獨傢探秘丨華為車規級激光雷達商用之路:問鼎前裝量產市場

“‍華為擬從珠穆朗瑪峰北坡登頂”

 

題記:    珠穆朗瑪峰北坡極為陡峭,相比南坡攀登難度更大,而華為采取爬北坡戰略,目的就是要憑借其在ICT領域的積累,迎難而上,加速解決激光雷達前裝量產商用面臨的難題,實現“把激光雷達帶入每一輛車”的願景,進而大幅提升智能駕駛過程中的用戶體驗。

“L4級智能駕駛量產最大的障礙是什麼?”兩三年前,在面對這一問題時,很多智能駕駛從業者給出的答案中,激光雷達的痛點尤其突出,比如價格高、難過車規、量產難等。但在今天,隨著華為的進場,這個問題的答案或許會有所不同。

 

在9月份的北京車展上,華為的激光雷達終於在展臺上亮相,但並未正式發佈,其關鍵參數及亮點也不為人知。近日,《建約車評》獨傢對話瞭華為融合感知產品線(車載傳感器)總經理段忠毅,得以真正揭開華為激光雷達的神秘面紗。

 

當前,車載激光雷達市場上存在兩條“登山路”:一條是先從相對較為簡單的後裝測試市場切入(如Robotaxi改裝),再逐步過渡到前裝量產市場;另外一條則是從陡峭得多的前裝量產市場切入。激光雷達初創公司基本都在走第一條路。其中,絕大部分公司都還停留在測試訂單的階段,拿到量產訂單的鳳毛麟角;而華為,則從一開始就選擇瞭後者:依托30年積累,加速構建車規級前裝商用的能力,從而實現規模量產。

 

目前華為好比從珠穆朗瑪峰北坡往上爬,這條路雖然艱難崎嶇,也要負重前行,唯有這樣,才有可能徹底解決激光雷達“上車難”的問題,實現 “把激光雷達帶入每一輛車”的願景,進一步提升用戶體驗。

 

雖然華為是激光雷達戰場上的新手,但用段忠毅的話來說,華為做激光雷達是“跨行不跨界”。因為,華為在ICT領域積累的光學設計、信號處理、整機工程和精密制造等能力都可以復用,這些技術可幫助華為激光雷達提升生產效率與良品率,滿足車規級要求,進而實現規模量產。

 

和許多公司單純追求“性能指標”,對“車規級”的理解還停留在“技術原理”層面不同的是,華為早已經在埋頭解決“高性能”“車規級量產商用”中的一個個“工程、材料、工藝”難題。

 

直接從高性能產品做起

 

據介紹,華為激光雷達“遍歷各種場景”,基於各種corner case不斷打磨,最終形成瞭面向高速、城區、泊車等智能駕駛場景的長、中、短距系列化產品。段忠毅還透露,華為近期會考慮系列化產品的整體發佈。

 

本次,華為向筆者展示的是一款中距激光雷達,這款激光雷達已開始在“準量產車”上測試,預計從2021年底開始將陸續上市。

 

1.轉鏡掃描架構:車規級和高性能之間的平衡

 

在架構的選擇上,華為曾做過反復的研討。當前市面上,主要存在360°機械旋轉、MEMS掃描、Flash等制式。然而,這幾種技術路線都有各自的短板:

360°機械旋轉激光雷達,如何滿足車規級標準是一個很大的挑戰。目前的尺寸和造型難以滿足前裝要求,且難以實現性能和成本的平衡;

MEMS激光雷達,受限於有限的光學口徑和掃描角度,測距能力和視場角FOV難有競爭力。若要做大視場角則需要依賴多個子視場拼接,對點雲拼接算法處理和點雲穩定度要求都比較高。並且,現有的MEMS鏡也難以適應苛刻的車載振動環境;

Flash激光雷達擁有全固態優勢,易過車規,但因收發架構和核心器件約束探測距離不足,難以承擔核心前向感知的需求。

 

為兼顧前裝造型要求、高性能規格、車規級量產等因素,華為首款激光雷達最終選擇瞭轉鏡掃描架構。

 

從上市應用來看,轉鏡掃描架構是目前為止唯一已經通過車規認證、並已經批量應用在量產車上的激光雷達架構—法雷奧4線束的Scala 1就是采用瞭轉鏡掃描架構。雖然該架構同樣存在轉鏡這樣的機械部件,想要過車規絕非易事,然而這也正是華為可以憑借其在機電工程領域多年的積累,發揮技術優勢的地方。

