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汽車制造

實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛,一定要用激光雷達(dá)嗎?

星之球科技 來源:鈦媒體APP2020-05-17 我要評(píng)論(0 )   

圖片來源@視覺中國L3級(jí)自動(dòng)駕駛的喧囂剛剛隨著奧迪的 “退賽”而暫入低潮,L4級(jí)的呼聲已開始高漲起來。近日,以“汽車安全領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者”自居的沃爾沃宣布,直接越過L3級(jí)...

圖片來源@視覺中國



L3級(jí)自動(dòng)駕駛的喧囂剛剛隨著奧迪的 “退賽”而暫入低潮,L4級(jí)的呼聲已開始高漲起來。


近日,以“汽車安全領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者”自居的沃爾沃宣布,直接越過L3級(jí)而跨入L4級(jí)自動(dòng)駕駛的研發(fā),并計(jì)劃在2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)L4車型的量產(chǎn),并強(qiáng)調(diào)L4車型一定要使用激光雷達(dá)。


用沃爾沃集團(tuán)CTO的話來說就是,激光雷達(dá)的應(yīng)用是汽車邁向全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵一步。


既然激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的“關(guān)鍵一步”,那就是必不可少的一步。這一說法想必一定會(huì)得到國內(nèi)外數(shù)十家激光雷達(dá)廠商的紛紛點(diǎn)贊。


所以,現(xiàn)在還來討論高級(jí)自動(dòng)駕駛要不要配備激光雷達(dá)的話題,似乎已經(jīng)有些“不合時(shí)宜”了。


對(duì)于自動(dòng)駕駛來說,估計(jì)再也沒有比安全更重要的事情了。如果說攝像頭、毫米波雷達(dá)等傳感器能夠保證99%的安全性,而加入激光雷達(dá)就能實(shí)現(xiàn)99.99999%的安全性的話,即使是這0.99999%的進(jìn)步,對(duì)于很多想讓自動(dòng)駕駛汽車量產(chǎn)上路的車廠們也會(huì)毫不猶豫地使用。


但是熟悉自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的人們也知道,這一結(jié)論也并不是板上釘釘?shù)囊粔K,至少特斯拉老板的那句“用激光雷達(dá)的都是傻子”的話還沒有改口。


在技術(shù)之爭上,支持激光雷達(dá)的一派和支持純視覺計(jì)算的一派還在吵得不可開交,同時(shí)也還有技術(shù)廠商試圖用毫米波雷達(dá)來取代激光雷達(dá)。


可見激光雷達(dá)在高級(jí)自動(dòng)駕駛所處的“C位”的地位仍然面臨挑戰(zhàn)。為什么大多數(shù)的自動(dòng)駕駛公司都認(rèn)可激光雷達(dá)技術(shù)?而偏偏又有少數(shù)公司不走“尋常路”,不接激光雷達(dá)的招?


個(gè)中原因嘛?既有傳感器的技術(shù)路線之爭,也有自動(dòng)駕駛車企對(duì)商業(yè)路線的判斷。自動(dòng)駕駛的瓜田里總有新瓜待摘,這次我們圍繞激光雷達(dá)與其他技術(shù)路線的糾葛來一起圍觀吃瓜。


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


眾所周知,目前自動(dòng)駕駛汽車的傳感器系統(tǒng)主要包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等,而激光雷達(dá)幾乎被公認(rèn)為其中的“C位”擔(dān)當(dāng)。


激光雷達(dá)之所以能夠得到這一殊榮,關(guān)鍵在于超高的分辨率、精度和強(qiáng)抗干擾能力的優(yōu)勢。


具體來說,激光雷達(dá)(LiDAR)是通過發(fā)射激光束來測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離,從而準(zhǔn)確捕捉這些輪廓信息組成點(diǎn)云,并繪制出3D環(huán)境地圖,測量精度可達(dá)到厘米級(jí)別。


首先,激光雷達(dá)發(fā)射的光波的頻率比微波高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí),因此與微波雷達(dá)相比,具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率,因此測量精度更高。


第二,測量精度更高,意味著可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息,生成目標(biāo)的立體維度圖像,能夠區(qū)分移動(dòng)中的人是真實(shí)的行人,還是只是人物的平面海報(bào)。


