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法雷奥中国顾剑民:自动驾驶所需的车规级激光雷达及感知融合

盖世直播 2021-10-02 08:53:25

9月28日—29日,“中国车谷2021智能汽车产业创新论坛”隆重召开。本次论坛由武汉经济技术开发区和东风汽车集团有限公司联合主办,由武汉市智能汽车产业创新联盟与盖世汽车联合承办,主要围绕智能汽车的创新发展这一主题展开,涉及到人机共驾、地图定位、人工智能与芯片、仿真测试等多个热门领域。以下是法雷奥中国CTO顾剑民博士的发言:

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谢谢周总的介绍,非常高兴有机会今天跟大家分享。其实激光雷达的话题也非常多,刚刚已经有两位友商分享了很多激光雷达的进展。为什么再说这个,今年下半年到明年会有好几个搭载激光雷达的车型量产,所以我们在国内也比较关注这个事。作为行业内第一个量产车规级激光雷达的法雷奥,我们有一些经验,或者说一些坑,跟大家分享一下。

法雷奥作为一家汽车零部件供应商,是一个上市公司,很多的公开数据大家可以看到。有一个数据是12%,我们在去年把我们销售收入的12%重新投入到研发。这个数字大家都知道在汽车行业算是比较高的。为什么要这么大的一个投入,就是我们认为汽车行业正在经历这三大技术变革,也可以说革命。其中有一个就是自动驾驶,今天我们要讲到的跟激光雷达相关的智能网联自动驾驶。这是为什么法雷奥花了那么大的代价开发或者是投入自动驾驶的激光雷达。

法雷奥是行业内第一个,也就是30年前的1991年开始做超声波传感器和泊车辅助的,到现在已经30年。在全球市场当中,差不多每四辆新车当中就有一辆是搭载法雷奥的技术产品。我们也有行业内最全面的传感器组合,从超声波传感器,到摄像头,到毫米波雷达,到激光雷达,我们都有量产的车规级产品可以提供给客户。这也是为什么我们在全球范围内,在北美,在南美,在欧洲,在亚太主要是中国,我们都有生产基地和研发中心。在这30年中,我们总共交付了10亿多个传感器,各种各样的传感器,这也是一个非常惊人的数字。

回到刚才说的激光雷达,其实有两大类,我们用不同的颜色来区分。一种是远距或者长距的激光雷达,另外一类是近距,相对来说视场角比较大,而探测距离比较近。对于这两类激光雷达,其实我们可以把它组合起来,应用到不同的场景。我这里列了私家车、无人驾驶卡车、无人驾驶出租车、无人物流车,当然还有矿山和港口,细分市场比较多,这只是几个大类。大家可以看到,根据应用场景的不同,还有自动驾驶级别的不同,从L2—L3—L4,级别不同,我们都可以通过两种激光雷达不同的配置组合,满足绝大部分出行领域的需求。举个例子,我们的私家车,如果是L3、L4级别,大家可以用远距或者长距的激光雷达,布置在前向和后向,而用近场的激光雷达布置在前向,主要是用于低速和重新启动,还有布置在侧向,即环视的激光雷达,作为这样的一个组合。所以这样大部分的场景需求都可以cover。

今天我引用一个曲线,这是一个非常有名的Gartner曲线,是关于对新技术的期望值和时间的关系。一般来讲一个新技术的出现,有一个阶段,大家对这个技术期望值非常高,激光雷达可能过了这个高峰时间。车用激光雷达,大概的位置是在第一个高峰以后的波谷,这是2020年的位置。2021年我们可以看到,其实已经恢复了在向上缓慢增长,因为今年或者明年,有很多的车型将会搭载量产的激光雷达。这里有很多的原因,一开始大家对激光雷达的期望比较高,但是多种因素,如自动驾驶问题的复杂性超过想象,激光雷达实际能力的限制,还有量产车规级激光雷达各种各样的挑战,都导致了这样一个形状,所以这是Gartner曲线给我们带来的大概含义。

如果我们看激光雷达,为什么量产或者车规级量产这么具有挑战性,这么困难。有很多的因素,从基本要求开始,性能的定义,到传感器的设计,包括软件工程、开发流程、系统验证、制造量产,这里面有很多的不同因素,我不可能一一给大家列举。但是大家可以看到,所有的这些因素都会是潜在的坑,或者潜在的挑战,需要我们通过严格的标准化来真正地应对车规级的挑战。

举个例子,软件工程,因为激光雷达不仅仅是硬件。我们交付的激光雷达,它是一个产品,同时带有软件算法,既可以提供点云,也可以提供障碍物的识别。这里有很多,包括我们对的传感器的控制,在什么状态下激光雷达需要关闭。我举个最简单的例子,如果是雷达表面积雪非常厚,美国东部有时候会碰到这种情况,激光雷达就必须能自动关闭。所有这些都是自动判断和控制的,还有维护功能、标定、点云和目标识别,都是跟软件相关的。