 

從性能要求來看,一款激光雷達,如果要滿足智能駕駛需求,必須同時考慮視場角、分辨率、探測距離、幀率這些因素,而轉鏡掃描架構可有效平衡好這些因素,同時實現遠距探測和大水平視場角。

 

有些激光雷達會通過內部多視場的拼接來實現大水平視場角的效果,但如果拼接的不好,就會導致拼接處點雲異常等問題;而在華為的轉鏡掃描架構下,120°水平視場角是通過掃描一次成型的,不存在水平維度的拼接,這樣點雲的連續性和穩定性更好,對後端感知算法也更為友好。

 

2.高分辨率(96線)

 

通常,激光雷達廠商們都是先從相對簡單的低線數產品做起,然後再逐步推出高線數產品,但華為則是從一開始就高舉高打,第一款激光雷達就做到瞭“等效96線”。

 

雖然主流激光雷達廠商們陸續推出超過100線的激光雷達,但實際上,在2017年推出的唯一車規量產的Scala 1僅有4線;而據官方透露,其預計2021年商用的Scala 2也僅有16線。

 

華為當然明白,線數越多,產品的設計及生產工藝就越復雜,這也是不少公司在面對高線數激光雷達時望而卻步的原因;但華為更清楚的是,一款好的激光雷達,首先必須要能在真實道路場景中解決智能駕駛過程中碰到的問題,發揮其獨特價值。

 

激光雷達的線數越多,對被探測物體的輪廓勾勒就越細致、越精確。96線激光雷達可以更好地準確識別道路上的小目標,大幅提升遠距離探測能力、更早感知到目標。這個規格,正是基於各種corner case打磨出來的,對高速道路上存在小障礙物的場景下尤為重要。

 

值得註意的是,這款96線激光雷達的線數在垂直方向上是均勻分佈的,這源於OEM對傳感器視場容差的嚴格要求。實際上,前裝激光雷達相對於車體坐標系的俯仰角並不是一個固定值,除瞭固有的安裝、標定誤差以外,還會受車身負載、老化、加減速等外部因素的影響。因此一款合格的前裝激光必須要“吃掉”這些角度偏差,保證感知性能不受影響。

 

通常,傳統激光雷達為追求更高的分辨率,線數在垂直方向上並不是均勻分佈的——采用中間密兩側稀疏的線數排佈。許多廠商們公佈的“垂直角分辨率”,都是特指在中間線數最密部分的垂直角分辨率;而華為的高線數激光雷達在滿足功能所要求的角分辨率後,垂直線數均勻分佈能支持更大的俯仰角容差,重點提升瞭實際上路後的體驗一致性,更適應苛刻的前裝量產要求。

 

3.探測距離:150米@10%

 

據華為官方的描述,這款激光雷達對反射率為10%的物體(如黑色汽車)的穩定探測距離可達150米。

 

被探測物體的材質、色彩、表面處理都會影響反射率,進而影響激光雷達在特定情況下的探測距離。因此,為確保安全,激光雷達廠商們必須得重點考慮被探測物體反射率“超級低”的極端工況。通常,產品規格中給出的“探測距離”都默認是針對反射率為10%的物體的。

 

在被探測物體反射率更高的情況下(比如白色車輛),探測距離顯然可以更長。如國內某知名激光雷達廠商,某款產品號稱探測距離“260米”,但細究可發現,這個“260”米也是針對反射率為80%的物體而言的——在反射率10%的情況下,其探測距離隻有90米。

 

探測距離指標不僅和反射率有關,點雲置信度也是非常重要的影響因素。通常情況下,當目標超出一定距離後,隨著目標距離的增加,點雲置信度逐漸降低。換句話說,如果降低點雲置信度標準,也可以快速“提升”探測距離的規格,但是這種“註水”的規格會影響後端感知的可靠性。

 

華為在和OEM交流過程中深刻理解到前裝市場對車規級傳感器規格要求的嚴肅性,從一開始就嚴格按照“苛刻”的規格需求來制定探測距離規格。華為采用高靈敏的收發系統和獨特的抗幹擾算法,提升信噪比,使得返回信號質量大幅提升,滿足高置信度下的測距要求。

 

4.120°水平大FOV,全視場遠距探測

 

