Лазерные локаторы (LIDAR) завершают тройку сенсорных компонентов автономных автомобилей
22 мая 2017
Сегодня все большую популярность набирает технология светового обнаружения и определения дальности — LIDAR (Light Identification Detection and Ranging). Наши эксперты следят за развитием индустрии и подготовили обзор статьи, посвященной этой технологии.
Статья была опубликована на портале Semiengineering.com, автор — Jeff Dorsch.
Технологии дополнят камеры и радары в автономном транспорте
Полностью автономный транспорт будущего будет полагаться на комбинацию различных сенсорных технологий — продвинутых систем зрения, радара и системы светового обнаружения и определения дальности (лазерного локатора). Из этих трех, лазерный локатор на данный момент — самая дорогостоящая часть уравнения, и весь мир прилагает усилия по снижению этих цен.
Сейчас на рынке доступны механические лазерные локаторы, стоящие сотни долларов. Эти цифры необходимо уменьшить для того, чтобы массовое применение лазерных локаторов оправдывало себя в гибкой автомобильной отрасли.
Помимо фактора цены, поставщики лазерных локаторов должны показать высокую производительность и надежность своих продуктов. Для продвинутых систем помощи водителю и автоматизированного вождения недостаточно иметь надежность в 99%. В критических (с точки зрения безопасности) аспектах автомобильного производства, оборудование должно показывать надежность «шести девяток» — 99,9999%.
Важность продвинутых технологий в автомобильном транспорте не может быть переоценена. Предложенная Intel сделка на сумму 15,3 миллиарда долларов по приобретению Mobileye, израильского поставщика систем компьютерного зрения, хороший тому пример. Производитель чипов и Mobileye объединились с BMW в прошлом году для совместной работы над технологией автономного транспорта.
Лазерный локатор — ключевой компонент этой технологии, и инвесторы держат свои кошельки широко раскрытыми для стартапов, работающих над этой технологией. В марте 2017 года инвесторы вложили 10 миллионов долларов в TetraVue — стартап, работающий над лазерным локатором в городе Карлсбад, Калифорния. Список инвесторов включает в себя Foxconn, Nautilus Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital и Samsung Catalyst Fund.
Стартап программного обеспечения для самоуправляемых машин Autonomic, расположенный в Пало-Алто, Калифорния, получил около 11 миллионов долларов от Ford Motor и Social Capital. Четыре сооснователя ранее работали в Pivotal Labs.
Движущие силы технологий
Technavio прогнозирует совокупный среднегодовой темп роста для мирового рынка автомобильных датчиков лазерной локации более чем на 34% до 2020 года (Рисунок 1). По оценке исследующей рынок фирмы, рынок лазерных локаторов составил 61,61 миллион долларов в 2015 году, с наибольшим спросом в Европейском/Средневосточном/Африканском регионах, а также в Северной и Южной Америке.
В июне 2016 года компания в открытый доступ выложила отчет «Глобальный рынок автомобильных датчиков лазерной локации 2016-2020», и будет обновлять этот отчет в течение третьей четверти текущего года.
«Технология лазерной локации в автомобильной индустрии испытывает быструю эволюцию, как в рамках технического прогресса, так и в рамках динамики рынка», — утверждает Сиддхарт Джайсвал, один из ведущих аналитиков индустрии исследований автомобильной электроники Technavio.
Среди ключевых разработок, названных Technavio:
- Снижение стоимости для увеличения масштаба. Производители лазерных локаторов работают над снижением стоимости системы, применяя эффективные методы обработки, а в некоторых случаях, позиционируя продукты для каждого сегмента клиента в отдельности: «Цена 64-лучевого блока лазерной локации Velodyne HDL-64E, который используют в беспилотном автомобиле Google, стоит 80000 долларов», — заявляет Джайсвал. «Velodyne также предлагает 32-лучевые и 16-лучевые блоки лазерной локации по цене 40000 долларов и 8000 долларов соответственно, которые могут быть использованы в более экономичных проектах. Мы ожидаем, что технология лазерной локации пойдет по «стопам радара» в автомобильной индустрии, где цена играла ключевую роль в принятии рынком. Следовательно, цена является ключевым фактором для игроков рынка».
- Компактный дизайн. Первый датчик лазерной локации Velodyne, выпущенный в 2005 году, был настолько большим и тяжелым (он весил около 5 килограмм), что должен был быть расположен на крыше автомобиля. Сейчас сенсор весит менее килограмма, а твердотельная версия достаточно компактна, чтобы поместиться внутри машины.
