汽車雷達和光達感測器:一是今日傑作,一是明日之星?

作者 : Guillaume Girardin,Yole Développement光電與感測事業部總監

幾十年來,為了提高汽車的安全性,業界一直在開發先進駕駛輔助系統(ADAS)。由於採用了一系列感測器(主要是雷達和攝影機)及功能強大的電子控制單元(ECU),過去十年ADAS技術取得了突破性進展…

幾十年來,為了提高汽車的安全性,業界一直在開發先進駕駛輔助系統(ADAS)。由於採用了一系列感測器(主要是雷達和攝影機)及功能強大的電子控制單元(ECU),過去十年ADAS技術取得了突破性進展。

到2012年,有幾篇學術研究論文指出,自動緊急煞車(AEB)可以將後方追撞事故減少40%,相關死亡人數減少15%。由於採用高科技可以解決性命攸關的問題,因此ADAS的神話被捧上了天。

近年出現的光達(LiDAR)技術已開始被汽車OEM採用,其3D檢測功能為市場帶來了新的希望。在深入討論LiDAR之前,先來談談雷達。

雷達是一種使用了很長時間的檢測技術,已經開發了數十年,適於不同市場的不同應用,尤其是在汽車領域。汽車市場需要一種具有最長距離、最寬視野、最佳解析度和最低價格的標準化雷達檢測方法。

雷達在汽車中最常見的安裝位置是在保險桿或品牌標誌的後面,或者通風柵欄的前面,有時也會因為雷達/攝影機結合感測器而放在擋風玻璃後面。其他安裝位置正在研究中,例如在前照燈裡。雷達的安裝位置需精心選擇,應考慮所需的檢測性能、散熱能力,以及安裝空間。

在過去的十年中,汽車產業在全球範圍內大力推動了雷達工作頻率的標準化,擴大了允許的頻寬,使雷達的距離解析度達到最大。目前業界正在透過德國政府資助的IMIKO專案來協調解決即將出現的干擾問題,歐盟新車安全評鑑協會(NCAP)和其他組織提出的強有力安全激勵措施推動了汽車雷達市場的快速發展(圖1)。

圖1 安全激勵措施推動了汽車雷達市場的快速發展。(圖片來源:Yole Développement)

產業巨頭們面臨著新進者奪取市場份額的威脅。在巨大的市場壓力下,他們必須進行產品差異化創新、提高產品性能,以及降低產品成本。

根據Yole Développement的最新市場和技術報告,2019年雷達在工業市場的規模為39億美元,在汽車市場的規模為55億美元。

從技術的角度來看,雷達感測器在過去的幾十年中已經有了長足的發展。得益於半導體技術的進步,汽車應用中的雷達外形小巧。目前業界幾乎已100%轉向採用市場領導者英飛凌(Infineon)、恩智浦(NXP)及其他新進者提供的矽基單片微波積體電路(MMIC)。

汽車雷達的下一個大事件將是4D成像雷達,預計2021年開始進入商業市場。其基本思路是收集更多的資料點,並利用這些資料點進行更多的處理,而不是將其過濾。4D成像雷達將生成一個被逐點、逐團簇(cluster)、逐影格監測的真實點雲,可以獲得目標的相對位置、距離和速度,並有助於對目標分類。

故事開始變得有趣了。LiDAR從根本上來說與4D雷達相似,但是可與紅外線光協同工作。紅外線光從目標反射回來,可以測量發射和接收的時間差,借助點雲即可重建3D場景。

採用LiDAR的大多數OEM都開始利用這項技術來實現自動駕駛功能(如在高速公路上行駛)、提高安全性和AEB性能。Volvo計畫將其長距離LiDAR技術應用於高速公路駕駛,而現代汽車(Hyundai)則在每個前照燈中整合了LiDAR,進而提高了安全性,並可以檢測出汽車的變道切入或截停。

從理論上講,LiDAR可提供最佳的距離解析度,非常適於重建高精準度的3D場景來檢測和辨識物體,因此,過去十年來它一直是ADAS和機器人研發者進行感測研發的重心。

奧迪(Audi)中嵌入的第一款LiDAR使用機械掃描,採用905nm邊緣發射雷射器和雪崩光電二極體,但其成本高於600美元,預計BMW和Volvo使用的下一代LiDAR會更貴。成本是汽車製造商的一個重要考慮因素,目前LiDAR的成本比一般的攝影機大約貴10倍,因此尚無法承受。

與長距離LiDAR相比,短距離LiDAR不使用機械掃描,雖然性能較低且結構簡單,但是性價比更好。在未來兩到三年內,它們可以用於在惡劣天氣條件下提高車輛安全性。供應鏈中的許多公司都準備在2021~2023年之間發佈新產品,其中包括Valeo與Aud,Innoviz、Magna與BMW,Luminar與Volvo,以及Velodyne與Hyundai Mobis及Hyundai。圖2顯示LiDAR在ADAS汽車中的應用及優缺點。

圖2 LiDAR在ADAS汽車中的應用。(圖片來源:Yole Développement)

Yole Développement預測,汽車和工業應用的LiDAR市場將在2020年達到17億美元規模,並以19%的速率成長,到2025年將達38億美元。

預期未來5年汽車應用會成為LiDAR發展的主要驅動力,在2019~2025年之間實現18億美元的市場規模。由於LiDAR製造商與汽車製造商之間的緊密合作,Yole Développement預計到2025年,3.2%的私家車將使用LiDAR。

實際上雷達和LiDAR這兩種技術既相互競爭、又互相互補。由於4D雷達目前還不太成熟,使LiDAR研發得以繼續擴大並進行適度的批量生產。

然而,LiDAR的效率和相關性還有待驗證。雷達由於其高效、簡單和可靠而成為汽車安全系統的傑作,但LiDAR仍有一段路要走。

新冠肺炎疫情將重塑市場

新冠肺炎疫情顯然影響了2020年的市場,由於消費者的需求受到衝擊,汽車市場遭受到銷售不足的困擾。Yole Développement最新的預估是,疫情對汽車市場的影響為20%,並將在2021年和2022年逐步復甦,如圖3所示。

圖3 依照自動駕駛等級對輕型車輛2014~2050年的銷售進行預測。(圖片來源:Yole Développement)

因此,OEM可以優先在車輛電氣化(或替代技術)的研發中加大投入,從而減少在車輛自動化方面的投入,因為碳排放超標會被罰款,直接影響營收。此外,各國政府可能會效法歐洲,注入資金促進經濟增長,同時要求加快汽車脫碳的速度。

儘管如此,安全要求不會放寬,預計Level 1~級和Level 2+/2++級自動駕駛車將持續發展,為汽車雷達和LiDAR產業提供了巨大的機會,只是將因疫情而有所延遲。

(參考原文:Automotive radar and LiDAR sensors: one masterpiece and another in the making?,by Guillaume Girardin)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年3月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

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