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一文剖析豐田量產雷射雷達
2021/04/27
2021/04/27

導讀:

本文由佐思汽車研究授權發佈,作者為周彥武。

本文的主角是前向主雷射雷達,由豐田控股公司電裝開發。這次用在雷克薩斯LS500H的雷射雷達,電裝稱之為第六代雷射雷達,宣稱自己是全球車輛檢測距離最遠的雷射雷達,水平視場角也是世界最高水準。本文將對該雷射雷達進行一一剖析~

2021年4月12日,豐田汽車在日本市場推出豐田新款Mirai和雷克薩斯新款LS,新車配備Advanced Drive系統,該系統具備L2級自動駕駛技術。前者起售價格為860萬日元(約合人民幣51.5萬元),後者起售價格為1794萬日元(約合人民幣107.5萬元)。之前本田曾經推出全球第一台L3車,實際是只生產100輛,只租不賣。不過豐田的價格也是夠高的了,估計銷量也不會高。

豐田這套自動駕駛系統完全達到L4級別,Advanced Drive系統包括一個定位用攝像頭,一個前向主雷射雷達,兩個側向雷射雷達。還有3個ECU,分別是用英偉達Xavier的ADX,可能是瑞薩V3U的主計算ECU即ADS,英偉達的是做冗餘系統,是失效時替代ADS的。還有一個專用於定位的ECU,稱之為SIS。這一套大約增加了66萬日元硬體成本,也就是大約4萬人民幣的成本,未來或許豐田車可以選裝,選裝價格估計得20萬人民幣。加上雷克薩斯LS500H本來就標配的雙目系統,構成完整的L4級自動駕駛。這一套系統中前向主雷射雷達成本估計最高,大約1-1.5萬人民幣,兩個側向雷射雷達合計大約5-8千人民幣,3個ECU估計要1.2-1.4萬人民幣。軟體成本無法估算,要看多少銷量了。

豐田自動駕駛框架圖兩個側向雷射雷達是德國大陸汽車的Flash雷射雷達,即HFL-110。

HFL-110的有效距離大約30-50米,用在側向是綽綽有餘。本文的主角是前向主雷射雷達,由豐田控股公司電裝開發,電裝開發雷射雷達的歷史超過40年。在25年前,人們最早是寄希望於雷射雷達的,當時毫米波雷達價格高達數萬人民幣,性能卻很差,日本有不少企業都在努力開發雷射雷達,雖然價格很高,但性能足以碾壓毫米波雷達,在1995年電裝開發了全球最早的量產車雷射雷達,沒錯,就是1995年。但是毫米波雷達價格持續下滑,在2005年,雷射雷達就被徹底趕出市場。但電裝並沒有放棄,這次用在雷克薩斯LS500H的雷射雷達,電裝稱之為第六代雷射雷達,時間跨度超過20年。儘管過了25年,雷射雷達成本也沒降低多少。

一向謙虛低調的電裝對這個雷射雷達用詞令人驚訝,電裝絲毫不在意法雷奧的Scala雷射雷達的感受,宣稱自己是全球車輛檢測距離最遠的雷射雷達,可達200米,同樣宣稱水平視場角(FOV)是120°,也是世界最高水準。實際電裝與Scala的設計如出一轍,只是巧妙地將單向變雙向。同時電裝可能是二代Scala的水準,也是16線設計,但也有可能更高,32線的設計。剖析電裝的雷射雷達,還是從專利入手,電裝剛剛為自己的雷射雷達設計申請了專利。

  成品與專利圖上的樣子非常接近。

與Scala一樣的設計,只是Scala只有一側的鐳射發射器,電裝是兩側。華為的第一代雷射雷達也是這樣的設計,當然,細節上會有所不同,否則有專利糾紛,華為的第二代雷射雷達可能會是MEMS電磁振鏡雷射雷達。

上圖是內部示意圖。電裝將雷射雷達分為5個部分,分別是10代表發射部分、20代表旋轉鏡掃描部分、30代表接收部分、40代表框架、50系列代表光接收板。10部分包括11和12兩個鐳射源,13和14是鐳射發射透鏡,15是鐳射偏轉透鏡。

  上圖是俯視圖

這是法雷奧Scala的俯視圖。法雷奧Scala的鏡子是弧面的單面鏡,電裝是雙面的平面鏡。20a發射偏轉鏡。21是轉鏡模組,23是電機,22是分區盤partition plate。

