回望2021:激光雷达井喷式上车,这一年发生了什么?

纯视觉还是激光雷达?这场持续多年的争论似乎还没有尽头。但市场显然已经做出选择。

2021年,马斯克在纯视觉路线上一路狂奔,中国造车新军在激光雷达上不再犹豫,甚至引发激光雷达数量大战“四颗以下别说话”。 

尽管在突破L3级自动驾驶的技术路线之争中,纯视觉路线与激光雷达的论战依然存在。 

但不容忽视的是,中国的车载激光雷达产业已初具规模,在智能驾驶产业链极速发展的2021年,激光雷达已成为智能驾驶产业链中最接近芯片地位的关键一环。 

从今日起,智驾网将深度复盘2021智能驾驶产业链的技术路线、核心技术突破,我们将从激光雷达、芯片自动驾驶解决方案、智驾产业与资本、车企转型等维度推出系列报道《回望2021》。 

今天我们聚焦激光雷达。 

实现更高级别的自动驾驶(L3及以上),将激光雷达加入传感系统是一条更直接的路,这几乎已是行业共识。 

我们先来了解一下激光雷达与自动驾驶的基本关系: 

激光雷达在自动驾驶上的应用原理是依靠将车辆的初始位置与高精地图信息进行比对来获得精确的位置。 

首先,GPS、IMU和轮速等传感器给出一个大概的初始位置。然后,将激光雷达的局部点云信息进行特征提取,并结合初始位置获得全局坐标系下的矢量特征。最后,将上一步的矢量特征跟高精地图的特征信息进行匹配,得出精确的全球定位。 

由于激光本身光束窄,工作频率高等特性,分辨率高是激光雷达最大的优势,可实现厘米级分辨率,这是其他传感器难以企及的。 

相较于毫米波雷达和摄像头,激光雷达在探测距离、可靠度、行人判别、夜间出行等方面都有着更为出色的表现。 

通过加入激光雷达,可增强感知系统的冗余性,有效提高车辆的安全性。 

车载激光雷达产业,我国起步晚于国外,但新造车运动加速了中国在智能驾驶领域的创业速度。激光雷达借助我国第一大市场的基本盘,目前已实现了对国外品牌的反超,在技术层面也呈现多点开花,齐头并进的局面。

自动驾驶汽车激光雷达的数量大战,固然有浮夸的一面,但它最直接的影响是激活了激光雷达产业。

2021上车元年 

2021年1月9日,蔚来在2020 NIO Day上发布ET7,宣布将搭载一颗最远探测距离500米的激光雷达。从此市场便再也收不住了。 

从小鹏到极狐,从智己到长城,多家车企纷纷宣布将推出搭载激光雷达的车型,均预计在2021-2022年间实现量产。 

2021成为名副其实的激光雷达上车元年。 

以上即是我们梳理的采用了激光雷达的车型和他们选择的激光雷达供应商。 

这其中中外企业处在一半对一半的局面,一个直观的现象是,中国车企基本上都采用了国产激光雷达,而国外品牌采用的则多是老牌供应商。 

按照美国咨询公司沙利文预计, 2025年高级辅助驾驶用激光雷达市场规模预计将达到46.1亿美元(折合人民币300亿元),2019年至2025年复合增长率达 83.7%。 

激光雷达产业显然会有一轮中外品牌的对决,但这场竞争的结局取决于中外汽车品牌市场占有率的胜负。 

而社会各界对中国汽车品牌的长期看好,这场关于未来的竞争似乎已在资本市场得到了印证。 

不好过的巨头们 

虽然激光雷达量产上车在2022年已是板上订钉,但从国外多家激光雷达上市企业的市值走向来看,这两年行业的日子其实并不好过。 

尤其是曾经凭借机械雷达在行业内一家独大的Velodyne。 

随着Luminar、Innoviz、禾赛科技、速腾聚创等公司崛起带来的挑战,让Velodyne跌落神坛。 

继2020年Anand Gopalan接替创始人David Hall担任CEO后,2021 Velodyne再度换帅,由Ted Tewksbury接任。 

不过,作为曾经的巨头,Velodyne自然不甘掉队,在2022 CES上,Velodyne推出了全新的车规级半固态激光雷达H800。 

而自动驾驶明星公司Waymo也在2021年正式宣布,将终止对外销售激光雷达。 

Waymo于2017年初开始正式投产激光雷达,以大幅降低其自动驾驶汽车业务的成本。 

2019年又宣布对外销售激光雷达,目的是通过向非汽车行业客户销售激光雷达,规模化降低成本。 

这项计划在2021年正式宣告失败。 

Luminar目前是一众上市公司中市值最高的,也是自上市以来唯一市值增加的企业。 

据官网介绍已经与50多家企业达成合作,其中包括8家Top 10的车企。 

Luminar的最新产品是计划于2022年量产的激光雷达Iris,采用了1550纳米激光源。最大探测距离为600米。在250米范围内可检测反射率小于10%的物体。Iris 采用的是 MEMS 技术,配合ASIC芯片来实现激光雷达的固态化和小型化,易于装车和量产。 