第三,由于激光波長短,可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束,可探測低空/超低空目標(biāo);多路徑效應(yīng)小,抗干擾能力強(qiáng)。


此外,激光雷達(dá)不受光照條件和探測目標(biāo)本身特性的影響,因此具有全天時(shí)工作的特性。


同時(shí)其缺陷也特別明顯,那就是容易受到雨雪等惡劣大氣條件或者有煙塵的環(huán)境影響,難以在全天候的環(huán)境里正常工作。這就意味著自動(dòng)駕駛不能完全只依靠激光雷達(dá),而必須依賴其他傳感器的共同協(xié)助。


激光雷達(dá)最備受爭議之處還在于其一直以來高過攝像頭和毫米波雷達(dá)的成本價(jià)格。當(dāng)然相較于一開始機(jī)械激光雷達(dá)動(dòng)輒幾萬美元的價(jià)格,現(xiàn)在的固態(tài)激光雷達(dá)的售價(jià)已經(jīng)能夠降到數(shù)百美元,大大降低了激光雷達(dá)的應(yīng)用成本。


具體而論,激光雷達(dá)的性能又跟線束的多少有關(guān),線束越多其覆蓋角度也越高,但同時(shí)其成本也越高。主流的自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)配置方案都是由一顆昂貴的64線激光雷達(dá)和多顆16線的激光雷達(dá)組成,而這些激光雷達(dá)的成本費(fèi)用仍然是眾多廠商不能承受之重了。


用馬斯克的話說,“我不認(rèn)為它(激光雷達(dá))對(duì)于汽車的發(fā)展是有意義的,我認(rèn)為它不是必須的?!?/p>


那到底是不是必須的,我們可以深入到“激光雷達(dá)”與“純視覺計(jì)算”的兩派相爭的現(xiàn)場一探究竟。


技術(shù)性能VS商業(yè)成本,激光雷達(dá)與視覺計(jì)算各有勝負(fù)


站在激光雷達(dá)這一方的“選手”可謂人多勢眾,主流的自動(dòng)駕駛廠商如谷歌 Waymo、通用 Cruise,再到國內(nèi)的百度Apollo、 Pony.ai、文遠(yuǎn)知行等都是其擁護(hù)者。典型標(biāo)志就是這些廠商的車頂上都有著非常扎眼的激光雷達(dá)設(shè)備。


而支持視覺計(jì)算技術(shù)的一方,主力隊(duì)員就是已經(jīng)成功量產(chǎn)售賣的特斯拉,理念相同的日產(chǎn),以及一些自動(dòng)駕駛技術(shù)解決方案的初創(chuàng)公司。


就在去年馬斯克“大放厥詞”的之后,分屬兩大陣營的兩款新車的技術(shù)方案給了我們對(duì)比的可能。一款是日產(chǎn)基于ProPilot 2.0系統(tǒng)打造的Skyline(天際線)車型,一款是奧迪推出的基于Audi AI系統(tǒng)并以激光雷達(dá)為探測主體的奧迪A8L。


日產(chǎn)ProPilot 2.0系統(tǒng)在硬件上沒有采用激光雷達(dá),而是采用了5個(gè)毫米波雷達(dá),12個(gè)超聲波雷達(dá),以及7個(gè)攝像頭;而在前值攝像頭上,采用了Mobileye提供的三目攝像頭,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳輸速度的提升;另外加上GPS系統(tǒng)和三維高精度地圖數(shù)據(jù)分析裝置,構(gòu)成了自動(dòng)駕駛所需的360度觀察體系。


相比較特斯拉Autopilot 系統(tǒng)只用了1臺(tái)毫米波雷達(dá)系統(tǒng),日產(chǎn)ProPilot 2.0直接增加到了5臺(tái),涵蓋中長測距,可謂直接越過L2.5級(jí)的水平,達(dá)到其宣稱的L3級(jí)自動(dòng)駕駛。


