高級(jí)自動(dòng)駕駛，一定要用激光雷達(dá)嗎

日前，以“汽車(chē)安全領(lǐng)頭羊”自居的沃爾沃，宣布將超越L3，跨過(guò)L4級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)，并計(jì)劃在2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)L4車(chē)型的量產(chǎn)，并強(qiáng)調(diào)L4車(chē)型必須使用激光雷達(dá)。

在沃爾沃集團(tuán) CTO看來(lái)，激光雷達(dá)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的關(guān)鍵一步。

因?yàn)榧す饫走_(dá)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的“關(guān)鍵一步”，那也是必不可少的一步。這個(gè)說(shuō)法想必也會(huì)得到國(guó)內(nèi)外數(shù)十家激光雷達(dá)廠商的紛紛點(diǎn)贊。

因此，現(xiàn)在還是要討論高級(jí)自動(dòng)駕駛是否要配備激光雷達(dá)的話題，看起來(lái)有點(diǎn)“不合時(shí)宜”。

對(duì)無(wú)人駕駛而言，評(píng)估不會(huì)比安全性更重要。如照相機(jī)、毫米波雷達(dá)等傳感器可以保證99%的安全，而加入激光雷達(dá)，則可以實(shí)現(xiàn)99.99999%的安全，即便是這0.99999%的進(jìn)步，對(duì)于許多想讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)量產(chǎn)的車(chē)廠來(lái)說(shuō)，都會(huì)毫不猶豫地使用。

但熟悉自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的人也知道，這樣的結(jié)論也不會(huì)是板上釘釘?shù)氖?，至少特斯拉老板說(shuō)的那句“用激光雷達(dá)的都是傻子”的話還沒(méi)有改變。

目前，支持激光雷達(dá)的一方和支持純視覺(jué)計(jì)算的一方仍然爭(zhēng)論不休，還有一些技術(shù)廠商試圖用毫米波雷達(dá)取代激光雷達(dá)。

在先進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)下，激光雷達(dá)的“C位”地位仍面臨挑戰(zhàn)。為何大部分自動(dòng)駕駛公司都支持激光雷達(dá)技術(shù)？而且偏偏還有幾家公司不走“尋常路”，不接雷達(dá)招？

個(gè)人的理由是什么？不僅是傳感器技術(shù)路線之爭(zhēng)，而且還有自動(dòng)駕駛汽車(chē)廠商對(duì)商業(yè)路線的判斷。無(wú)人駕駛的瓜田里總有新瓜要摘，這一次我們圍繞激光雷達(dá)和其它技術(shù)路線糾葛一起來(lái)圍觀吃瓜。

激光器，如何成為自動(dòng)駕駛傳感器中的“C位”擔(dān)當(dāng)？

目前自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感器系統(tǒng)主要由攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等組成，而激光雷達(dá)幾乎被公認(rèn)為是“C位”之稱(chēng)。

其中，高分辨率、高精度以及抗干擾能力強(qiáng)是激光雷達(dá)獲得這一殊榮的關(guān)鍵因素。

具體地說(shuō)，激光雷達(dá)(LiDAR)是一種測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊緣與設(shè)備之間的相對(duì)距離的方法，它可以精確地捕捉輪廓信息，組成點(diǎn)云，并繪制3D環(huán)境圖，測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)。

第一，激光雷達(dá)發(fā)射光波的頻率比微波高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此與微波雷達(dá)相比，具有極高的距離、角、速度分辨率，因此其測(cè)量精度更高。

二是測(cè)量精度較高，即可以直接獲得目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，從而產(chǎn)生立體的立體維度圖像，可以分辨出運(yùn)動(dòng)中的人是真行人還是僅僅是人物的海報(bào)。

由于激光波長(zhǎng)短，可以發(fā)射極小的發(fā)散角激光束，因此可以探測(cè)低空/超低空目標(biāo)；多路徑效應(yīng)小，抗干擾能力強(qiáng)。