為應對中國的復雜交通場景,在大路口人車混行、左轉、U型掉頭等典型場景下,激光雷達不僅需要看到對面來車,還要檢測到兩邊行人及自行車等,這就要求在實現正前方150米探測距離的同時,在側向區域也要有較好的探測距離。華為的全視場遠距探測設計就能很好的滿足這種場景需求。

 

通常,普通的激光雷達在兩側的探測距離會明顯下降,比如,在正前方可看到150米之外的目標,但在兩側隻能看60~80米;而華為的這款激光雷達,通過獨特的光學設計,即使在兩側邊緣視場,也可以實現120米以上的探測距離。

如上點雲視頻:96線激光雷達的高分辨率,在對路口人、車、環境的細膩刻畫上展現得淋漓盡致,120° FOV大視場在路口的優勢也非常明顯。然而,華為所展現出來的激光雷達高性能部分僅僅隻是冰山一角。

 

“車規級”背後的秘密

 

將產品參數做到出類拔萃,隻是起點,更大的挑戰是,如何確保產品在車載環境下的可靠性及工程適裝性。

 

據《高工智能汽車》此前報道,某國外激光雷達公司的前員工曾透露,該公司此前推出的產品,“大多數都不會持久,通常會在1年或更短的時間內返回RMA(處理用戶不良產品退貨、換貨)。

 

還有一些用戶反映,有一些激光雷達在使用中每隔幾個月便需要返廠校準一次。

 

今年上半年,某外資激光雷達廠商的中國區負責人在一次公開分享中說:“目前市場上的激光雷達,按每天使用8小時算,隻要壽命能超過1年,都已經算是‘非常好’的瞭。

 

這種“不靠譜”,在後裝測試市場上,還勉強可接受,但在前裝量產市場,則絕對無法妥協。

 

激光雷達賣給Robotaxi測試車隊,最終用戶是B端,現階段,他們對激光雷達的技術成熟度、可靠性會有一個比較適當的預期,為確保安全,他們也會嚴格遵循廠商提供的使用期限,如果超期,會及時更換。並且,他們還會安排專人對激光雷達做定期的檢查、維護,有問題也可及時發現。

 

而要打進前裝量產市場,大量的車是賣給瞭C端用戶。但C端用戶又缺少關於激光雷達的專業知識,更不可能定期去檢查、保養,因此,激光雷達必須要達到車規級標準才行。

目前行業上很多激光雷達供應商都在提車規級,但實際上車規級遠非想象的那麼簡單,而是包含瞭從車載管理流程、器件選型、產品設計開發驗證,再到DV/PV測試,以及功能安全等方方面面。

 

據段忠毅介紹,華為從一開始就接受瞭德國頂級車企嚴苛規范標準的洗禮。這些車企提供的跟車規相關的內容都有上千條,而且同一類標準還有不同等級之分,如車載EMC電磁兼容要求,Class 5就要比Class 2嚴苛很多,華為遵循的就是最嚴苛的Class 5。

 

其次,車規級的又一難點是要求產品在-40~85°C的溫度下正常工作。這不僅要求激光雷達所使用的各種零部件都達到車規級,還考驗著各傢激光雷達廠商的熱管理能力。

 

如果散熱問題沒處理好,會引起諸多問題,如激光器波長飄移、功率下降;鏡頭形變,影響焦距,色散;PCB單板形變,導致探測性能的劣化等。雖然也有些廠傢宣傳可以滿足車規級溫度要求,但如何保證全溫下性能依然能滿足頂級車企的要求,這才是真正的考驗。

 

理論上,廠商們可以通過做大產品尺寸來降低散熱難度,或者在車上增加相應激設施進行主動散熱,但前裝量產市場對光雷達造型尺寸及工程適裝都有非常大的約束。如何在一個小密閉空間裡面快速散熱,且完全不依賴車身設施的純被動散熱,便成瞭業界難題——空間越小,散熱就越難。

 

華為之所以能在把激光雷達尺寸做小的同時又能夠處理好散熱問題,這得益於其強大的整機工程能力,這正是華為敢從珠穆朗瑪峰北坡登頂的底氣所在。 

 

再次是磨損和使用壽命,電機旋轉過程中的磨損不僅會直接影響激光雷達的壽命,而且也會影響到電機控制的精度,進而影響到點雲質量的穩定性。

 

