VSI Labs驗證的1550nm LiDAR或解“大貨車”之殤

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

在所有增強傳感和目標檢測的汽車傳感器中，激光雷達是迄今為止最復(fù)雜和最多樣的選擇。每種激光雷達中部署的技術(shù)不僅光源不同，在測距和成像方法上也不一樣。一些成熟的激光雷達（如905nm）正在實現(xiàn)量產(chǎn)，而被認為更有前景的新的激光雷達技術(shù)（如1550nm）的研發(fā)或概念驗證也是層出不窮。當然，其成本、尺寸和性能上差異很大。

專注于主動安全和自動控制技術(shù)的應(yīng)用研究公司VSI Labs從2018年前就開始跟蹤一家名為AEye的激光雷達公司，最近又一次對AEye的iDAR™（智能探測和測距）傳感器進行了性能測試，結(jié)果看上去的確很美！

市場在尋找什么？

越來越多的激光雷達玩家（估計有百八十家）令市場擁擠不堪，并購活動猖獗。一些公司為了續(xù)命，選擇SPAC（特殊目的收購公司）開啟上市里程。故事遠不止如此，激光雷達公司追求的技術(shù)不同，主機廠和Tier 1在應(yīng)用部署愿景上也有分歧。

不同激光雷達使用不同的光源，大多數(shù)激光雷達制造商使用905nm邊緣發(fā)射器（EEL）和雪崩光電二極管（APD），因為這些組件很容易量產(chǎn)。一些激光雷達已開始使用1550nm全光纖激光源，但降低成本是一個挑戰(zhàn)。1550nm激光器在不影響眼睛安全的情況下更能實現(xiàn)更長射程，解決困擾905nm激光器低分辨率及射程短，對眼睛也不安全的問題。

不同的技術(shù)都在尋求設(shè)計導入。Yole固態(tài)照明系統(tǒng)高級技術(shù)與市場分析師Pierrick Bouley認為：“盡管技術(shù)如此不同，傳統(tǒng)技術(shù)仍然代表著汽車行業(yè)的大多數(shù)設(shè)計導入。至于波長，1550nm對人眼的危害比905nm小，主要通過硅平臺集成，但目前后者卻代表了汽車行業(yè)65％的設(shè)計導入?！痹蚝芎唵?，盡管1550nm激光雷達在雨霧天氣有更大優(yōu)勢，但905nm的優(yōu)勢主要是成本。

在成像方法方面，傳統(tǒng)機械掃描仍占設(shè)計導入的69％。MEMS微鏡和閃光激光雷達也正在進入汽車領(lǐng)域，未來有望增加。

由于成本原因，EEL的905nm波長仍然是制造商的首選，基于1550nm的激光雷達正在贏得市場。FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）OPA（光學相控陣）激光雷達都適用于1550nm相干檢測和徑向速度測量。Yole認為，F(xiàn)MCW和OPA將成為機械式或MEMS掃描的替代品。

不過，本文開頭提到的AEye卻說：在成本、測距范圍、性能和點云質(zhì)量前提下，激光發(fā)射頻率高、掃描快速的脈沖ToF（飛行時間）系統(tǒng)比FMCW系統(tǒng)更能有效滿足自動駕駛汽車激光雷達的需求。這家由洛克希德?馬丁公司領(lǐng)先技術(shù)專家于2013年Luis Dussan創(chuàng)建的公司，利用仿生學和軍方用于掃描環(huán)境的自動瞄準應(yīng)用原理，為自動駕駛車輛提供軍用級性能。其產(chǎn)品是1550nm固態(tài)自適應(yīng)激光雷達，基于其獨特的專利MEMS技術(shù)。

圖：Aeye的技術(shù)位置

測試結(jié)果看上去很美

由VSI Labs監(jiān)督的AEye iDAR系統(tǒng)的性能測試重點是安全和自主應(yīng)用。測試的四個性能指標結(jié)果顯示：

①距離：在超過1000米、幀速率10Hz（每秒10幀）情況下，AEye傳感器能夠檢測到目標相當多點數(shù)。通過提供超過傳統(tǒng)激光雷達4倍的距離和5倍的檢測數(shù)，AEye的系統(tǒng)在高速公路速度下具有獨特的停車和避讓能力。