另外，激光雷達(dá)不受光照條件及探測(cè)目標(biāo)自身特性的影響，具有全天時(shí)工作特性。

與此同時(shí)它的缺點(diǎn)也特別明顯，那就是易受雨雪等惡劣大氣條件或有煙塵環(huán)境影響，很難在全天候環(huán)境中正常工作。這就是說(shuō)，自動(dòng)駕駛不能僅僅依靠激光雷達(dá)，還需要其他傳感器的共同協(xié)助。

最有爭(zhēng)議的還是，激光雷達(dá)一直都是高于照相機(jī)和毫米波雷達(dá)的價(jià)格。當(dāng)然，比起剛開(kāi)始，機(jī)械激光雷達(dá)要花上幾萬(wàn)美元，如今固態(tài)激光雷達(dá)可以賣(mài)到幾百美元，大大降低了激光雷達(dá)的應(yīng)用成本。

具體地說(shuō)，激光雷達(dá)的性能又與線束數(shù)量有關(guān)，線束越多其覆蓋角越大，但同時(shí)成本也越高。目前主流自動(dòng)駕駛汽車(chē)的激光雷達(dá)配置方案主要包括一顆價(jià)格昂貴的64線激光雷達(dá)和多個(gè)16線激光雷達(dá)，這些雷達(dá)的成本仍是眾多廠商無(wú)法承受的。

在馬斯克的話里，“我認(rèn)為激光(激光雷達(dá))對(duì)汽車(chē)的發(fā)展沒(méi)有任何意義，而我認(rèn)為這并非必要?！?/p>

這究竟是不是必須，我們可以深入到“激光雷達(dá)”和“純視覺(jué)計(jì)算”的兩派對(duì)峙現(xiàn)場(chǎng)一探究竟。

科技性能 VS商業(yè)成本，激光雷達(dá)和視覺(jué)計(jì)算各有千秋

這一方面，站在激光雷達(dá)這邊的“選手”可謂人多勢(shì)眾，谷歌 Waymo、通用 Cruise、Pony.ai、文遠(yuǎn)知行等主流自動(dòng)駕駛廠商都是其擁護(hù)者。經(jīng)典的標(biāo)志就是這些廠家的車(chē)頂上都有一臺(tái)很扎眼的激光雷達(dá)。

與此相關(guān)的視覺(jué)計(jì)算技術(shù)方面，主力隊(duì)員是已經(jīng)成功銷(xiāo)售特斯拉、理念相同的日產(chǎn)汽車(chē)，以及一些自動(dòng)駕駛技術(shù)解決方案的創(chuàng)業(yè)公司。

自從去年馬斯克“大放厥詞”后，兩個(gè)主要陣營(yíng)的新車(chē)的技術(shù)方案給了我們比較的可能性。其中一款是日產(chǎn)基于 ProPilot2.0系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的 Skyline (天際線)車(chē)型，一款基于 Audi AI系統(tǒng)和激光雷達(dá)作為探測(cè)主體的奧迪A8L。

在硬件上，日產(chǎn) ProPilot2.0系統(tǒng)不采用激光雷達(dá)，而是使用5個(gè)毫米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷達(dá)和7個(gè)攝像頭；而在前值攝像頭上，使用 Mobileye提供的三目攝像頭，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和傳輸速度的提升；加上 GPS系統(tǒng)和高精度地圖數(shù)據(jù)分析設(shè)備，組成了自動(dòng)駕駛所需的360度觀測(cè)系統(tǒng)。

相比特斯拉 Autopilot系統(tǒng)，僅使用1個(gè)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，日產(chǎn) ProPilot2.0直接增加到5個(gè)，覆蓋中距離測(cè)距，直接跨越 L2.5級(jí)，達(dá)到L3級(jí)的水平，達(dá)到L3級(jí)。

此外， Audi AI還配備了1臺(tái)測(cè)距探測(cè)雷達(dá)、4臺(tái)中程探測(cè)雷達(dá)、12臺(tái)毫米波雷達(dá)以及由 Mobileye提供的前向照相機(jī)；此外，在激光雷達(dá)上， Audi AI還采用了來(lái)自 Valeo的四線激光雷達(dá)，能夠非常精確地獲得前方各種目標(biāo)的信息。與 ProPilot2.0相比， AudiAI在系統(tǒng)冗余和識(shí)別場(chǎng)景方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

