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汽车雷达和激光雷达:一个是今日杰作,一个是明日之星?

2021-01-05 15:49:35 Guillaume Girardin,Yole Développement 阅读:
LiDAR从根本上来说与4D雷达相似,但是可与红外光协同工作。从理论上讲,LiDAR可提供最佳的距离分辨率,非常适于重建高精度的3D场景来检测和识别物体,因此过去十年来一直是ADAS和机器人研发者进行传感研发的重心。

几十年来,为了提高汽车的安全性,业界一直在开发高级驾驶辅助系统(ADAS)。由于采用了一系列传感器(主要是雷达和摄像头)以及功能强大的电子控制单元,过去十年ADAS技术取得了突破性进展。zLXednc

到2012年,有几篇学术研究论文指出,自动紧急制动(AEB)可以将追尾事故减少40%,相关死亡人数减少15%。由于采用高科技可以解决性命攸关的问题,因此ADAS的神话被吹上了天。zLXednc

近年出现的激光雷达(LiDAR)技术已开始被汽车OEM采用,其3D检测功能为市场带来了新的希望。在深入讨论LiDAR之前,我们先来谈谈雷达。zLXednc

雷达是一种使用了很长时间的检测技术,已经开发了数十年,适于不同市场的不同应用,尤其是在汽车领域。汽车市场需要一种具有更长距离、更宽视野、更好分辨率和更低价格的标准化雷达检测方法。zLXednc

雷达在汽车中最常见的安装位置是在保险杠或车牌标志的后面,或者通风栅的前面,有时也会因为雷达/摄像头组合传感器而放在挡风玻璃后面。其他安装位置正在研究之中,例如在前照灯里。雷达的安装位置需精心选择,应考虑所需的检测性能、散热能力以及安装空间。zLXednc

在过去的十年中,汽车行业在全球范围内大力推动了雷达工作频率的标准化,扩大了允许的带宽,使雷达的距离分辨率达到最大。目前业界正在通过德国政府资助的IMIKO项目来协调解决即将出现的干扰问题,欧洲NCAP(图1)和其他组织提出的强有力安全激励措施推动了汽车雷达市场的快速发展。zLXednc

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图1:安全激励措施推动了汽车雷达市场的快速发展。(图片来源:Yole Développement)zLXednc

行业巨头们面临着新入者夺取市场份额的威胁。在巨大的市场压力下,他们必须进行产品差异化创新,提高产品性能,降低产品成本。zLXednc

根据Yole的最新市场和技术报告,2019年雷达在工业市场的规模为39亿美元,在汽车市场的规模为55亿美元。zLXednc

从技术的角度来看,雷达传感器在过去的几十年中已经有了长足的发展。得益于半导体技术的进步,汽车应用中的雷达外形小巧。目前业界几乎已100%转向采用市场领导者英飞凌、NXP及其他新入者提供的硅基单片微波集成电路(MMIC)。zLXednc

汽车雷达的下一个大事件将是4D成像雷达,预计2021年开始进入商业市场。其基本思路是收集更多的数据点,并利用这些数据点进行更多的处理,而不是将其过滤掉。4D成像雷达将生成一个被逐点、逐束、逐帧监测的真实点云,可以获得目标的相对位置、距离和速度,并有助于对目标分类。zLXednc

故事开始变得有趣了。LiDAR从根本上来说与4D雷达相似,但是可与红外光协同工作。红外光从目标反射回来,可以测量发射和接收的时间差,借助点云即可重建3D场景。zLXednc

采用LiDAR的大多数OEM都开始利用这项技术来实现自动驾驶功能(如在高速公路上行驶),提高安全性和AEB性能。沃尔沃公司计划将其长距离LiDAR技术应用于高速公路驾驶,而现代汽车公司则在每个前照灯中集成了LiDAR,提高了安全性,并可以检测出汽车的变道切入或截停。zLXednc

从理论上讲,LiDAR可提供最佳的距离分辨率,非常适于重建高精度的3D场景来检测和识别物体,因此,过去十年来它一直是ADAS和机器人研发者进行传感研发(R&D)的重心。zLXednc

奥迪汽车中嵌入的第一款LiDAR使用机械扫描方法,采用905nm边缘发射激光器和雪崩光电二极管,但其成本高于600美元。估计宝马和沃尔沃使用的下一代LiDAR会更贵。成本是汽车制造商的一个重要考虑因素,目前LiDAR的成本比一般的摄像头大约贵10倍,因此尚无法承受。zLXednc

与长距离LiDAR相比,短距离LiDAR不使用机械扫描,虽然性能较低且结构简单,但是性价比更好。在未来两到三年内,它们可以用于在恶劣天气条件下提高车辆安全性。供应链中的许多公司都准备在2021年至2023年之间发布新产品,其中包括Valeo与奥迪,Innoviz、麦格纳(Magna)与宝马(BMW),Luminar与沃尔沃,以及Velodyne与现代Mobis和现代。图2显示了LiDAR在ADAS汽车中的应用及优缺点。zLXednc

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图2:LiDAR在ADAS汽车中的应用。(图片来源:Yole Développement)zLXednc

Yole预测,汽车和工业应用的LiDAR市场将在2020年达到17亿美元规模,并以19%的速率增长,到2025年达到38亿美元。zLXednc

预期未来五年汽车应用会成为LiDAR发展的主要驱动力,在2019年至2025年之间实现18亿美元的收入。由于LiDAR制造商与汽车制造商之间的紧密合作,Yole预计到2025年,3.2%的私家车将使用LiDAR。zLXednc

实际上雷达和LiDAR这两种技术既相互竞争、又互相补充。由于4D雷达目前还不太成熟,使LiDAR研发得以继续扩大并进行适度的批量生产。zLXednc

然而,LiDAR的效率和相关性还有待验证。雷达由于其高效、简单和可靠而成为汽车安全系统的杰作,但LiDAR仍有一段路要走。zLXednc

新冠疫情将重塑市场

新冠疫情显然影响了2020年的市场,由于消费者的需求受到冲击,汽车市场遭受到销售不足的困扰。我们预计疫情对汽车市场的影响为20%,并将在2021年和2022年逐步复苏,如图3所示。zLXednc

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图3:按自动驾驶等级对轻型车辆2014~2050年的销售进行预测。(图片来源:Yole Développement)zLXednc

因此,OEM可以优先在车辆电气化(或替代技术)的研发中加大投入,而减少在车辆自动化方面的投入,因为碳排放超标会被罚款,直接影响收入。此外,各国政府可能会效仿欧洲,注入资金促进经济增长,同时要求加快汽车脱碳的速度。zLXednc

尽管如此,安全要求不会放宽,预计1~2级和2+/2++级自动驾驶汽车将持续发展,为汽车雷达和LiDAR行业提供了巨大的机会,只是由于疫情而有所推迟。zLXednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站Electronic Products,原文参考链接:Automotive radar and LiDAR sensors: one masterpiece and another in the making?,由Jenny Liao编译)zLXednc

本文为《电子技术设计》2021年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里zLXednc

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