「激光雷达」下半场:前装量产高地之争

被埃隆.马斯克diss过无数次的激光雷达,即将成为中高端自动驾驶量产车的标配,并且,这一势头已锐不可当。甚至,有一些消费者宁可把购车计划推迟一年时间,也要选择带激光雷达的车。

 

可以说,特斯拉在过去几年的一系列“神助攻”对推进这一趋势功不可没——作为智能汽车产业的“前辈”,视觉算法能力领先的特斯拉已经不止一次证明了,在人工参与程度不断降低的过程中,没有激光雷达的方案很难行得通。

 

 当然,功劳首先得归于那些持续创新推动技术更新换代的激光雷达厂商们。 

 

不过,究竟哪种技术路线最符合前装量产的需求,各厂商之间仍未达成共识。截至目前,活跃在一线的激光雷达技术路线至少有四种:

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*表示投资或收购,其他均为自研
 
过去几年,这几种技术路线之间的较量从来就没有停止过。不过,与以往不同RoboTaxi厂商关注极致性能不同的是,在激光雷达开始打进前装量产市场后,厂商们之间竞争的焦点,不再是哪个技术路线的性能指标更强,而是在性能够用的前提下,哪个路线“更接近车企量产时间点”“可制造性更强”“稳定性更强”“价格更低”。
 
客观地说,现阶段,激光雷达的技术路线还处于“百家争鸣”的阶段,没有哪条技术路线是“绝对完美”的,也没有哪条技术路线“一无是处”,事实上,每种技术路线的优势和面临的挑战都很明显,当前还难以下结论说究竟谁行、谁不行。
 
另一方面,“彼之砒霜,吾之蜜糖”,各厂商们的偏好、擅长之处各不相同。同样一条技术路线,A厂商在研究之后认为“不可行”,决定放弃,但B厂商却相信自己有能力“让它行”,因而决定“坚持到底”。
 
在本文中,笔者将拨开层层云雾,对激光雷达技术路线的演进做个简单的回顾,并对其最新动向做个梳理。
 
一.这些激光雷达厂商,都在转向MEMS
2006年,在DARPA自动驾驶挑战赛上,Veldoyne创始人CEO David Hall凭着一台可以机械旋转 360 度的 64 线的激光雷达,在挑战赛上一战成名。在此后的许多年里,Velodyne几乎就是车载激光雷达的代名词。
 
但与此同时,机械旋转式激光雷达为了追求性能极致而疯狂堆叠元器件,并因此而一直遭到 “笨重”“可制造性差”“难以过车规”等非议。作为后装市场测试设备,只要性能达标,这些缺点都是暂时可以容忍的,但如果要打进前装量产市场,Velodyne必须要做出改变。
 
2017年4月,Velodyne发布了一款尺寸更小、成本更经济的固态激光雷达Velarray。但这款固态激光雷达的技术路线是什么,Velodyne一直秘而不宣。
 
在Velodyne发布Velarray的时候,法雷奥的首款激光雷达Scala 1已开始向奥迪A8交付。
 
从一开始,法雷奥就以打进前装量产市场为目标,因此,在技术路线的选择上要注意避免机械旋转式方案常见的问题。
 
Scala在扫描方式上采取转镜避开了传统机械式的专利,但收发系统上依然采取传统的堆叠方式。由于初期用于 “驾驶辅助”的定位,这款激光雷达没有追求很高的性能指标——在兼顾成本与可制造性的情况下,第一代Scala仅堆叠到4线,第二代也只堆叠到16线。
 
转镜式是截至目前唯一通过车规认证的激光雷达方案。然而,这套方案的局限性在于,线数很难做高;这导致垂直视场角和角分辨率都受到很大限制。
 
要提高线数,提升垂直方案视场角和角分辨率,就需要不断堆叠激光收发模组, 这不仅意味着物料成本的上升,也意味着工艺变得复杂、可制造性变差;并且,还带来整机体积变大、功耗上升等弊端——它将成为另外一个类似高线数旋转激光雷达的方案。
 