在這些方面， ProPilot2.0在高速封閉路段中完全自動(dòng)化，盡管速度更快，但場(chǎng)景單一，實(shí)現(xiàn)難度更?。欢?Audi AI的自動(dòng)駕駛定位在60 KM/h以下的低速開(kāi)放路段，但開(kāi)放路段的場(chǎng)景比較復(fù)雜，所以 audi AI的實(shí)現(xiàn)更加困難。

所以這是否意味著 audiAI采用激光雷達(dá)的勝利呢？

在技術(shù)性能方面，確實(shí)如此，在商業(yè)成本方面， ProPilot2.0占優(yōu)。歸根結(jié)底， Skyline和奧迪A8L差了2倍多，堅(jiān)持視覺(jué)計(jì)算路線的 ProPilot2.0顯然將擁有更大的商業(yè)空間。

然后，提升到更高層次的L4自動(dòng)計(jì)算，從技術(shù)上的安全性和可靠性上，是否激光雷達(dá)已穩(wěn)贏，而純粹的視覺(jué)計(jì)算方面則不再有機(jī)會(huì)？我擔(dān)心答案仍然不確定。

全視+毫米波激光雷達(dá) N種可能的替代

為什麼還不確定？由于從技術(shù)解決方案走向商業(yè)化量產(chǎn)的道路上仍有許多障礙。對(duì) AutoTechnologies解決方案的提供者來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的安全可靠性當(dāng)然排在首位，實(shí)現(xiàn)這個(gè)方向最簡(jiǎn)單的方法就是不斷地“堆料”，但是對(duì)于普通消費(fèi)者的整車(chē)廠來(lái)說(shuō)，除了穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)成本、造型美觀度等外，還要統(tǒng)統(tǒng)放在汽車(chē)安全上，對(duì)汽車(chē)而言，要考慮的是汽車(chē)安全，汽車(chē)制造成本、汽車(chē)安全同樣重要。

所以，像特斯拉這樣的汽車(chē)工廠對(duì)于車(chē)頂那巨大無(wú)比又昂貴無(wú)比的激光雷達(dá)，心存怨恨不難理解。因此，如果有一種可以取代激光雷達(dá)的解決方案，對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)都是一件好事。

現(xiàn)在，在L4之上，以及更高層次的純視覺(jué)計(jì)算方案，特斯拉和個(gè)別技術(shù)企業(yè)仍在積極地探索。

2018年，康奈爾大學(xué)的一篇技術(shù)論文提出了一個(gè)純視覺(jué)技術(shù)架構(gòu)的方法，以達(dá)到激光雷達(dá)所能達(dá)到的性能效果。該方法主要改變了立體攝像機(jī)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的三維信息呈現(xiàn)形式，將基于圖像的立體視覺(jué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為類(lèi)似于激光雷達(dá)生成的三維點(diǎn)云，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成最終的視圖格式。這就是所謂的偽激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(pseudo-LiDAR)。

研究者發(fā)現(xiàn)，用鳥(niǎo)瞰而非正視分析相機(jī)捕獲的圖像，可以使目標(biāo)的探測(cè)精度提高2倍，從而使立體攝像機(jī)在目標(biāo)探測(cè)方面的性能接近激光雷達(dá)，有可能成為一種可行的替代方案，而且其成本比激光雷達(dá)低很多。

在最近的一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)議上，特斯拉公司透露他們正在進(jìn)行“偽激光雷達(dá)”的研究。會(huì)議期間，技術(shù)人員通過(guò)少數(shù)照相機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)激光雷達(dá)的精確度，展示了一些具體情況。它的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)不同方向的攝像機(jī)進(jìn)行圖像拼接和視覺(jué)深度估計(jì)，再投影到鳥(niǎo)瞰圖上，再投影到局部導(dǎo)航圖上；同時(shí)，對(duì)圖像的每個(gè)像素進(jìn)行深度估計(jì)，形成三維目標(biāo)檢測(cè)，就像激光雷達(dá)點(diǎn)云一樣。