圖：測試現(xiàn)場

②分辨率：在距離為200米的視野（FOV）內(nèi)任何物體上達到每平方度1600個點，提供超高分辨率，使車輛能夠快速準確地識別和分類威脅，尤其是小型物體。捕獲預(yù)分類屬性是常規(guī)激光雷達的5倍，支持更快、更準確的感知和路徑控制。

圖：200米點云圖像

③速度：FOV掃描速度為10Hz至200Hz（每秒200幀），通過以傳統(tǒng)激光雷達10－20倍的速度掃描，AEye的系統(tǒng)提供了掃描行人或車輛橫向進入的獨特能力，并提高了目標跟蹤的準確性和一致性。

④傳感器集成靈活性：安裝在第一個表面（包括擋風玻璃）后，可觀察到的性能下降不到10％，能夠?qū)鞲衅鞣胖迷诘谝粋€表面（如擋風玻璃或格柵）后，以最小的性能影響實現(xiàn)主機廠在其設(shè)計中的靈活性，而不會影響美觀或改變車輛的空氣動力學。

圖：測試條件

根據(jù)研究結(jié)果，VSI Labs確定AEye的iDAR系統(tǒng)“實現(xiàn)了射程超過4倍，分辨率超過5倍，掃描速度超過目前市場上激光雷達設(shè)備的10倍，可供自動車輛使用?！?/p>

iDAR聰明在哪里？

Aeye自詡為智能下一代自適應(yīng)激光雷達的主要供應(yīng)商，倡導“像機器人一樣思考，像人類一樣感知”，主要研發(fā)車輛自主、高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和機器人視覺應(yīng)用。AEye的iDAR? 系統(tǒng)利用仿生學和軍方用于掃描環(huán)境的自動瞄準應(yīng)用原理，智能關(guān)注最重要的內(nèi)容，實現(xiàn)更快、更準確、更可靠的感知。據(jù)稱，iDAR? 是唯一具有集成確定性人工智能的軟件配置激光雷達，在距離、分辨率和速度方面性能領(lǐng)先。

傳統(tǒng)激光雷達的問題

傳統(tǒng)激光雷達被動和缺乏智能，不考慮條件如何演變，也不知道如何平衡相互競爭的優(yōu)先級，常常給每個像素分配相同的優(yōu)先級，導致對復(fù)雜或危險情況反應(yīng)不佳。傳統(tǒng)激光雷達只是不分青紅皂白地收集有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)，并將其傳遞給中央處理器，其中75％到95％的數(shù)據(jù)由于冗余或無用而被丟棄。這對詢問時間、帶寬和處理造成了巨大的壓力，導致了延遲。

超越人類的人工感知技術(shù)

到目前為止，沒有什么能比人類視覺皮層接收更多的信息并更快、更準確地處理這些信息。人類以高達27Hz的速度對復(fù)雜物體進行分類，大腦在13毫秒內(nèi)可處理5．8億像素的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)激光雷達的平均幀速率和重訪速率（revisit rate）約為10Hz，而iDAR傳感器可實現(xiàn)超過100Hz的幀速率（高于人類視覺3倍），以及大于500Hz的物體重訪速率。iDAR模擬人類視覺皮層，關(guān)注和評估車輛周圍環(huán)境、駕駛條件和道路危險的方式，以實現(xiàn)更智能、更準確的決策，從根本上提高檢測概率和分類準確性。

從人工感知中剔除猜測

AEye首席科學家Allan Steinhardt博士說：“iDAR將猜測從人工感知中剔除，只使用可操作的數(shù)據(jù)?！?/p>

iDAR結(jié)合了固態(tài)自適應(yīng)激光雷達、可選融合的微光高清攝像頭和集成的確定性人工智能，以更少的數(shù)據(jù)捕獲更多智能信息，實現(xiàn)更快、更準確和更可靠的感知。其收集的信息是傳統(tǒng)固定模式激光雷達的4至8倍，但它減少了90％以上傳輸?shù)竭\動規(guī)劃系統(tǒng)的不相關(guān)數(shù)據(jù)量，同時將功耗降低了5至10倍。

一個詢問點很少能提供足夠的信心——它只是暗示。這就是為什么激光雷達系統(tǒng)必須捕獲同一物體的多次探測以完全理解它是什么，這使得后續(xù)詢問／探測的速度（物體重訪速率）比單獨的幀速率對自動駕駛車輛的安全性更為關(guān)鍵。傳統(tǒng)激光雷達的對象重訪速率就是幀速率。

iDAR不僅能夠在單個幀內(nèi)重訪對象，還可以重訪多個感興趣的點／對象。對感興趣物體的可實現(xiàn)微秒到幾毫秒的物體重訪速率，比傳統(tǒng)激光雷達的數(shù)百毫秒快3000倍。