而Audi AI則搭載了1臺(tái)長測距探測雷達(dá),4臺(tái)中測距探測雷達(dá)、12臺(tái)毫米波雷達(dá)以及Mobileye提供的前向攝像頭;除此之外,在激光雷達(dá)上,Audi AI還使用了來自Valeo的四線激光雷達(dá),可以非常精確地獲取前方各類物體的信息。直觀地比較,Audi AI在系統(tǒng)的冗余上和識(shí)別場景上都比ProPilot 2.0有優(yōu)勢。


其中,ProPilot 2.0主打高速封閉路段的全自動(dòng)駕駛,盡管速度更高,但是場景單一,實(shí)現(xiàn)難度更小;而audi AI自動(dòng)駕駛則放在了60KM/h以下的低速開放路段,但開放路段的場景復(fù)雜,突發(fā)情況更多,對(duì)系統(tǒng)的安全性要求更高,因此audi AI應(yīng)用范圍更廣,更配得上L3級(jí)自動(dòng)駕駛的水平。


那么這意味著采用激光雷達(dá)的audi AI的勝利嗎?


從技術(shù)的性能效果上,確實(shí)如此,而從商業(yè)成本上則是ProPilot 2.0占優(yōu)。畢竟Skyline和奧迪A8L在價(jià)格上差著2倍多的差距,堅(jiān)持視覺計(jì)算路線的ProPilot 2.0顯然會(huì)有更大的商業(yè)空間。


那么,上升到更高一級(jí)的L4級(jí)自動(dòng)計(jì)算,從技術(shù)的安全性和可靠性上,是否激光雷達(dá)已經(jīng)穩(wěn)操勝券,而純視覺計(jì)算一方就再無機(jī)會(huì)呢?答案恐怕還是不確定。


純視覺+毫米波,激光雷達(dá)N種可能替代方案


為什么還是不確定呢?因?yàn)樵趶募夹g(shù)解決方案邁向商業(yè)量產(chǎn)的路上,仍然橫跨著諸多障礙。對(duì)于自動(dòng)駕駛技術(shù)解決方案提供方來說,當(dāng)然是系統(tǒng)的安全可靠性是排在第一位的,實(shí)現(xiàn)這一方向最簡單方式就是不斷“堆料”就可以,然而對(duì)于面向普通消費(fèi)者的整車廠來說,除了穩(wěn)定可靠,造車成本、造型美觀度等都要統(tǒng)統(tǒng)放在和車輛安全同樣的高度去考慮。


因此,像特斯拉這樣的車廠對(duì)于車頂那個(gè)巨大無比又巨貴無比的激光雷達(dá),心懷痛恨就不難理解了。所以,但凡有替代激光雷達(dá)的解決方案,對(duì)車企來說都是一件幸事。


目前來說,在L4以及更高級(jí)別的純視覺計(jì)算方案上面,特斯拉以及個(gè)別技術(shù)企業(yè)仍在進(jìn)行積極的探索。


在2018年,有一篇來自康奈爾大學(xué)的技術(shù)論文介紹了一種純視覺技術(shù)架構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)可以達(dá)成的性能效果。這一方法主要是改變了立體攝像機(jī)目標(biāo)檢測系統(tǒng)的 3D 信息呈現(xiàn)形式,將基于圖像的立體視覺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為類似激光雷達(dá)生成的3D點(diǎn)云,通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換切換成最終的視圖格式。因此被稱之為偽激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(pseudo-LiDAR)。


研究人員發(fā)現(xiàn),以鳥瞰圖而不是正視圖來分析攝像機(jī)捕捉到的圖像,可以將目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率提升2倍,從而使立體攝像機(jī)在目標(biāo)檢測方面的性能接近激光雷達(dá),有可能成為激光雷達(dá)的可行替代方案,且其成本相比后者要低很多。


而特斯拉在最近舉行的機(jī)器學(xué)習(xí)大會(huì)上透露,他們正在做 “偽激光雷達(dá)”的研究。在大會(huì)上,技術(shù)人員演示了通過少數(shù)幾個(gè)攝像頭達(dá)到傳統(tǒng)激光雷達(dá)精度的方法的具體案例。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要通過不同方向的攝像頭進(jìn)行圖像拼接和視覺深度估計(jì),再投影到鳥瞰圖,就可以作為局部導(dǎo)航地圖使用;同時(shí),將畫面的每個(gè)像素都進(jìn)行深度估計(jì),就像激光雷達(dá)點(diǎn)云一樣,形成3D目標(biāo)檢測。