從原理上看,360°機械旋轉激光雷達是電機帶著整個設備旋轉,這會加速電機軸承的磨損,因而難以保證在汽車的全生命周期內不出故障。

 

雖然華為的轉鏡架構也有電機,但隻有反射鏡參與旋轉,相比機械式激光雷達電機帶著整個設備旋轉,整體載荷少瞭一個數量級以上。

 

但即使這樣,在嚴苛的車規環境中,電機的穩定性、可靠性和壽命要滿足要求,依然充滿挑戰。依靠上億臺的電機、微馬達出貨量,華為已積累起強大的電機技術研發能力,比如磁化技術、高可靠性軸承技術以及齒圈繞組技術等。

 

正是憑借這些積累,華為才得以打造出車規級的轉鏡架構激光雷達方案。

 

如何讓激光雷達“用起來更容易”?

 

除瞭車規,要真正商用量產,還必須考慮工程適裝和環境適應性。

 

車企對於美觀度的追求,是超乎尋常的,尤其是激光雷達的佈置。段忠毅補充道:“我們也曾因為造型原因,重新調整過激光雷達的設計。產品必須和車身設計完美融合。

 

由於激光雷達視窗裸露在外,還需要考慮環境適應性。比如常見的灰塵、泥土、夏天的蟲屍、冬天的冰雪霧霜,以及城區行駛中的刮擦問題和高速行駛中的碎石問題。

 

為解決這些問題,華為不光是做一款激光雷達產品,背後還包含全套整機配套解決方案。

 

如智能清洗,可以快速檢測視窗遮擋,根據遮擋類別和嚴重程度智能控制清洗水壓和時長;智能加熱,可以快速檢測出視窗結霜/霧/凝露並快速去除,滿足全天候復雜環境下的使用要求。

 

此外,通過特殊的工藝設計來解決刮擦和碎石問題。

 

還有一個很容易被忽視,但在整機工程上關鍵無比的“細枝末節”問題:如何選擇膠水?

 

激光雷達的膠水一定要充分考慮溫度范圍、導熱、熱膨脹、揮發等因素,否則會出大問題。比如,一旦出現膠體揮發,就會導致激光雷達內部臟污,影響雜散光;再比如,膠水粘得過多過少,都會存在開裂或脫落等粘接可靠性風險。

 

目前,華為有一支7人的博士團隊,專門負責膠水研究。而類似這樣的點還有很多,存在於激光雷達開發的方方面面,這些都得益於華為對於基礎科學研究的重視。

 

如何實現“大規模量產”?

 

車規,解決的是產品“可用與否”的問題;環境適應性,解決的是產品“好用與否”的問題;在邁過這兩關之後,廠商們面臨的更大考驗是,如何實現規模化量產。

 

早年,64線激光雷達之所以售價高達8萬美元,並且交貨期超過2個月,就是因為360°機械旋轉激光雷達的內部構造非常精密復雜,極大增加瞭調試、裝備等工藝難度,一個光學工程師花一星期時間,才能手工組裝兩臺產品出來。

 

自動化裝備和工序設計,亞微米級精密制造,光學容差設計則是華為交出的答卷。

 

當前,華為激光雷達的自動化制造產線已經落成,包含瞭大規模萬級無塵室,精密測量儀器和自動化裝備,自動光學耦合平臺采用6軸設計(x,y,z, yaw偏航角, pitch俯仰角,roll滾轉角),同時具備位置和角度雙調節能力,在制造環節實現亞微米級精度,這些都是保證激光雷達批量生產一致性非常關鍵的環節。

 

另一個是光學容差的設計能力。在實踐中,偏差存在於整個研發、生產制造環節,有組裝偏差,有收發模塊對齊偏差,熱脹冷縮導致光學器件微量變形等不確定因素也會導致一定的偏差;如果沒有做容差設計,或者容差設計過小,一旦稍有小的偏差,產品就隻能報廢,而華為通過大量的基礎材料/工藝數據庫建設,容差仿真分析建模,把光學設計能力和工程實踐進行深度融合。

 

這裡每一個細節都需要大量的人力、時間、設備和金錢的投入。華為已在制造領域沉淀幾十年,可以說,精密制造能力是華為的“壓艙石”。

 

通過自動化工序設計和光學容差設計等光機電融合設計能力和精密制造能力把生產效率和良品率都提升去瞭,成本自然就會降下來。

 

激光雷達量產商用的浪潮來瞭

 