圖：重訪速率的差距

縮短同一幀內(nèi)對象檢測之間的時間也至關(guān)重要，因為較短的對象重訪時間可以降低與場景中多個移動對象相關(guān)的高級算法的處理時間。

iDAR的智能是用獲得專利的雙基地（bistatic）架構(gòu)實現(xiàn)的，它將發(fā)射和接收通道分開，允許iDAR對兩者進行優(yōu)化。隨著每一個激光脈沖的發(fā)射，接收器被告知何時何地尋找其返回信息，從而在采集點將確定性人工智能引入傳感過程。因此iDAR就成為了一個自適應(yīng)平臺，能夠?qū)Ｗ⒂谲囕v環(huán)境中最重要的內(nèi)容。

自適應(yīng)激光雷達技術(shù)

Aeye的iDAR的一種自適應(yīng)激光雷達，能夠較小的外形尺寸提供極快的掃描能力和固態(tài)可靠性。其模塊化架構(gòu)只占現(xiàn)有傳感器成本的一小部分，且設(shè)計“經(jīng)得起未來考驗”，可以隨著技術(shù)和應(yīng)用需求的變化而不斷發(fā)展。這使主機廠能夠靈活配置AEye的產(chǎn)品，以滿足汽車、工業(yè)、移動、鐵路、卡車運輸?shù)阮I(lǐng)域的不同用例。

Aeye認為，我們生活在一個色彩斑斕的世界。從車道線到道路標志的駕駛基礎(chǔ)設(shè)施都建立于對比鮮明的顏色線索。AEye的智能傳感方法創(chuàng)造了捕捉攝像頭像素和3D激光雷達體素（Voxel）的獨特能力，可選集成攝像頭生成真彩色點云，并聯(lián)攝像頭饋入（camera－only feed）提供了經(jīng)濟高效的冗余攝像頭傳感器，使車輛的視覺效果優(yōu)于人類。其高級視覺能力解決了最具挑戰(zhàn)性的極端案例（如眾所周知的特斯拉“大貨車”或蔚來“公路養(yǎng)護車”）。通過HD ROI（高密度感興趣區(qū)域），比僅使用攝像頭的系統(tǒng)精確定位和分類對象能力提高10－20倍。幀內(nèi)徑向及橫向速度檢測和對象分類可發(fā)現(xiàn)300米以上的行人、160米以上的低反射小物體。

圖：可選2D攝像頭和3D自適應(yīng)激光雷達融合的Dynamic Vixel

這種新的、獲得專利的數(shù)據(jù)對象稱為Dynamic Vixel，它在采集點同時捕獲RGB和XYZ數(shù)據(jù)。這種像素和體素的實時集成意味著數(shù)據(jù)可以在傳感器級得到更快、更高效、更準確的處理，而不是后續(xù)處理。由此產(chǎn)生的內(nèi)容使確定性人工智能能夠使用2D、3D和4D信息評估場景，以識別位置、跟蹤對象，并以較少的延遲、帶寬和算力提供結(jié)果。

iDAR能夠提供完整的場景覆蓋，同時只收集和分析重要的數(shù)據(jù)，而不會遺漏任何內(nèi)容。靈活的iDAR平臺在數(shù)據(jù)收集過程中具有自適應(yīng)目標定位和智能能力，可以提高整個場景分辨率，從而從根本上提高檢測概率和分類精度。這種可擴展、軟件可配置的方法允許系統(tǒng)以較少的數(shù)據(jù)捕獲更多的智能信息，從而實現(xiàn)更快、更準確、更可靠的傳感和路徑規(guī)劃，這是自動駕駛車輛安全落地的關(guān)鍵。

靈活的觸發(fā)和響應(yīng)模式

使用觸發(fā)式iDAR，客戶可以在設(shè)計時創(chuàng)建一個確定性的、軟件可配置的掃描模式庫，每個掃描模式都針對特定用例。針對地圖、IMU（慣性傳感器）、速度、傾斜、天氣和車輛方向等觸發(fā)傳感器從一種掃描模式切換到另一種掃描模式。例如，客戶可以為高速公路、市區(qū)和郊區(qū)駕駛創(chuàng)建不同的掃描模式，以及“出入匝道”模式。此外，客戶還可以為相同的駕駛環(huán)境創(chuàng)建掃描模式，如針對惡劣天氣優(yōu)化的“公路雨水掃描模式”和“公路陽光掃描模式”。