更重要的是我们的系统验证,测试验证。开发过程中,这是一个重要的工作。我们需要用虚拟的测试,硬件和软件在环,实验室的测试,还有在试验场的测试。我们在欧洲专门租用了一个机场,其实是一个闲置的空军基地,来做激光雷达的测试,比如说探测距离的测试。还有真实世界的测试,比如说我们跟整车企业客户在一起的测试。还有全球四季测试,我们不可能只是阳光明媚的环境下自动驾驶,要在不同的环境温度、湿度和天气下进行测试。所以这一切都给我们带来了因为车规级、因为汽车应用的挑战。

最后的结果,法雷奥作为一家汽车零部件供应商,我们带来的车规级产品和工艺有什么样的优势。首先是可靠的产品,在各种环境条件下,必须能够正常使用。另外私家车,一般情况下我们需要在汽车寿命期间,或多少工作小时之内,必须能够正常的工作,而不需要像我们某些客户一般测试用的车,可能过几天就可以维护一次。但是私家车不可能要求我们的终端用户每天维护。还有激光雷达的可靠性,需要维持至少跟车上其它关重零部件同样的标准。同时也是一个可靠的团队,因为法雷奥在欧洲、中国、美国都有与激光雷达相关的开发、测试团队,我们提供这样一个稳定和胜任的基础,人的因素是最重要的。可靠的生产,因为大规模生产,我们现在说的不是几十颗几百颗,甚至几千颗的激光雷达,我们说的是几万甚至十几万的数量级,怎么保证质量的一致性,稳定大规模的生产。

激光雷达刚刚问世的时候,前几年某些激光雷达友商的价格大概是几万美元,相当于几十万人民币。这样的一个激光雷达的价格,是一般私家车或者是一般乘用车无法接受的。所以我们需要有可靠的可承受的成本价格来支持大规模的生产,支持激光雷达能够走进千家万户,让我们普通的用户能够使用。

作为行业内第一个量产车规级激光雷达的企业,我们2017年11月在全新的奥迪A8上搭载了第一颗,也就是我们SCALA第一代的车规级雷达。大家可以看到,中间就是激光雷达的样子,是布置在奥迪A8车头发动机进气格栅的下方。当年美国有一个汽车新闻搞的PACE Award,就是最佳的供应商的技术奖,这也是第三方对我们激光雷达的肯定。除了A8,还有A6、A7、Q7、Q8,也搭载了这颗SCALA第一代激光雷达。其它的是位置移到了右上方,主要的原因是还搭载了一颗毫米波雷达,这样整个的布置对称,从造型上可能比较好看一些。但是激光雷达还是同一个类型的,没有变。

这里简单地介绍一下车规级量产的历程。我们的第一代激光雷达是搭载在奥迪A8上的,真正的研发是2010年开始,这个过程是非常的不容易,2015年开始小规模试生产,已经是车规级的,到2017年正式在德国的工厂进行批量生产。这里面除了刚才说的车规级的种种开发验证的挑战以外,其实对我们来说,作为汽车零部件供应商,第一次要在微米级精度内进行工作,进行光学路径对准。我们都知道,汽车车身和底盘都是毫米级的一个精度要求。但是对光学路径,对这样一个电子元器件,我们需要做到微米级,这是前所未有的挑战。

最后,我们认为作为一个要量产的装到私家车上的激光雷达,必须单价控制在1000欧元以内,而且是远低于1000欧元的目标价。到今天为止,从2017年量产到今天,我们已经总共生产和交付了超过13万颗的第一代SCALA激光雷达,这个数量级是大规模生产所必须支撑的。这里面还有几个要求,我觉得这也是跟我们车规级相关的。首先激光雷达的体积和造型必须要能够容易和车身融为一体,也就是你不能像一个花瓶一样,因为私家车有造型,没法布置在一个很突兀的位置,跟造型很不协调。还有刚才说的微米级的精度,还要能承受振动冲击,包括高低温的冲击和机械的振动冲击,要使激光雷达能够保证长期的耐久可靠性。最后还要在不同的气候环境下,不同的温度和湿度,都能够保证感知功能。所以我们在激光雷达的前盖上,有自动的加温除霜功能,还有一个可选的传感器清洗功能。