- Сочетание датчиков. Технологический тренд совмещения датчиков изображения с датчиком лазерной локации был популярной темой для исследований на протяжении более десяти лет. Выходные данные становятся более надежными, если в результате сочетания информация, полученная одним датчиком, подтверждает информацию датчика другого типа. Однако, если данные одного датчика не сходятся с данными другого, система становится ненадежной.
- Использование лазерных локаторов за пределами автомобилей для управления дорожными активами. Исследования по оценке состояния дорожного покрытия (TRACS) были введены для сети магистральных дорог Англии в 2000 году. Автодорожное агентство Великобритании проводит регулярные автоматизированные исследования состояния дорожного покрытия магистралей в рамках исследования TRACS. Лазерный локатор используется для измерения расстояния до датчика и, потенциально, может предоставлять данные об объектах, находящихся на гораздо более большом расстоянии от исследовательской машины, чем при исследовании TRACS.
Рисунок 1. Тенденция цен на лазерные локаторы до 2020 года.
Источник: Technavio
«Лазерный локатор находится на очень прибыльной позиции среди датчиков автономного вождения», — утверждает Джайсвал. «360-градусная карта — его главное отличие от других сенсорных технологий, а его возможности в отношении обнаружения объектов даже в условиях полного отсутствия света нашли свое место среди оригинальных производителей оборудования. К тому же, явное падение цены самого дорогого компонента беспилотного автомобиля — блока датчиков лазерной локации, вероятно приведет к принятию автомобильных лазерных локаторов. Например, в 2016 году, Velodyne представила свой новый лазерный локатор ULTRA Puck VLP-32A. По заявлениям, это самый доступный лазерный локатор, способный, по определению SAE (Сообщество автомобильных инженеров), достигать уровней автономного вождения 1-5, а также он очень компактный, по сравнению с предыдущими версиями продуктов из этой индустрии. Из-за твердотельной архитектуры, сенсор достаточно маленький, чтобы быть установленным на наружные зеркала заднего вида, при этом радиус 3D-зондирования увеличен до 200 метров (656 футов). Velodyne установила целевое ценообразование из расчета менее чем 300 долларов за один блок, что в масштабах массового автомобильного производства — значительное снижение цены с 7900 долларов за предыдущий компактный блок лазерного локатора».
Более того, лазерный локатор может быть разработан с использованием проверенных технологий полупроводниковых процессов, а твердотельная версия не имеет движущихся частей.
«Лазерный локатор считается ключевой технологией для точного 3D-картирования, «ощущения автомобиля» и навигации», — утверждает Пьер Камбу, директор отдела работы с изображениями компании Yole Developpement. «Происходит соревнование в производительности и долговечности, для этого используются коротковолновые инфракрасные (SWIR) диоды, лавинные фотодиоды или однофотонные лавинные фотодиоды. Также прилагаются большие усилия по снижению цен. Это направлено в основном на то, чтобы сделать лазерный локатор полупроводниковым с помощью управляемых лазеров, микрозеркал МЭМС или детекторных решеток».
Но Камбу заметил, что существуют разные подходы к автономному вождению, и лазерный локатор не является необходимым для каждого из них. «Лазерный локатор — это основополагающее оборудование для беспилотного транспорта, который я предпочитаю называть роботизированным транспортом. В будущем будет существовать много уровней автономности. Лазерный локатор может быть необходим для экстренного торможения в городских условиях, вероятно в сочетании с радарами и камерами. Этот мультимодальный подход сейчас четко определен. Никто не ставит его под сомнение».
Рынок лазерных локаторов будет расти по мере уменьшения цен: от 600 миллионов долларов на сегодняшний день до 1,2 миллиардов в течение следующих пяти лет (Рисунок 2). «Сегодня три точки входа в автомобильную индустрию: 3000 долларов, 300 долларов и 30 долларов», — заявил он. «Камеры на текущий момент находятся на ценовом уровне в 30 долларов, а лазерный локатор на уровне 3000 долларов. Цель производителей лазерный локаторов сейчас — снизить цену и достигнуть цели в 300 долларов, без значительных потерь производительности. Такие лазерные локаторы, вероятно, созданные на основе твердотельных подходов, появятся на рынке в течение следующих трех лет».
Это малая часть рынка зрительных датчиков. «Консенсус здесь в том, что прибыль от автомобильных радаров и автомобильного зрения почти одинакова, но зрение на 50% состоит из современной системы содействия водителю (ADAS) и на 50% — из системы помощи при парковке», — сказал Камбу. «Мы достигли оборота датчиков автомобильного зрения в 1 миллиард долларов в 2016 году, и среднегодового темпа роста в 24%. Верхняя черта — 7.3 миллиарда прибыли в сфере датчиков автомобильного зрения к 2021 году».