因此,法雷奥不得不以壮士断腕的勇气抛弃他们这条“第一个过车规”的技术平台,并在2016年开始研发新的技术平台。
 
2018年4月13,在“Automotive Future Summit Spring”峰会上,法雷奥驾驶辅助系统日本/东盟研发总监岩井崇尚首次透露,该公司的Scala 3将采用MEMS技术。
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在4月27日的北京车展上,法雷奥中国区CTO顾建民在新闻发布会上也宣布,Scala的第三代产品将采用MEMS技术,预计会在2021年推出。
 
有意思的是,此前的一天,宝马iNext的量产配置信息也传了出来:经过全球大面积调研,宝马选择了MEMS技术路线为下一代INext产品提供量产方案。Innoviz获得design win。
 
在此前后,多家厂商陆陆续续发出关于MEMS激光雷达的信息。
 
 2015年9月,日本先锋公司称正在利用原本用于扫描激光影碟的光学头开发激光雷达,从2017-2019年间公开的一系列专利信息来看,先锋开发的就是MEMS激光雷达。
 
2017年6月,博世推出了兼顾激光扫描和投影的BML050方案,包括两个MEMS微镜,可用于交互式投影仪。同时传出博世在全力以赴研发量产车载激光雷达,尽管博世官方一直没有正式公布激光雷达的信息,但从其后曝出的一些专利来看,其激光雷达采用的就是MEMS技术
 
2018年的CES上,速腾聚创发布并公开演示其MEMS激光雷达RS-LiDAR-M1 Pre 
 
2019年的CES上,禾赛也发布了MEMS激光雷达Pandar GT 3.0。 
 
2020年,大陆集团也开始对MEMS技术表现出了越来越浓厚的兴趣。3月和10月,大陆先后战略投资了两家MEMS激光雷达公司Blickfeld和Aeye。
 
而到了202011月份,Velodyne CEO Anand Gopalan在接受《福布斯》采访时首次披露,Velarray采用的技术方案“类似于MEMS”。
 
尽管其他几种技术路线仍然活跃着,但MEMS的热度不断上升却是不争的事实。
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在2019年11月1日,法国咨询公司Yole发布了一份关于激光雷达的研究报告《From Technologies to Markets》,报告指出,2018-2019两年,MEMS路线对投资者的吸引力超过其他几种技术路线,分到了最大的投资份额。
 
倘若Yole在2020年11月份再出一份新版的报告,MEMS激光雷达“吸金”的趋势可能会更加明显。
 
二.“弃堆叠,向集成”大势所趋
 
为什么这些老牌激光雷达厂商、顶级零部件供应商、新晋激光雷达厂商纷纷抛弃掉已经在市场上获得成功的机械旋转式和转镜式路线,然后又都不约而同地拥抱了MEMS?
 
但无论如何,抛弃激光雷达收发模组的堆叠结构,则是他们在行动上的共同点。
 
无论是传统机械旋转式还是转镜式,要获得多少线数,就需要堆叠多少组收发模块——每增加一组收发模块,就意味着零部件成本和组装成本的上升,也意味着失效率可能上升;同时可制造性将剧烈下降。既然现有平台无解,一场技术革命就无法避免。
 
最大胆的设想出自曾经风光无限的Quanergy,这家明星公司一度承诺将激光雷达做成芯片,售价低于100美金。不过,到了2018年下半年,Quanergy便已从自动驾驶市场上出局
 
激光雷达的关键技术包括激光发射端、接收端和扫描方案,产品的整体方案技术路线,就是这三项技术排列组合的结果。因此,整体方案的改进,也就是围着这三项关键技术的改进。
 
收发模组方面的创新主要来自于上游元器件厂商
 
在发射器方面,上游元器件厂商致力于推出一种“高集成度”的垂直面阵发射激光器(VCSEL)来取代传统激光雷达使用的堆叠式边发射激光器(EEL)。但长期以来,VCSEL的发射能量密度很低(与EEL比差了100倍),导致激光雷达测距距离严重受限。为了争夺激光雷达市场巨大的蛋糕,一些头部VCSEL厂商正在努力提升其能量密度,以期待未来能将VCSEL的能量密度提升到与EEL相当的水平。
 