怎么保证激光雷达的清洗功能,我们看一下视频,这里通过一个可伸缩的喷头,在激光雷达的表面喷洒清洗液,来保证激光雷达的清洁。这样的装置是完全自动的,也就是说激光雷达自己有算法,来判断什么时候需要清洗。而不像大灯清洗系统,我们还要驾驶员自己来控制,这个不需要,完全是自动控制。这一套自动驾驶系统,包括第一代的激光雷达,我们在2018年的巴黎车展做了一个展示。这是一辆技术样车,在巴黎市区做了一个城市道路工况下的L4自动驾驶展示。我们可以看一下,当时这个技术样车的传感器配置的情况,也是多传感器的融合。一共有四个环视摄像头,一个前视摄像头,四个毫米波角雷达,12个超声波传感器,8个激光雷达。这是2018年的技术养车,我们后来经过不断的优化,传感器的数量其实还是可以有增减,进一步优化。

多传感器融合,刚才沈博士也介绍了,的确是给我们带来了很多的优势和益处,同时也是一个挑战。多传感器,不仅是在不同种类的传感器之间,比如毫米波雷达和激光雷达的融合,其实激光雷达内部之间也要进行融合,所以有很多的挑战。比如我们刚才说的融合来自车身周围多个SCALA环视的数据。多个方面进行融合,这就会牵涉到很多需要解决的问题。比如时间的同步,运动的补偿,多传感器的标定,定位,视场角的互相标定和补偿,由于时间原因具体的我就不展开了。

到了现在2021年,法雷奥提供的激光雷达产品是什么样的呢?我来介绍一下,我们已经开发了第二代的SCALA激光雷达,它是在今年已经正式进入量产,对车的探测距离是200米左右,水平视场角是133度,可以提供25Hz的帧率。我们认为真正要做到自动驾驶,特别是高速公路上的自动驾驶,至少需要20Hz的帧率。我们发现市场上的一些激光雷达,都只有10Hz,我们认为是不够的。所以这是一个长距的第二代的SCALA雷达,用于前向和后向的探测。我们同时提供另外一种,我们叫近场或者近距离的激光雷达,NFL。相比SCALA,它的探测距离比较近,在30米左右,是基于固态的Flash技术,可以做成我们所需要的环视或者侧向的探测功能。它的优点是视场角比较大,体积重量非常轻,就像一个名片盒,也是可以做到25Hz的帧率。我们给出的价格范围是,当SCALA第二代量产的时候,我们提供给整车企业的单价是远低于900欧元,刚才说的远低于1000欧元还不止。NFL近场激光雷达我们可以做到低于200欧元的量产价。这是两个已经量产,或者说NFL已经接近量产的阶段。我们除了给整车客户提供量产的激光雷达以外,同时我们还提供第三种,出行套件。什么意思?也就是说很多的初创公司或大学研究机构,需要几颗激光雷达,量不大。但是需要能即插即用,比较方便的,而不需要花很多时间进行标定的传感器。我们就可以提供这种传感器套件,即插即用,灵活配置。目前我们除了激光雷达,摄像头和超声波传感器都可以用套件的形式提供。这些套件都是车规级的产品,从形式上来讲,跟我们刚才说的量产激光雷达是一模一样的,只是提供原始数据输出和开放的接口,比较容易配置,不需要很多时间的开发或者是重新配置,比较灵活。我们就像自己家里搭积木一样,你买了出行套件以后,很短的时间内可以即插即用,帮助你完成自动驾驶的感知功能。

目前我们这三种激光雷达都有提供,长距的,短距的,或者是灵活的套件形式。我们已经量产的激光雷达客户有奥迪,今年奔驰和本田,下面是几个其它的客户。

我们在不同的领域,通过我刚才介绍的长距的SCALA二代,或者是NFL近场雷达,可以配置不同的智能出行的需求。即使是私家车、无人卡车、或者是无人驾驶出租车、无人物流车,我们可以通过不同的配置,长距和近距的雷达组合,来满足绝大部分出行客户的传感器需求。这是一个比较灵活的,可以通过不同的种类和数量激光雷达的组合,来满足大家的需求。

我们来总结一下,因为时间已经到了。首先,我反复强调的是,车规级非常重要。原因大家都知道,车辆行驶在道路上,最重要的因素是安全。如果没有安全的话,其它的都免谈,所以车规级质量是任何自动驾驶应用的前提关键。车规级很难,要做到并不容易,需要在研发和工业化过程中的长期经验积累。也许大家认为我把激光雷达研发出来就可以了,但是大家很快会发现,在工业化生产过程当中,会有很多的坑需要一个一个去填,去越过,或去绕过。这就需要经验的积累,告诉你怎么做。我们说行业内第一颗量产真正的车规级激光雷达是法雷奥提供的,是2017年量产的SCALA第一代激光雷达。现在,我们第二代的激光雷达,加上刚才说的近场的激光雷达和出行套件激光雷达,我们可以给不同的出行领域的关键需求,通过一系列灵活的组合,来提供激光雷达的感知功能。

最后非常感谢大家的聆听,谢谢!