使用響應(yīng)式iDAR，可以在設(shè)計和運行時創(chuàng)建掃描模式。在這個級別，整個平臺完全是軟件可配置的，并具有情景感知能力，能夠?qū)崟r調(diào)整掃描場景、應(yīng)用密度和額外功率，以及采用何種掃描速率。此時，反饋回路和其他傳感器（如攝像頭和雷達）通知激光雷達在整個場景的各個點上創(chuàng)建密集的動態(tài)ROI。它還可以動態(tài)改變掃描模式。響應(yīng)式iDAR類似于人類感知，能夠主動理解和詢問場景，并不斷優(yōu)化自身的掃描模式和數(shù)據(jù)收集，以關(guān)注最重要的信息。

圖：響應(yīng)式和預(yù)測性iDAR

預(yù)測性iDAR采用響應(yīng)式iDAR提供的內(nèi)容預(yù)測未來，因此，它在詢問的位置（和內(nèi)容）方面更加智能。在這個層次，基本感知可以分布到傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣。就像人類一樣，預(yù)測性iDAR能夠理解它所看到的一切運動，使系統(tǒng)用更少的數(shù)據(jù)傳遞更多的信息，將其能量集中在場景中最重要的對象上，同時關(guān)注周圍的一切。預(yù)測iDAR的最終結(jié)果是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行運動預(yù)測。與人類的直覺一樣，可以“感知”（即預(yù)測）未來不同時間目標的位置，使車輛能夠應(yīng)對最具挑戰(zhàn)性的極端情況。

感知創(chuàng)新平臺和產(chǎn)品

AEye的基本感知被分布到傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)收集，通過減少延遲、降低成本和確保功能安全來增強現(xiàn)有集中式感知軟件平臺。軟件參考庫Perception Advanced包括AEye的4Sight A（ADAS）和4Sight M（自主）傳感器中的以下功能：

檢測：以3D點云和攝像頭識別物體（如汽車、行人等），精確估計其質(zhì)心（centroid）、寬度、高度和深度，以生成對象的3D邊界框。

分類：對檢測到的對象類型進行分類，有助于進一步了解這些對象的運動特征。

實例分割：進一步對場景中的每個點進行分類，以識別這些點所屬的特定對象。這對于準確識別更精細的細節(jié)尤其重要，例如道路上的車道分隔線標記。

跟蹤：通過空間和時間跟蹤對象，有助于跟蹤可能與車輛路徑相交的對象。

范圍／方向：確定物體相對于車輛的位置及方向，有助于車輛將其周圍場景背景化。

瞬時真實速度：利用敏捷激光雷達的優(yōu)勢捕獲物體相對于車輛的運動速度和方向，為運動預(yù)測提供基礎(chǔ)。

車道標記檢測：對每種類型的車道標記進行檢測和分類，確保車輛導航安全。

可駕駛區(qū)域：在下一個道路障礙物（如另一輛車、行人等）之前檢測車輛前方空位，同時檢測車輛兩側(cè)或其左側(cè)或右側(cè)車道上的車道標記。

運動預(yù)測：預(yù)測對象在未來不同時間的位置，有助于車輛評估碰撞風險并保證安全行駛。

圖：iDAR的感知功能及4Sight M和4Sight A

4Sight A系列是Tier 1合作伙伴為車輛整個生命周期制造和更新的產(chǎn)品，具有業(yè)界領(lǐng)先的遠程ADAS性能，旨在滿足高性能應(yīng)用的需求。4Sight M則是一個經(jīng)濟高效、可定制的感知解決方案，利用完整的iDAR軟件平臺，并包括完整的SDK，用于實現(xiàn)自主出行的可擴展路線圖。

圖：4Sight M規(guī)格

一個平臺，無限應(yīng)用

由于采用模塊化架構(gòu)構(gòu)建，并通過軟件參考庫提供的Perception Advanced，iDAR可以實現(xiàn)無縫、經(jīng)濟高效的360°覆蓋定制。

圖：靈活定制

與其他高性能激光雷達相比，其定制成本低2－5倍，可以滿足不同OEM的特定設(shè)計要求。生產(chǎn)封裝選項包括車頂、格柵和擋風玻璃后面，可根據(jù)位置用軟件來優(yōu)化。