在探测器方面,也有一些上游元器件厂商在努力取代传统APD探测器的堆叠方案。主流的元器件是SPAD阵列,感光能力极其灵敏,能够敏锐捕捉到远距离返回来低能量的激光回波,但是也带来相应问题:太灵敏接收会导致通道串扰大,放开感光度会造成非常严重的噪点问题(类似照相机的iso参数变高,噪点增多)。
 
上游厂商一直致力于解决这种串扰(crosstalk)和寄生脉冲afterpulsing)的问题,他们期望在2022年内把SPAD的光子探测效率和信噪比提升到APD的水平。
 
有的厂商则通过电机扫描模组上创新如使用多个电机带动多个棱镜进行旋转,通过棱镜快速旋转偏折光路实现大面积、高密度的扫描,从而减少收发器件数量。
 
但这种方案的主要挑战在于,与其他机械式激光雷达电机转一圈即可覆盖整个视场范围不同,在相同时间内,电机需要快速旋转才能达到相同的扫描角度及密度。这意味着,厂商需要设计一个10倍以上高速旋转的电机,且保证其寿命达到汽车领域要求水平。
 
否则,由于电机的寿命跟转速成反比,转速越高,则机械磨损越严重,该方案的激光雷达寿命会大幅度缩短。或者,厂商可以考虑降低扫描频率,采用“积分”(对单场景进行长时间扫描)方式来达到同样效果,避开寿命问题。
 
另一种方式是,采用二维微振镜,仅需要少量激光收发单元,通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束即可实现对目标物体的3D扫描,对激光器和探测器的数量需求明显减少。
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(图左为MEMS微振镜工作示意图;图右为MEMS激光雷达工作原理。 图片版权属于麦姆斯咨询公司)
 
这些方案中,最令车企感到兴奋的是MEMS。2018年4月下旬,宝马宣布将在下一代的iNext上搭载MEMS技术的激光雷达。获得design-win的,是当时“连样机都没有”的以色列厂商Innoviz,Innoviz后来称,“在行业里,这是一个不可复制到神话。”
 
这种只认技术路径,不验证产品的决定,一方面证明宝马对MEMS的信心与决心,同时也带来了风险,笔者将在下文提到这个这项合作的“后续”。
 
在发射端、接收端、扫描方式上百家争鸣的年代,为何MEMS方案得到热捧?对以“更接近量产时间点”“可制造性更强”“稳定性更强”“价格更低”为主要的选择逻辑的客户来说,集”核心元器件成熟”、”集成度高”和”成本低”三位一体的MEMS方案,是风险最小的选择。
 
零部件成熟度高
 
MEMS(微机电系统)是基于非常成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺,广泛应用于各个领域,如汽车加速度计、激光打印机、医疗成像、光通讯、3D摄像头、条形码扫描等领域。而MEMS微振镜是MEMS技术在特定领域的延伸而已,即便是MEMS微振镜,也已经被德州仪器等公司在投影显示领域商用超过20年,而且基于MEMS微镜的HeadUpDisplay(抬头显示)已经用于车辆上。
 
集成度高
 
MEMS激光雷达方案是第一种成功摆脱笨重的电机的方案,核心元器件MEMS微振镜采用成熟的半导体工艺,具有极高的集成度;MEMS微振镜具备2D扫描能力,纵向扫描实现等效的多线,只需要一对收发就可以等效于100多线的机械式激光雷达,进一步提升其集成度。
 
同时,由于扫描方式变革,MEMS激光雷达的收发部件变得极其简单;整体方案零部件大大减少的情况下,失效分析也变得简单,可制造性也更容易兑现承诺。
 
而对前装量产车企来说,尺寸的缩小也意味着集成难度极大地降低。
 
成本低
 
其核心元器件MEMS采用类似于集成电路批量生产的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。同时,大幅减少收发单元等元器件的堆叠后,装配和标定的成本也大幅度降低。
 
三.MEMS方案挑战挑战重重,其他方案也不顺利
 
既然MEMS激光雷达“这么好”,为什么迟迟没有领先于其他创新方案,率先出现在量产车上呢? 
 
