[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]對(duì)于自動(dòng)駕駛來說，激光雷達(dá)是非常重要的感知傳感器，它通過發(fā)射激光束照向周圍環(huán)境，然后接收這些光被物體反射回來的信號(hào)，計(jì)算出反射光從發(fā)射到返回的時(shí)間，就能知道物體離車有多遠(yuǎn)，還能判斷形狀和位置，從而在三維空間里畫出車輛周圍的“點(diǎn)云地圖”。

這種地圖信息對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)判斷路況、避障和規(guī)劃路徑非常關(guān)鍵，它比攝像頭更不容易受光線變化影響，也比毫米波雷達(dá)能提供更高分辨率的數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)按內(nèi)部掃描結(jié)構(gòu)不同，可以分為好幾類，今天主要和大家聊聊機(jī)械式機(jī)械激光雷達(dá)和半固態(tài)激光雷達(dá)。

機(jī)械式激光雷達(dá)是怎么工作的？

所謂機(jī)械式激光雷達(dá)，就是那種最早被大多數(shù)自動(dòng)駕駛測(cè)試車采用、外形像小桶或者圓盤一樣安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)。這種設(shè)計(jì)的核心特點(diǎn)，就是讓激光發(fā)射和接收模塊隨一個(gè)機(jī)械部件旋轉(zhuǎn)起來。它里面有電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，這些裝置不斷旋轉(zhuǎn)光學(xué)部件，使激光束可以向360°方向?qū)⒅車沫h(huán)境“逐圈”掃過去。通過這樣的旋轉(zhuǎn)，就能捕獲車輛周圍所有方向的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

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機(jī)械式激光雷達(dá)并非簡(jiǎn)單地向四周發(fā)射激光，而是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)使光束像掃描儀一樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。激光發(fā)射器、接收器或鏡片會(huì)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，并借助多線束或其它機(jī)械配合，實(shí)現(xiàn)水平方向360°的全景覆蓋以及一定的垂直掃描范圍。由于探測(cè)方向覆蓋廣泛，僅需單一設(shè)備即可感知車輛周圍全環(huán)境，無需額外安裝多個(gè)單元，同時(shí)能夠獲得較高的點(diǎn)云密度和測(cè)距精度。

這樣的設(shè)計(jì)讓激光雷達(dá)視野開闊、覆蓋完整，而且數(shù)據(jù)精度相對(duì)較高，因此在很多高級(jí)自動(dòng)駕駛原型車和早期無人車平臺(tái)中，機(jī)械式激光雷達(dá)是最常見的解決方案。

但這樣的設(shè)計(jì)也存在一定的問題，由于它依賴機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，電機(jī)、軸承和鏡片一直轉(zhuǎn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)部件本身就是磨損件，在長(zhǎng)期使用中可能因?yàn)檎饎?dòng)、溫度變化等因素出現(xiàn)故障，可靠性和壽命難以達(dá)到車規(guī)級(jí)幾萬小時(shí)甚至十萬小時(shí)以上的標(biāo)準(zhǔn)。

由于機(jī)械式激光雷達(dá)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)需要一定空間，一般只有裝在車頂才有足夠的視野，這樣不僅改變了整車外觀，還影響車車輛空氣動(dòng)力學(xué)和整車設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)械式激光雷達(dá)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)很難做到低成本批量生產(chǎn)，這些問題使得機(jī)械式激光雷達(dá)并無優(yōu)勢(shì)。

半固態(tài)激光雷達(dá)是怎么工作的？

現(xiàn)階段我們可以看到很多的搭載自動(dòng)駕駛的車輛上使用的是半固態(tài)或固態(tài)激光雷達(dá)。所謂“半固態(tài)”，指的是它不像傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)那樣整個(gè)雷達(dá)都要機(jī)械旋轉(zhuǎn)，而是把真正發(fā)射和接收光線的核心模塊固定住，只讓一些小的部件做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)使得它的運(yùn)動(dòng)部件相比傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)少得多，所以結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定。

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半固態(tài)激光雷達(dá)常見的一種實(shí)現(xiàn)是轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，也就是說發(fā)射/接收模塊本身不動(dòng)，但配合一個(gè)小的機(jī)械鏡子去改變激光束的方向，這樣可以做到比純固態(tài)更靈活的掃描，但運(yùn)動(dòng)量遠(yuǎn)小于整個(gè)模塊旋轉(zhuǎn)一圈。這種方式減少了機(jī)械部件的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)范圍，所以相比機(jī)械式激光雷達(dá)來說，它在成本、可靠性和封裝體積上都有明顯改善。

機(jī)械式和半固態(tài)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別

機(jī)械式激光雷達(dá)是靠整個(gè)發(fā)射/接收模塊的大范圍機(jī)械旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)全方位掃描，而半固態(tài)激光雷達(dá)是把發(fā)射/接收模塊固定住，只通過小范圍機(jī)械部件或鏡面調(diào)整來控制激光方向。