Рисунок 2. Рост рынка лазерных локаторов.
Источник: Yole Developpement.
Что работает, а что нет
Амин Каши, директор отдела современных систем содействия водителю и автономного вождения в Mentor Graphics, дочерней компании Siemens, заявил, что интерес к лазерным локаторам возник более десяти лет назад, в связи с высокой ценой радаров на тот момент, которые стоили по 500 долларов за штуку. Лазерные локаторы тогда были чрезвычайно дорогими, до 260000 долларов за блок.
«Три года назад, некоторое количество компаний или стартапов начали интересоваться сферой лазерных локаторов и инвестировать в неё средства», — говорит Каши. «Каждая крупная компания внезапно начала вкладывать деньги или покупать компании, работающие в сфере лазерных локаторов».
В число таких компаний входили Continental и TRW. Каши ранее работал в компании Quanergy Systems, которая разработала механический лазерный локатор, а сейчас работает над лазерным локатором с фазированной решеткой. Твердотельный лазерный локатор Quanergy продается по 250 долларов за штуку.
Тем временем, Mentor Graphics предоставляет оригинальным производителям оборудования и крупным компаниям аппаратное и программное обеспечение, а также услуги по проектированию в сфере лазерных локаторов. «Мы также предоставляем программное обеспечение обработки изображений, которое может быть запущено на их датчиках. В конце концов, все сенсоры должны быть каким-то образом соединены. Необходима вычислительная платформа или система, которая собирает всю эту разную информацию и делает её понятной для системы принятия решений. Вот в чем заключается наш интерес».
«Камеры, лазерные локаторы и радары дополняют друг друга, восполняя недостатки каждой технологии», — заявил он. «Это играет критическую роль, так как лазерный локатор может быть менее эффективным в тумане, при низких облаках, песчаных бурях, сильном дожде и сильном снегопаде».
«Все еще необходимо иметь очень высокое разрешение датчиков, используемых на беспилотном транспорте» , заметил Амин Каши. «Существует множество компаний, работающих над технологиями лазерной локации, множество стартапов и у них очень убедительные концепции. Интересно будет посмотреть, будет ли их путь к коммерциализации успешным. Некоторые из них совсем неоригинальны, но переход от отличной концепции к датчику автомобильного класса — очень сложная задача. И она требует больших вложений».
Сравнения между различными технологиями лазерной локации не всегда прямолинейны, и растущая конкуренция не делает их проще.
«Существует множество обманчивой информации», — заявляет Луай Эльдада, исполнительный директор стартапа Quanergy. «Есть люди, которые делают традиционные механические лазерные локаторы: большие, крутящиеся механические лазерные локаторы, используемые на вертолетах, и они называют их гибридными твердотельными, потому что содержание полупроводника в них не равно нулю. Это просто обман».
По словам Эльдады, такие продукты имеют один маленький чип, в продукте размером с ведро. «В автомобильной сфере никто уже не использует механические лазерные локаторы. Мы уверены, что наш твердотельный локатор является самой захватывающей разработкой в этой сфере».
В прошлом году Quanergy получила 90 миллионов долларов во втором инвестиционном раунде, что увеличило общую сумму частных инвестиций до 150 миллионов долларов, а также увеличило стоимость самой компании более чем до 1 миллиарда долларов. Delphi Automotive, GP Capital, Motus Ventures, Samsung Ventures и Sensata Technologies совершили вклады во втором инвестиционном раунде.
XenomatiX — другой стартап, специализируйщийся на твердотельных лазерных локаторах. «Стартапы сейчас лидируют в разработках, которые считаются необходимыми при автономном вождении», — заявил Филип Гайенс, исполнительный директор Бельгийской компании. «Некоторые большие компании тратят много денег и серьезно инвестируют, чтобы получить датчики и программное обеспечение, необходимое для автономного вождения. Большинство этих компаний, с точки зрения технологий, двигаются в одном направлении. Мы ожидаем, что все они столкнутся с серьезными трудностями. Мы же, напротив, двигаемся в другом направлении и делаем вещи немного иначе. Мы считаем, что это лучший способ преодолеть трудности».
«XenomatiX пытается избавиться от дезориентации при зондировании среди систем лазерных локаторов, связанной с тем, что многие системы используют прямое время полета, испуская один луч света или одну вспышку света», — заявил Гайенс. «Метод, который используем мы, заключается в отправке тысяч лучей одновременно. Это довольно сложно. Мы также придерживаемся техники безопасности для защиты глаз. Это самая важная трудность, которая одинакова для всех нас. Мы испускаем множество лучей одновременно и это делает все еще сложнее. С другой стороны, это делает систему более надежной в реальных условиях, где несколько лазерных локаторов работают одновременно».