早在2012年,丰田旗下一个实验室Toyota Central R&D Labs就发布过MEMS微振镜 + SPAD(单光子雪崩二极管)阵列的激光雷达系统(Opt. Express 20, 11863(2012)),不过,受限于当初多个元器件的成熟度,探测距离仅有20米。
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事实上,MEMS“探测距离太短“,“探测角度太小”正一直是其容易遭到其他激光雷达厂商diss的“槽点”。
 
探测距离是MEMS厂商技术成熟度的一个重要指标那些以MEMS为主要技术路线的厂商也承认MEMS方案在探测距离上的局限性。原因在于,MEMS镜面较小,收光孔径较小,而光接收功率又与收光孔径成正比,这便导致测距能力较弱。
 
另外,MEMS由于振动方式属于“微振动”,摆动角度有限,很难达到大角度改变光路的结果,因而导致“探测视场太小”。
 
但厂商们显然不会“束手无策”。相反,在他们眼里,这些挑战中也蕴含着机遇——谁能率先突破这些难题,谁就将成为MEMS激光雷达的领导者。
 
经过厂商们几年时间的不懈的努力,MEMS虽然在稳定可靠性、可制造性、元器件成熟度等方面都得到行业相当的认可,但测距能力不足依旧普遍存在,据业内人士透露,有的厂商送测样机甚至达不到70m@10%,退而求其次用在补盲方向。
 
不过根据公开信息,业内顶尖的MEMS激光雷达厂商,称可达到150@10%甚至更高。
 
值得注意的是,今年11月,Innoviz发声明将推出第二代产品InnovizTwo。相比One,Two的成本降低70%以上,控制在500美元范围内尽管Innoviz在新闻通稿中说“性能提升”,但从其官网的产品信息看,Innoviz Two的性能参数不但没有提升反而降低:帧率从5-25hz调整到10-15hz,视场角从115°*25°调整到100°*20°
 
据新智驾报道,Innoviz中国区总经理苏淑萍称:“Two重新设计了光路后,极大程度地减少了核心部件”,达到了降低成本和提升可制造性的目的。这不由让人联想到,Innoviz One的系统设计可能出现了问题,导致可制造性不足,成本也遇到挑战,因此需要重新设计新一代机型。
 
收发模组、电机扫描模组等方向创新的厂商们从未停止努力但进展并不顺利。
 
转镜式若要既做高线束又不堆叠,也只能采用“VCSEL+SPAD”的激光收发方案了。
 
VCSEL的发射功率限制着激光雷达的测量距离;SPAD感光能力很强,在远距离返回来低能量的激光回波也能探测到,但通道串扰大,放开感光度会造成非常严重的噪点问题。这两者都需要很长时间来打磨。
 
以前,各厂家曾判断“VSCEL和SPAD再过2~3年就会成熟”,但已多次“跳票”。
 
如丰田在“2014年底特律第21届ITS世界大会”上宣布正在开发SPAD激光雷达,但六年过去了,也没见到成果。
 
电装在2016年4月份投资的激光雷达公司Trilumina ,主业就是做 VCSEL模组的,该公司在2017年说要在2020年量产激光雷达,但现在并没看到什么踪迹。
 
丰田在2020年7月份放出消息说将在2020年推出搭载激光雷达的量产车雷克萨斯LX,但截至12月10日,我们仍未收到这款车发布的消息。大概率是又要跳票了。
 
现在看起来,至少在等1-2年,VSCEl和SPAD等元器件才可能成熟并供给下游激光雷达厂商进行集成测试。
 
电机扫描模组创新方面,最近有厂商提到,已经研发出能够提供点云“相对整齐规律“的激光雷达样品;假如能够解决电机的寿命问题,同时解决多电机与多棱镜在高速旋转的场景下的稳定性问题,那么这套方案也是充满竞争力。
 