偽雷達(dá)機(jī)的關(guān)鍵在于攝像機(jī)后面的高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能全面了解輸入的范圍和質(zhì)量。當(dāng)然，偽激光雷達(dá)的解決方案還需要硬件支持實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)處理能力，以及避開(kāi)由攝像頭拍攝的圖像清晰度和光線問(wèn)題，這是特斯拉目前正在解決的問(wèn)題。

毫無(wú)疑問(wèn)，關(guān)于是否必須使用激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，特斯拉并非唯一一個(gè)。最近，荷蘭恩智浦半導(dǎo)體公司的首席執(zhí)行官 LarsReger也做出了自己的判斷。在他看來(lái)，L4-5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的“致命弱點(diǎn)”是，如果圖像無(wú)法正常工作，以及損壞后的維修費(fèi)用過(guò)高，這將是L4-5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的“致命弱點(diǎn)”；如果圖像技術(shù)比較成熟，那么攝像頭+毫米波雷達(dá)+V2X通訊技術(shù)的組合就可以取代激光雷達(dá)。

自然，除了純粹的視覺(jué)計(jì)算方案外，一些硬件企業(yè)也在嘗試用毫米波雷達(dá)取代激光雷達(dá)。高頻毫米波雷達(dá)在探測(cè)距離上要優(yōu)于激光雷達(dá)，在角分辨率上要比激光雷達(dá)強(qiáng)。

Arralis來(lái)自愛(ài)爾蘭的伊佳半導(dǎo)體芯片研發(fā)商，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種車(chē)用毫米波雷達(dá)系統(tǒng) Corvus，計(jì)劃在L5級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)上使用。

據(jù)說(shuō) Corvus雷達(dá)在探測(cè)范圍、仰角分辨率和掃描面積等方面超過(guò)了市場(chǎng)上的主流，可以在水平±45°、垂直±7°、300米范圍內(nèi)探測(cè)多個(gè)目標(biāo)。所測(cè)距離遠(yuǎn)高于200米的激光雷達(dá)水平，在角分辨率上達(dá)到激光雷達(dá)水平。Corvus車(chē)用毫米波雷達(dá)在L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中已具備取代激光雷達(dá)的能力。

Corvus雷達(dá)最直接的研發(fā)動(dòng)力，來(lái)自汽車(chē)制造商的直接需求。盡管新一代毫米波雷達(dá)的價(jià)格要高于市場(chǎng)上通用的短距雷達(dá)，但其價(jià)格也遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)。

若激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)的性能由純視覺(jué)方案和毫米波雷達(dá)逐漸取代，而其惡劣天氣等應(yīng)用場(chǎng)景的短板，以及昂貴的成本被克服，那么激光雷達(dá)的確不再是汽車(chē)制造商的必選項(xiàng)。

回過(guò)頭來(lái)看，自動(dòng)駕駛技術(shù)和商業(yè)模式的結(jié)合，激光雷達(dá)必將成為未來(lái)L4級(jí)自動(dòng)駕駛的主要選擇，畢竟汽車(chē)制造商們是不能承受激光雷達(dá)成本的，而且激光雷達(dá)的成本價(jià)格也會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇而大幅降低。

而且，激光雷達(dá)的發(fā)展前景也不太明朗，尤其是在純視覺(jué)計(jì)算和毫米波雷達(dá)等技術(shù)路線上，仍具有潛在的技術(shù)潛力和商業(yè)可行性。

我們所謂的天下武功，只有快不破。對(duì)激光雷達(dá)而言，硬件的降價(jià)速度，能否超過(guò)這些替代方案的技術(shù)進(jìn)步速度，就成為其未來(lái)市場(chǎng)前景的重要保證。假如將來(lái)也只是一顆毫米波雷達(dá)的價(jià)格，汽車(chē)制造商也不用費(fèi)心去多裝幾個(gè)激光雷達(dá)了。