Некоторые компании утверждают, что камер и радаров для автономного вождения достаточно, однако Гайенс так не считает. Он утверждает, что вождение автомобиля происходит в объемном мире, а лазерный локатор незаменим при зондировании во всех направлениях.
Неразбериха на рынке
Одна из больших проблем в индустрии — спрос и предложения между оригинальными производителями оборудования и ведущими компаниями. Оригинальные производители оборудования ожидают от ведущих компаний, необходимых им продвинутых технологий, в то время как ведущим компаниям требуются проверенные технологии, прежде чем они смогут представить их оригинальным производителям оборудования. Согласно многочисленным инсайдерам в индустрии, поставщики автомобильных частей не хотят иметь большие затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы без обязательств оригинальных производителей оборудования по объемам закупок.
«Находящееся на рассмотрении приобретение компанией Intel фирмы Mobileye — большой шаг вперед во введении высокотехнологичных продуктов в автомобильную индустрию», — утверждает Гайенс.
Соревнование на пути к беспилотному транспорту и количество технологических инноваций, которое требуется, чтобы достичь этого, меняет некоторые из использованных ранее подходов.
«На данный момент, технология лазерной локации — совершенно новое слияние технологий», — считает Жан-Ив Дешен, президент Квебекской компании Phantom Intelligence. «Это слияние обусловлено автомобильной индустрией».
Пять-десять лет назад лазерный локатор преимущественно использовался в архитектурных, картографических и военных целях. Блоки выглядели как огромные, громоздкие устройства с огромным количеством зеркал.
«Многие находятся в поиске решения», — заявил он. «Недавние исследования и компании, о которых мы много слышим, сейчас пытаются заменить эти зеркала. Мы воспроизводим принцип сканирования лазерного локатора путем использования зеркал МЭМС и управления лучем. Много методов картирования двигается в этом направлении. В Phantom Intelligence мы уверены, что решение заключается в использовании вспышечного лазерного локатора. Вспышечный лазерный локатор— скорее аналог 3D-камеры. Вместо узкого луча, который постепенно проходит по полю зрения для воссоздания изображения, происходит вспышка лазерного импульса на большом пространстве, а для восстановления изображения используется множество пикселей».
«Недостаток лазерного локатора — эхо, возвращающееся на датчик», — заметил Дешен, сторонник «более умной» обработки сигналов, как он её называет. Он считает, что будет существовать пять уровней автономного вождения, полностью автономный транспорт появится в 2025 году, а широкое распространение получит в 2030 году.
Реальное положение дел
Лазерный локатор – хорошо известная технология, которая наконец нашла себе выгодное применение на рынке.
«Сам принцип лазерной локации, отправленный с импульсом свет и эхо времени полета сильно не изменился», — заявил один из источников в индустрии. «Физический принцип никогда не менялся с момента изобретения, уже на протяжении 40 лет. Изменения касаются скорее составных частей и системной интеграции. Никакого изменения фундаментального принципа».
Источник заметил, что вспышечный лазерный локатор находился в разработке на протяжении последних пяти лет, и за это время получил сходства с датчиком КМОП. «Технология вспышечного лазерного локатора — сфера, требующая пристального внимания. Она предоставляет очень дешевое решение, но не высокую производительность».
Кевин Уотсон, старший руководитель отдела разработки товаров Microvision (Редмонд, Вашингтон), не согласен. «Я не считаю, что это приведет к каким-то результатам», — высказался он о вспышечном лазерном локаторе. «На протяжении многих лет Святым Граалем лазерных локаторов считались лазерные сканеры на основе МЭМС-зеркал, потому что они невероятно маленькие, относительно недорогие в производстве в больших количествах и очень надежные. К тому же, достаточнокомпактные, чтобы спрятать несколько штук в автомобиле».
Уотсон называет лазерный локатор «самым важным датчиком» в автомобильной электронике. «Системы зрения — это здорово, но они абсолютно пассивны, а лазерный локатор активен». Но и у лазерного локатора есть свои ограничения. Радар может распознать стену и имеет большую дальность действия, способен работать в тумане, а лазерная локация и зрение могут быть сбиты с толку. «До достижения четвертого уровня автономности ( предшествующего самому высокому уровню) еще далеко», — заявил Уотсон. «Это не будет реализовано на протяжении следующих десяти лет. Это очень, серьезная проблема. Еще слишком многое нужно сделать».
Источник: LiDAR Completes Sensing Triumvirate
Теги: LIDAR, Light Identification Detection and Ranging, лазерные локаторы