當前,華為激光雷達已經有多個前裝量產項目在手,預計會在2021年底正式量產商用。段忠毅判斷,激光雷達前裝量產的浪潮很快就會到來。

 

在剛過去的兩個多月裡,NOA/NOP/NGP之類的詞比較火,能實現高速上的自動變道,是這些由造車新勢力們推出的智能駕駛產品的最大亮點;傳統車企中,豐田、本田、奔馳、長城等即將搭載在量產車上的“L3級智能駕駛”系統也具備類似功能(雷克薩斯LS自稱是“L2”)。

 

若用戶真能按規范操作,將NOA/NOP/NGP當做“輔助駕駛”來使用,則無論安全性還是舒適性都會提升的。至於被命名為L2還是L3,反倒沒那麼重要。預計從明年開始,越來越多的中高端電動車為瞭提升競爭力,會把NOA作為標配。而NOA成為“標配”,將帶動激光雷達在前裝量產市場裝機量的增長。

 

不同於許多傳統車企在首款L3的量產車上就搭載瞭激光雷達(本田的LEGEND甚至會標配5顆激光雷達),造車新勢力們在推出第一款搭載NOP系統的量產車時更希望通過先進的計算機視覺算法來解決感知難題。但隨著中國的復雜路況對純視覺路線的挑戰日益凸顯,以及激光雷達價格的進一步下降,造車新勢力們自然會對傳感器架構做相應調整,小鵬最近已明確將在2021年推出的新車上搭載激光雷達。

 

還有一個趨勢是,最早搭載激光雷達的量產車奧迪A8、雷克薩斯LS及奔馳S級,售價都在人民幣80萬元以上,但隨著激光雷達價格的下降,接下來,將有40-50萬元、甚至30萬元以內的車也能“用得起”激光雷達。

 

當下,最有能力推動這一趨勢的公司,正是華為。

 

華為ADS系統起步標配2-3顆激光雷達。徐直軍在接受媒體采訪時說:“剛開始,激光雷達的成本確實會高一點,但現在我自己做激光雷達,能把成本降下來。”

 

近日,長安汽車董事長朱華榮透露,長安汽車將攜手華為、寧德時代打造一個全新的高端智能汽車品牌,且首款量產車型即將投入生產。華為的ADS系統及激光雷達,極有可能率先出現在這款車上。

 

搭載華為ADS系統的量產車的上市,必將提高搭載智能駕駛汽車的傳感器配置門檻,倒逼其他搭載L3/NOA功能的量產車也加裝激光雷達;從2022年起,激光雷達有很大概率會成為L3/NOA系統的標配。

 

再往後,隨著激光雷達價格的進一步下降,也許連L2級智能駕駛汽車也會逐漸開始裝激光雷達。隨著裝瞭激光雷達的車被證明降低瞭事故率及人身傷亡、並且消費者逐漸形成“裝激光雷達=更安全”這樣一種認知後,便會有越來越多的車型開始將激光雷達作為標配,從而形成一種正向循環。

 

而激光雷達廠商們,在通過L3/NOA/L2市場做大出貨量、取得利潤後,可投入更多的資金研發更適合L4市場的高端激光雷達,甚至可用在L2+市場上獲得的利潤來補貼L4市場,從而加快激光雷達在L4市場的商用、推進L4級智能駕駛商業化進程。

 

假如到瞭2030年,全球范圍內每年新車產銷量9000萬,若其中需要搭載激光雷達的L2-L4級智能駕駛汽車+卡車+物流小車占比1/3,總共就有3000萬輛;再假定平均每輛車上裝2顆激光雷達,那這些車對激光雷達的總需求量就在6000萬顆/年。

 

在通過規模效應帶動成本進一步下降後,激光雷達便進入“平民價”時代,從中受益的,將是整個廣義機器人產業。

 

如果您對這個話題有不同的理解,或有其他關於無人駕駛的經驗可分享的,歡迎加作者微信(charitableman)交流。

招   聘

《建約車評》招聘內容編輯,希望與具有如下特點的你,一起打造不凡的汽車科技新媒體。1. 人品好,三觀正;2. 極強的進取心;3. 文字好,以寫作為信仰;4. 心態極度open;5. 英語好。簡歷請發[email protected],附上任意自己滿意的作品。
《建約車評》同時在招聘實習生要求:有基本文字功底、一周至少四天在崗。建約車評  隻做有價值的汽車科技報道