目前来看,不同技术方案的竞争依然焦灼,还得不出谁优谁劣的结论,最终,给这些技术路线是否满足“车规”及“前装量产”要求下结论的,并不是各种理论分析,而是在经过大量的测试验证后再拿出真金白银来投票的车企。
 
车企是理性的,他们并不会仅仅因为听谁说自己的技术路线最好就卖谁的,也不因为谁的技术路线被友商说“不行”就拒绝接触。
 
因此,无论采用什么技术路线,各家都需要补足各自的缺点,做到性能指标、产品结构、元器件成熟度、成本、可靠性、寿命等全方位无短板,才能真正赢得车企的青睐。
 
四.海外厂商集体进入“瓶颈期”中国本土厂商首次集体胜利
 
截至目前,几家头部激光雷达厂商手中都握有量产订单,但通常,“量产订单”跟搭载这些激光雷达的车型“量产上市”之间还有一到两年的时间差。
 
法雷奥已有一批激光雷达被安装在号称“全球首款L3级自动驾驶量产车”的奥迪A8上,但由于法规等限制,奥迪A8的L3级自动驾驶功能在美国、欧洲和中国三个市场上均未能启用,那么,后续,A8的消费者还肯为激光雷达付费吗?奥迪还敢轻易在量产车上安装激光雷达吗?
 
而法雷奥的合作方Ibeo,已经到了生死存亡的关头。前段时间采埃孚欲卖掉手中Ibeo股份时,“潜在买家对Ibeo的估值可能只有1亿至2亿欧元”。
 
2019年,曾经不可一世的Velodyne在中国市场上遭遇了滑铁卢。年底,该公司不得不宣布裁掉在中国市场的直销团队,产品性价比低是最重要的原因;2020年初,Velodyne创始David Hall甚至因此而被迫下台。百度曾投资过Velodyne,占股超过8%,但如今百度的测试车上用的激光雷达都跟Velodyne无关。
 
2019年下半年,Velodyne跟现代摩比斯达成合作,宣布将在2021年像现代的L3量产车供应激光雷达,但至今未见其定点车型。实际上,现代可能并不会把激光雷达的赌注都押在Velodyne身上。
 
2019年,已跟现代集团有过十多年合作的Carnavicom公司投资了40亿韩元打造SMT生产线,希望能够使激光雷达的年产能超过180万台。 只要产品经过验证OK、并且价格也合理,近水楼台的Carnavicom便可在现代的供应体系里对Velodyne构成直接威胁。
 
最近刚上市的Luminar公司,早在2019年7月份就自曝光收到的订单总额已超过了“15亿美元”,然而,该公司最新公布的财务数据是:2019年和2020年的营收分别为1260万美元、1500万美元。
 
事实上,在20208月份,该公司称预计在2020年将出售100颗激光雷达。在11月底的IPO报告中,该公司再次提及,“预计到今年底前将售出大约100台激光雷达”。
 
Luminar口中的“15亿美元”,可能同样是意向订单,离实际落地还有很远的距离。据公开信息,Luminar的激光雷达应用至量产车上的最早时间为2022年。
 
Innoviz能在连样品都没有的情况下就获得宝马的design-win,是个神话,但进入2020年,这个神话似乎要破灭了。
 
2020年6月份,Innoviz中国区负责人苏淑萍在一次直播分享中提到在Q3向宝马交付的目标时说:“公司的压力非常大”。此后,有知情人士爆料:为了做高性能指标,Innoviz堆叠了很多元器件,导致产品成本过高,并且可靠性也不够。
 
10月份,Q3已经结束,Innoviz仍未发布向宝马交付的消息,反而是发布了新一代产品InnovizTwo。官方的说法是,“与InnovizOne相比,InnovizTwo采用的激光发射器数量减少,成本降低了70%,而性能也有了明显提升”。
宝马并没有明说会放弃使用InnovizOne,但有了成本更低、性能也更会的InnovizTwo,宝马还有理由继续使用“成本更高、性能更差”的InnovizOne吗?
 
