雷达,2007年成为全球首个实现实时3D激光雷达商业化生产的企业,公司是车载激光雷达领域的鼻祖。
    Velodyne是市场营收总额最高的激光雷达公司,一度占据全球约80%份额。2017年之前Velodyne几乎是市场上唯一的高线数激光雷达厂商,在研发以及工程技术能力上具有先发优势。公司目前已合作超过300家客户,激光雷达产品面向包括ADAS、自动驾驶、物流、测绘、机器人以及智慧城市等多个应用领域。
    总体来看,激光雷达感知识别效果更好,且无须强大算法支撑,对主流高阶自动驾驶玩家来说,是必备选择。
    当前,汽车智能化趋势已不可阻挡,激光雷达在自动驾驶领域所拥有的不可替代的优势,使得它在汽车行业“打得火热”。
    从今年的车展来看,无论是4月份的上海车展还是11月份的广州车展,搭载激光雷达的车型依旧是大热门,包括极狐、沙龙、小鹏等在内,不少车企宣布搭载激光雷达的车型明年量产。
    据统计,截至目前,宣布搭载激光雷达的车企已超23家,这些车型的交付时间基本集中在2021年底到2022年,从售价上来看,豪华轿车价格普遍在80万以上,其余售价也大多在30-80万之间。
    不得不说,成本高确实是激光雷达上车路上最大的绊脚石。当前激光雷达产品均价普遍在1000美元左右,而其他传感器价格均已下探到150美元以下,单个车载摄像头价格最低甚至已降至30美元左右。正是由于价格昂贵,激光雷达迄今还未达到大规模车规级应用。
    激光雷达每个部分都包含着大量的精密部件,复杂的结构需要众多高精密设备,加上核心部件的价格,使得激光雷达尤其是机械式激光雷达成本较高。一般激光雷达的成本可分为研发成本、生产成本与BOM成本(物料成本)。其中,扫描系统作为激光雷达的主要部件成本占比最高,以法雷奥为例,包括激光模块、光学模块和主板,其中激光单元成本占比23%、光学单元占比13%、激光硬件占比10%、主板占比45%。扫描组件包括主板以及激光单元,合计成本占比接近70%。
    为了尽快降低激光雷达的成本,各大分析机构纷纷提出来大规模量产、控制上游元件成本、技术路径迭代等降本方向,而整车厂也在积极寻求降本策略。
    由于激光雷达技术路线众多、不确定性较大,若为并购或自行成立事业部会存在内部排他性约束,为了避免这种情况的产生,整车厂多通过投资或合作的方式参与激光雷达领域中。
    据统计,国外福特、沃尔沃、戴姆勒、奔驰等,国内上汽、北汽、长安汽车、哪吒、小鹏等整车厂多通过投资或合作的方式积极参与到激光雷达领域中,不仅可以提高参与度,通过定制化或自研软件算法满足上车要求,还可以通过这种方式加快激光雷达规模量产和技术更新的速度,进而降低成本。
    近期最为热门的当属小米投资禾赛科技。11月,禾赛科技获得了来自小米的七千万美元追加融资,加上此前已获得的超3亿美元融资,截至当时禾赛科技的D轮融资总金额已超3。7亿美元。而这次投资也是小米自6月以来第二次加持禾赛,可见小米激光雷达上车的决心。而禾赛已获得了理想、高合、路特斯等定点。
    当前小米造车事业正在如火如荼得进行中,小米Q3业绩公告显示,其智能电动车业务推进顺利,团队成员已超过500人。此外,小米还与北京亦庄签订合作,将在北京经开区建设小米汽车总部基地、销售总部和研发总部,并将建设年产量30万辆的整车工厂,其中一期、二期产能分别为15万辆。
    除了小米外,百度也选择了禾赛科技,已宣布将与禾赛科技共同研发新一代激光雷达产品并将其搭载于第五代Robotaxi上。
    吉利集团旗下智能纯电品牌极氪智能科技,作为一个成立不久的品牌,选择与速腾聚创达成合作。12月1日,速腾聚创与极氪品牌宣布达成战略合作。速腾聚创在激光雷达领域的地位是毋庸置疑的,号称亚太地区市占率第一。YoleDevelopment数据显示,2021年速腾聚创在全球以10%的市场份额位列法雷奥之后,超过其他厂商排列第二。早在2018年的时候,速腾聚创就获得了北汽产投、上汽旗下尚欣资本等的投资。
    而长安汽车和哪吒汽车则是选择与华为合作。确实华为激光雷达实力不容小觑,YoleDevelopment数据显示,2021年华为激光雷达以3%的全球市场份额排在第五。从去年8月华为透露在武汉光电研究中心有10000+人在研究激光雷达技术,并计划将激光雷达的成本下降到200美元左右,短短一年时间,华为就已抢占了3%的市场份额,从上文可以看出,已有哪吒S、极狐阿尔法S、沙龙汽车机甲龙三款汽车搭载华为的激光雷达。
免责声明:来源标记为网络的文章其原创性及文中陈述文字和内容未经协会证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺请读者仅作参考并请自行核实相关内容。

全球的光通信设备市场发展状况

如同半导体一样,光通信行业上游的核心高端器件和芯片,真正能....

11-10

2018年VCSEL市场简述

2018年VCSEL市场报告显示,垂直腔面发射激光器(VCSEL)市场的年....

03-01
行业分析
光电新闻
中国光学光电子行业协会版权所有@2022
010-84321456/1457
coema@coema.org.cn
北京市朝阳区酒仙桥路四号七九八大院华北光电技术研究所内