按照光源波长,激光雷达可分为近红外激光(880nm/905nm)和中、远红外激光(1350nm/1550nm),其中近红外激光对人眼安全存在风险,但成本较低。1550nm的激光对人眼安全性高,成本也相对较高。 

根据Yole数据,当前低成本的905nm波长依然是OEM厂商的首选,但1550nm激光雷达正逐渐走向成熟。 

Innovusion(图达通)的半固态激光雷达Falcon猎鹰同样使用1550nm光源,探测距离和Luminar一样在10%反射率下能达到250米。 

Valeo(法雷奥)的首代SCALA激光雷达在2017年便出现在奥迪A8上。而第二代SCALA又将在奔驰S级轿车上实现量产,成为首款获得法规许可的L3级量产车。在2022 CES上法雷奥推出了其第三代激光雷达。 

崛起的初创企业 

而2021年激光雷达行业最大的赢家大概要数国内的Robosense(速腾聚创)。 

在2021-2022间即将上市量产的车型中,速腾聚创一家便独占了六款合作车型,而2021全年,速腾聚创更是拿下了超过40款车型的前装量产定点订单。 

据Yole Développement的行研数据显示,在2021年Q3,速腾聚创激光雷达在车载前装市场中的份额,便已排名中国第一,全球第二。 

这得要归功于速腾聚创车规级MEMS半固态激光雷达M1的面世。 

目前市面上主要的激光雷达大致可分为机械式、旋镜式、MEMS、相控阵(OPA)和泛光面阵式(Flash)。 

机械式是将多个激光器垂直堆叠在一起,通过机械部件旋转将激光点变成线,通过堆叠再将线转化为面,得到点云数据获取3D环境信息。

机械式激光雷达技术成熟,但成本高,体积大,且机械零部件寿命不长。

MEMS激光雷达利用微电子机械系统的技术驱动旋镜,反射激光束指向不同方向。不同于只能匀速旋转的机械式激光雷达,MEMS激光雷达数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强。通过波束控制,探测点还可以根据需求任意分布。例如在高速公路上主要扫描前方远处,在十字路口则加强侧面扫描。

旋镜式激光雷达原理与MEMS相似,都是将光源部分的电子元器件固定下来,只将部分机械部件进行转动或振动以扫描。

相控阵雷达则主要利用光的干涉原理,通过改变不同缝中入射光线的相位差即可改变光栅衍射后中央明纹的位置。

FLASH激光雷达不像MEMS或OPA会进行扫描,而是通过短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器来完成对环境周围图像的绘制。

速腾聚创从2016年便开始布局MEMS激光雷达,并在2018年CES上首次展示M1的最初版本。 

国内另一家激光雷达行业明星公司禾赛科技在2021年也可谓风光无限。 

虽然年初因专利问题中断了IPO,但其半固态激光雷达AT128依然备受欢迎。 

▲ 禾赛科技激光雷达系列产品 

AT128同样是一款车规级长距半固态激光雷达,在10%反射率情况下探测距离可达200米。目前已拿到包括理想、集度、高合、路特斯等在内的多家车企数百万台的定点,并将在2022年开始大规模量产交付。 

而华为则凭借自身强大的实力,也成功推出了96线激光雷达,并实现在多款车型上车量产。 

大疆Livox搭载于小鹏P5,成为国内首颗实现量产的上车激光雷达。 

只是,虽然P5已经开始交付,但激光雷达功能仍需等今年的OTA升级。 

此外,包括万集科技、镭神科技、飞芯光电、数字绿土、北科天绘、傲视智绘思岚科技、北醒光子、大族激光、巨星科技等多家中国激光雷达公司也蜂拥进入了车载市场。 

热闹的市场自然也吸引了投资人的眼光。 

2021年5月,图达通完成6400万美元的B轮融资,由淡马锡、BAI资本和愉悦资本联合投资,老股东蔚来资本、斯道资本和F Prime也参与其中。 

2021年11月,小米向禾赛科技追加7千万美金融资。这是小米自6月以来第二次加持禾赛。 

2021年12月,速腾聚创完成战略融资,投资方为比亚迪。 

2022年1月,一径科技宣布获得数亿元Pre-C轮融资,由小鹏汽车领投。 

激光雷达已引发造车新势力的资本大战,这种竞争智驾君认为是有益的。 

它有利于这个产业的成长,并诞生伟大的公司。 

追求实现固态的理想主义者 

纵观市场,目前大部分还是采用机械式或半固态式激光雷达。 

但也有一些“固执”的企业坚定地将目光投向了更加可靠,当然实现起来也更艰难的固态激光雷达。 

比如Ouster,在2022 CES上推出的DF系列便是走的FLASH路线的固态激光雷达。 

据了解,DF 系列覆盖了短距、中距和长距全套的固态数字激光雷达,可在全局视野内精确成像,不会产生运动模糊。 

DF既能满足汽车制造商对ADAS和自动驾驶的要求,也可无缝集成到车辆架构和设计中。Ouster预计将于2025年量产DF系列,目前已经向OEM和Tier 1交付了功能原型机和样机。 