“偽激光雷達(dá)”的關(guān)鍵在于攝像頭背后的先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以充分理解輸入的范圍和質(zhì)量。當(dāng)然,偽激光雷達(dá)解決方案還需要實(shí)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)處理能力的硬件支持,以及要規(guī)避攝像頭拍攝的圖像清晰度以及光線問題,而這些也是特斯拉正在解決的問題。


當(dāng)然在對(duì)高級(jí)別自動(dòng)駕駛是否一定要用激光雷達(dá)的問題上,特斯拉并非孤家寡人。近日荷蘭的恩智浦半導(dǎo)體首席CTO Lars Reger也給出了自己的判斷。他認(rèn)為激光雷達(dá)面臨的成本高昂,特定場景失效以及損壞后維修代價(jià)高昂等問題,很可能成為L4-5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車上的“致命短板”;反而如果圖像技術(shù)更為成熟的話,攝像頭+毫米波雷達(dá)+V2X通信技術(shù)的組合,就可以取代激光雷達(dá)。


當(dāng)然,除了純視覺計(jì)算方案,一些硬件企業(yè)也在嘗試?yán)煤撩撞ɡ走_(dá)來代替激光雷達(dá)。我們知道,高頻的毫米波雷達(dá)在探測距離上面要優(yōu)越于激光雷達(dá),但在角分辨率上弱于激光雷達(dá)。


來自愛爾蘭的伊佳半導(dǎo)體芯片研發(fā)商Arralis已研發(fā)出一款車用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)Corvus,計(jì)劃應(yīng)用于L5級(jí)自動(dòng)駕駛上面。


據(jù)報(bào)道,Corvus雷達(dá)在探測范圍、仰角分辨率和掃描面積等方面超過了目前市場上主流毫米波雷達(dá),能夠在水平±45°和垂直±7°,300米范圍,對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探測。探測距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于激光雷達(dá)的200米的水平,在角分辨率上達(dá)到激光雷達(dá)的水平。在L4級(jí)自動(dòng)駕駛上,Corvus車用毫米波雷達(dá)已經(jīng)達(dá)到可以代替激光雷達(dá)的能力。


Corvus雷達(dá)最直接的研發(fā)動(dòng)力,就來自于車企的直接需求。即使新一代毫米波雷達(dá)的成本比市場上通用的短距雷達(dá)略高,但也將遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)。


如果激光雷達(dá)所能實(shí)現(xiàn)的性能被純視覺方案和毫米波雷達(dá)逐步替代,而其惡劣天氣等應(yīng)用場景的短板以及代價(jià)高昂的成本被克服,那么激光雷達(dá)確實(shí)就不再是車企們的一個(gè)必選項(xiàng)了。


回到當(dāng)下自動(dòng)駕駛技術(shù)與商業(yè)的交匯點(diǎn)上,激光雷達(dá)一定是未來L4級(jí)自動(dòng)駕駛的主力擔(dān)當(dāng),畢竟車企們是無法承受哪怕極小概率的自動(dòng)駕駛安全隱患的,更何況激光雷達(dá)的成本價(jià)格隨著競爭的加劇正在大幅下降,正在達(dá)到可以規(guī)模量產(chǎn)的邊緣了。


而正如我們所看到的,激光雷達(dá)的前景也并非一片光明,特別是在純視覺計(jì)算和毫米波雷達(dá)等技術(shù)路線里,仍然有著可能“取而代之”的技術(shù)潛力和商業(yè)可行性。


所謂天下武功,唯快不破。對(duì)于激光雷達(dá)來說,硬件的降價(jià)速度,能否快過這些替代解決方案的技術(shù)進(jìn)步速度,就成為其未來市場前景的重要保障了。如果未來也就將至一顆毫米波雷達(dá)的價(jià)格,車企們也就不必糾結(jié)要不要多裝幾顆激光雷達(dá)了。


一切為了安全,自動(dòng)駕駛的系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)還是要多多益善的。


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