与一众国外厂商进入瓶颈期不同的是,最近,中国本土的激光雷达厂商是存在感爆棚。
 
9月9日,美国“造车新势力”Lucid发布并计划于2021年春天量产交付的首款量产车Lucid Air也将搭载激光雷达。这则消息当时未引起太多关注,Lucid官方也没有正式披露关于该激光雷达的信息,但笔者仍从外媒的报道中发现了一些蛛丝马迹: 
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汽车媒体Motor Trend在7月29日报道中的用词是“125-beam (equivalent)”,即“等效125线”。 维基百科上的Lucid Air词条中也采用了同样的说法。 
 
从“等效125线”可以断定,这不是一款机械旋转式激光雷达,而是固态激光雷达——如果是机械旋转式激光雷达,应该直接说是“多少线”;有一些固态激光雷达,在严格意义上讲,并不存在“线数”的概念,但为了便于用户理解,厂商们会解释成“扫描效果相当于多少线机械式激光雷达”,简称为“等效于多少线”。 
 
在可提供固态激光雷达的厂商中,仅有速腾聚创发布过一款“等效125线”的MEMS激光雷达M1。笔者曾向速腾聚创求证过Lucid Air上搭载的激光雷达是否由他们提供的,对方并未正面回应,但承认“等效125线”的MEMS固态激光雷达M1已获得多个厂商定点合同,并大量向客户出货。
 
而Lucid Air COO在接受Arstechnica采访时也曾透露,其所使用的激光雷达视场角为水平120度*垂直25度;这恰好跟速腾聚创M1的相关参数一致。
 
这将是激光雷达首次搭载在纯电动车上。
 
10月下旬,在世界互联网大会上,北汽新能源副总经理、ARCFOX BU总裁于立国宣布,ARCFOX的最新款产品HBT将搭载3颗华为的96线激光雷达,量产时间为2021年。
 
11月 ,长安宣布联合华为和宁德时代打造全新的高端智能电动汽车品牌,旗下车型计划预留布置 36 个传感器,其中就有 5 颗激光雷达。
 
而小鹏将在2021年发布的下一款量产车上的搭载激光雷达,此前有内部信源表示,最后的角逐将在华为、速腾聚创和Livox三家深圳公司之间展开。
 
目前看来,尽管已有两家美国激光雷达IPO,但产品最先通过前装量产车落地的顶级玩家都汇聚于中国、汇聚于深圳,这是中国激光雷达厂商的集体胜利。
 
过去几年,由于前装量产市场还没起来,激光雷达主要卖给各初创公司们的改装测试车辆,这意味着,在这个阶段,对激光雷达厂商而言,谁搞定了多少初创公司,谁就有多少跟客户一起打磨技术的机会。
 
作为全球最大的汽车市场,中国市场上自动驾驶初创公司的数量多于美国市场,这对近水楼台的中国本土激光雷达厂商显然是一个利好。有了更多的测试机会,中国公司们便有机会逐步缩短跟先发者们的技术差距,甚至超过后者。
 
而到了激光雷达开始打进前装量产市场的阶段,中国厂商们除了在“中国速度”“深圳速度”下实现的技术优势外,还有一个极大的红利是:
 
已有多项调查表明,中国消费者对新鲜事物更感兴趣,他们对自动驾驶的热情要超过美欧日消费者,更用于尝试新技术,也更乐意为新技术付费,因此,中国车企对NOA等高级自动驾驶的量产也更积极。
 
率先上前装量产车,对中国激光雷达厂商们的意义主要不在于能带来多少优势,而在于他们抢先获得了跟客户一起了解应用场景、一起打磨技术的机会。
 
训练的机会越多、掌握的场景数据越多,技术进步便越快;而技术进步越快,便容易拿下更多的订单,掌握更多的场景数据,从而实现一种良性循环,先发优势所形成的壁垒也越来越高。
 

原文始发于微信公众号(建约车评):子弹上膛!激光雷达下半场:前装量产高地之争

 

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