再比如Ibeo NEXT,同样也是FLASH系的固态激光雷达,高分辨率,低能耗,探测距离达250米,适用于ADAS至L5级别的自动驾驶。 

长城Wey摩卡号称将搭载Ibeo NEXT。 

而Quanergy和力策科技则采用了更加小众的OPA相阵式。 

固态数字激光雷达被认为是未来,但它的稳定量产时刻似乎尚未到来。 

另类FMCW模式追随者 

而无论是机械式,MEMS,还是OPA,FLASH,采用的都是ToF(Time of Flight)测距模式,即飞行时间法,是一种利用信号在一对收发机之间往返的飞行时间来测量两点间距离的方法。 

另外还有采用FMCW模式,即调频连续波法进行测距的激光雷达。 

FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波,被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差,通过测量频率差便可获得目标与雷达之间的距离信息。 

FMCW信噪比更高且消耗功率更低,拥有芯片级产品的成本与稳定性,且在人眼安全和测距性能间达到了出色的平衡。但由于调谐频率是THz 级别,其元件需要具备超高精度,需要测量仪器级的元件。 

这导致了目前 ToF 是性价比更高的选项,但FMCW调频连续波可能会是未来的理想选项。 

由两名前苹果工程师创办的Aeva Technologies推出的FMCW激光雷达便是一个典例,超过300米的探测距离,120°x30°的FOV,可即时测出每个点的速度,且不受其他信号的干扰。 

自动驾驶明星公司Mobileye也在做FMCW激光雷达。 

2021年1月11日,Mobileye/英特尔便正式发布了其FMCW激光雷达,准确地说是激光雷达SoC。 

在2022 CES上,Mobileye CEO Amnon Shashua教授曾谈到,Mobileye有一个专门部门在负责构建调频连续波激光雷达,并计划将在2024年实现量产。 

作为全球知名的芯片公司,Mobileye在传感器解决方案上似乎有些不按常理出牌。 

除了非主流的FMCW激光雷达,Mobileye还在做一件和特斯拉差不多的事,就是实现不用激光雷达也拥有足够感知能力的独立传感系统。 

Mobileye希望能够建立一个高清晰度的新型雷达,称之为软件定义雷达。实现一切都可以通过软件进行配置,包括空中更新,配置传输,发射机,接收机,信号处理等等。通过正确的算法,就能创造独立的雷达传感器,实现激光雷达般的效果。 

此外,Mobileye还训练了另外一个神经网络,将雷达的输出映射到摄像头图像上,相当于把传统雷达和摄像头进行了结合,然后再用神经网络进行训练。 

Amnon Shashua教授表示,如果这一点实现的话,到2025年传感配置只需要一个前置激光雷达,却能同时实现三项冗余,激光雷达、摄像头和成像雷达。 

这样的配置将在大大降低成本的同时进一步提高安全性,毕竟,这是三项冗余。 

纯视觉路线会反向颠覆激光雷达吗? 

以上即是我们复盘的激光雷达的公司、产品、技术路线以及站在他们身后的主机厂。 

在激光雷达话题日盛的2021年,特斯拉采用了更为激进的抛弃毫米波雷达的作法。 

从2021年5月开始,特斯拉去掉了量产车上原来标配的毫米波雷达,只采用全车8个摄像头来为特斯拉的FSD提供外部环境数据采集传感器。 

马斯克曾对外解释,使用神经网络训练摄像头,配合毫米波雷达与超声波雷达,凭算法即能实现视觉系统对激光雷达的替代。这种方案价格低廉,性能也够用。 

而抛弃毫米波雷达,执着地采用纯视觉来实现传感系统,大概源于他对“第一性原理”的信奉。 

既然人类只用眼睛就可以实现驾驶,自动驾驶也应该不需要其他传感器就可以。 

而纯视觉感知最大的问题是无法测量距离、速度和加速度。 

但既然人脑能脑补出距离,通过计算学习的神经网络应该同样也能具备这样的能力。 

既然特斯拉能推出完全基于摄像头的FSD,就意味着这套系统的实际效果是可靠的。 

但这一方案仅适合于特斯拉,这基于特斯拉软件能力的强大。自动驾驶每前进一步,其对冗余算力、冗余识别能力的依赖会产生指数级上升。 

激光雷达一旦量产上车,将是自动驾驶汽车不可或缺的核心部件。