在機(jī)械式激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)中，激光發(fā)射器和接收器整體隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)設(shè)備需要承受高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的振動(dòng)、摩擦和機(jī)械磨損。為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還需要額外的平衡結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和封裝系統(tǒng)，這些都增加了設(shè)計(jì)難度、制造成本和車輛集成難度。

半固態(tài)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)核心是讓感知組件保持靜止，只有鏡面或者微小機(jī)械結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)引導(dǎo)激光束的方向。這樣做的結(jié)果是機(jī)械部件少了很多，磨損點(diǎn)少了很多，整車集成也更容易，甚至可以做到隱藏式安裝。

結(jié)構(gòu)上的不同也意味著半固態(tài)激光雷達(dá)的制造過程更容易把關(guān)鍵部件做成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的元件，從而規(guī)模化量產(chǎn)。對(duì)于車企來說，這樣的結(jié)構(gòu)更有利于達(dá)到車規(guī)級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，也更容易和整車的質(zhì)保及維護(hù)體系匹配。

為什么車企更喜歡用半固態(tài)而不是機(jī)械式？

車企在為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)選擇激光雷達(dá)時(shí)，會(huì)綜合考慮性能、成本、可靠性和整車集成難度這幾大因素。在自動(dòng)駕駛原型車或試驗(yàn)車的階段，機(jī)械式激光雷達(dá)憑借其全面覆蓋和高精度，一度成為最容易實(shí)現(xiàn)整體感知能力的首要選擇。但是隨著產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，其體積大、成本高、機(jī)械部件壽命有限等問題，使其很難大規(guī)模應(yīng)用到車端

相比之下，半固態(tài)激光雷達(dá)更接地氣。半固態(tài)的機(jī)械部件少，這也使得其可靠性更高。車輛在實(shí)際使用過程中會(huì)經(jīng)歷高溫、低溫、顛簸、震動(dòng)、灰塵、潮濕等各種復(fù)雜環(huán)境。機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，越容易出現(xiàn)由于環(huán)境壓力引起的損耗。在半固態(tài)設(shè)計(jì)里，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)減少，雷達(dá)整體更穩(wěn)定，整車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性更好，也更有利于通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證。

激光雷達(dá)的成本一直是制約自動(dòng)駕駛大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)核心瓶頸。機(jī)械式雷達(dá)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所有零部件都要復(fù)雜定制，還需要精密組裝和校準(zhǔn)。而半固態(tài)激光雷達(dá)相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一些，制造難度和材料成本都明顯更低，這對(duì)追求更大銷量、更低整車成本的車企來說是非常具有吸引力的。

此外，機(jī)械式激光雷達(dá)需要突出安裝，很多時(shí)候我們都會(huì)看到其放在車頂上，這不僅影響車身線條，還可能增加空氣阻力和風(fēng)噪。半固態(tài)設(shè)計(jì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊，可以慮嵌入式安裝，不僅更美觀，還能更好地隱藏和保護(hù)傳感器，這對(duì)于量產(chǎn)車來說尤其重要。

現(xiàn)階段，還有企業(yè)追求更遠(yuǎn)的目標(biāo)，開始研究全固態(tài)激光雷達(dá)。這種設(shè)計(jì)將進(jìn)一步減少機(jī)械障礙，完全依靠電子光學(xué)技術(shù)來控制激光方向，但目前全固態(tài)方案在視野覆蓋、探測(cè)距離和制造工藝等方面存在諸多挑戰(zhàn)。相比之下，半固態(tài)激光雷達(dá)因?yàn)橐呀?jīng)在現(xiàn)有技術(shù)條件下兼顧了成本、可靠性和掃描能力，所以在短期內(nèi)成為很多車企在自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車型上采用的主流選擇。

車企選擇半固態(tài)雷達(dá)，并不是因?yàn)樗谒兄笜?biāo)上都比機(jī)械式好，而是在性能合理、成本可控、可靠性高、整車集成友好這些綜合標(biāo)準(zhǔn)下最符合商業(yè)化生產(chǎn)要求。

最后的話

機(jī)械式激光雷達(dá)本質(zhì)上是一種“用機(jī)械換視野”的方案。它通過持續(xù)、穩(wěn)定的機(jī)械掃描，把有限數(shù)量的激光通道展開成完整的空間覆蓋。正因?yàn)閽呙杪窂胶鸵晥?chǎng)天然閉合，系統(tǒng)更容易獲得均勻、穩(wěn)定的點(diǎn)云分布，這對(duì)環(huán)境建模和目標(biāo)檢測(cè)是一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。但這種優(yōu)勢(shì)是建立在持續(xù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)之上的，視野、精度和可靠性被緊緊綁定在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之中。這也導(dǎo)致機(jī)械式激光雷達(dá)更像是一種工程上行得通、產(chǎn)品上難以使用的方案，這也是為什么半固態(tài)式激光雷達(dá)應(yīng)用越來越多的原因。

審核編輯 黃宇