21又包括211、212和213。211和212是兩面鏡子,貼在213上,這樣無論鏡子朝哪個方向轉,都可以反射光,而不是像Scala那樣是單向的。第一代Scala為什麼不這麼做呢?很簡單,這樣多了鐳射發射單元,成本就增加了。這種設計確實沒太多可說的,各方面都很成熟,性能也可以,特別是如果32線的話,就是成本降不下來。不過L3/L4就是成本高,就算降低了雷射雷達的成本,其他成本也高。豐田或者說電裝的下一代雷射雷達很可能是Flash雷射雷達,目前豐田在側向用了德國大陸汽車的Flash雷射雷達,未來可能前向也是如此。早在2016年4月,電裝投資了一家VCSEL公司,即TriLumina。目前Flash主要瓶頸就是VCSEL陣列功率密度不足,大約只有傳統鐳射二極體功率的1/8-1/10。

TriLumina開發了一種獨特的構架用於二維VCSEL陣列,使其同時具備高能量輸出和高頻寬調製。陣列使用集成的微透鏡來進行光束整形和控制,並且使其可以對不連貫光束進行整流,以產生緊湊、高亮度、低雜訊的資訊源。再有就是倒裝,傳統VCSEL陣列都安裝在基座上,並利用鍵合線進行電氣連接。TriLumina的板載VCSEL器件結構緊湊,由單個VCSEL陣列晶片組成,可通過標準的表面貼裝技術倒裝焊到印刷電路板上,無需用於VCSEL晶片的基座載具。TriLumina的VCSEL器件使用了帶有焊料凸點的銅柱,並使用標準的無鉛表面貼裝技術直接安裝到PCB上,憑藉TriLumina獨特的背發射結構,使其VCSEL具有優秀的內置氣密性和出色的熱性能。TriLumina在2019年宣佈推出業界首款獲得汽車AEC-Q102一級認證的VCSEL陣列,意味著TriLumina的VCSEL陣列能夠在-40℃至125℃之間可靠運行,滿足極其嚴格的汽車運行條件。在2020年11月,全球第一大VCSEL廠家Lumentum收購了TriLumina的部分技術,即倒裝晶片(flip-chip)和背發射VCSEL陣列。

Flash雷射雷達又可看作是遠距離的ToF相機,電裝也申請了Flash雷射雷達的專利,沒有稱其為雷射雷達,而是叫ToF測距裝置,實際是一個意思。電裝申請了ToF雷射雷達專利,這份專利目前只有日文版本。

這是一個典型的多級multi segment的Flash雷射雷達。

反射率不同的物體,在雷射雷達上表現差異很大。反射率很高的物體在雷射雷達上表現比較突出,反射率低的物體,有時可能無法探測到。此外,遠距離和近距離也會導致雷射雷達的表現差異較大。Flash雷射雷達功率密度低,這就導致Flash雷射雷達的有效距離很短,遇到低反射率的物體可可能無法探測到。電裝的專利設計針對遠近距離設計了兩種發光策略。

這就是在近距離使用均一光,即全域快門。遠距離使用集中光,即強發光。

個人也認為Flash是雷射雷達的最終技術類型。Flash雷射雷達最容易通過嚴格車規,體積最小、安裝位置最靈活、全晶片化、成本最低(單價可輕鬆做到100美元以下)、性能挖掘潛力最大(深度相機近似于當年剛剛萌芽的CMOS圖像感測器,最終取代了CCD),全球科技界在全域Flash領域的研發投入遠遠高於其他類型的雷射雷達,全部都是超級巨頭,包括博通、索尼、三星、蘋果、意法半導體、英飛淩、AMS、Lumentum、東芝、松下、佳能、濱松、安森美、電裝、豐田都在開發Flash車載雷射雷達。

在光電領域,無論是SPIE國際光電工程學會,OSA美國光學學會,ISSCC國際固態電路協會幾乎所有的論文都是有關Flash雷射雷達關鍵部件SPAD或VCSEL的,傳統的雷射雷達論文完全沒有。日本在CCD領域累積了豐富的經驗,在SPAD領域擁有壓倒性優勢。佳能、松下和索尼都開發出100萬圖元的SPAD,性能足以超越目前所有的雷射雷達接收器件性能數倍乃至數十倍。三星在2020年底的國際固態電路研討會上發表了A 4-tap 3.5μm 1.2Mpixel Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with Peak Current Mitigation and Multi-User Interference Cancellation的論文,提出了120萬圖元的ToF感測器(即SPAD)。

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