自動駕駛之眼的中場戰事

作者 : 邵樂峰,國際電子商情(ESMC)

作為L2~L3智慧駕駛的主力感測器,毫米波雷達讓汽車界青睞有加;而被視為L4~L5自動駕駛車必備的光達,正處於產業爆發前夕。兩者的發展與競爭態勢似乎進入了中場階段…

由於毫米波雷達具有準確測量目標距離和速度的能力,可以不受霧、雨、雪和強光等環境條件的影響,目前已經成為支援高階輔助駕駛和自動駕駛的主要感測方式,被廣泛應用於盲區檢測(BSD)、變道輔助系統(LCA)、自動緊急剎車(AEB)、自我調整巡航控制(ACC)、兩側來車警告系統(CTA)、後碰撞預警(RCW)、自動停車(APA)與代客停車(AVP)等多個領域中。在一些新興應用中,例如幼兒遺忘檢測系統、車內感應、腳踢開門、車門障礙物規避和自動停車,毫米波雷達也正日益受到青睞。

Yole Développement資料顯示,全球毫米波雷達市場規模預計將由2019年的205億美元成長至2025年的280億美元,年複合成長率為5%。其中,車載毫米波雷達市場規模預計將由2019年的55億美元成長至2025年的105億美元,年複合成長率達到11%。

從應用來看,L1目前需要實現ACC或者AEB功能,這樣的系統通常搭載一顆前向長距離雷達與攝影機組合,後向功能中的BSD/LCA等功能則需要兩顆後角雷達;到了L2,通常需要再額外多加裝兩顆前角雷達,以實現前向橫穿預警、帶轉向的AEB、自動停車等功能,並與數顆攝影機一起實現360度車輛環視。

在L2+/L3以上,攝影機和雷達感測器的數量會進一步增多,對感測器性能的要求也大幅提升。例如在L1、L2時,前向雷達只需具備辨別車輛或行人的能力即可,而到了L3+時則需要包括4D成像雷達在內的更高性能的雷達產品。

恩智浦半導體(NXP)預計,到2030年,L1至L2+的ADAS系統裝配率會超過85%,L2+及以上的ADAS系統的市場佔有率將會從2023年的5%快速成長到2030年的超過45%,毫米波雷達(包括4D成像雷達)和攝影機將互相輔助,成為ADAS系統中的主要感測器。

各地區新車碰撞測試(NCAP)強制要求汽車配備高階駕駛輔助系統功能才可獲得安全星級評級,也直接導致了毫米波雷達上車率不斷增加,並迎來了高成長率。以中國市場為例,在2021年8月發佈的CNCAP-2021中,主動安全部分得分佔比已經從15%增加到25%,並增加了BSD與AEB在白天辨識兩輪車的要求,以及AEB在夜間辨識行人的要求;在2020年第三季實施的JT/T 1178.1中,要求N3類車輛強制安裝AEB、車道偏離預警(LDW)和前方碰撞預警系統(FCW);中國工信部印發《汽車雷達無線電管理暫行規定》,確定從2022年3月1日起不再受理和審批24.25~26.65GHz頻段汽車雷達的無線電發射設備型號核准申請,並確定76~79GHz為汽車雷達使用頻率,進一步規範化了市場。

與此同時,汽車領域原始設備製造商(OEM)開始追求實現L2及更高安全等級的自動駕駛功能,同樣使得毫米波雷達感測器數量得到進一步增加。根據公開資料顯示,2021年中國搭載毫米波雷達的上市新車數量成長超過40%,產銷超過350萬量的新能源車ADAS裝配率相對更高,推動了整個汽車產業的毫米波雷達裝配率。

除了數量還需關注什麼?

「目前來看,成像雷達技術和今後基於更先進製程的單晶片雷達技術比較值得關注。」恩智浦半導體大中華區雷達產品市場經理楊昌對《國際電子商情》表示。

恩智浦半導體大中華區汽車電子首席系統架構師黃明達認為,2022年乃至今後幾年內,得益於射頻前端和處理器性能的不斷提升,晶片製程的不斷改進升級,能夠支援的波形和雷達演算法更加複雜,除了數量增加之外,車載毫米波雷達在探測距離、距離解析度、角度解析度(包括俯仰方向)、檢測和區分小目標等方面的能力會不斷提升,實現相同性能條件下的功耗會不斷降低。

黃明達進一步表示,整合趨勢今後主要會實現在中短距離雷達應用中,比如射頻前端和雷達處理器在更先進製程下的整合,甚至是天線與晶片封裝的整合,用來進一步降低系統成本,方便系統設計和應用。同時,隨著網域控制站運算力的提高,AI和深度學習在雷達領域的應用會進一步提高毫米波雷達,包括4D成像雷達的性能。

「舉例來說,L2+及以上的ADAS系統在前向和角向應用上對4D成像雷達的需求在不斷提升。而4D成像雷達需要多顆雷達射頻前端進行級聯,並且需要強大的訊號處理晶片去處理級聯的多路雷達訊號。」黃明達說,透過多個射頻前端的級聯,再配合高性能雷達訊號處理器組成的4D成像雷達,可以進一步提升毫米波雷達的性能,對汽車周圍環境進行精確描繪,並對各種目標,比如正在高速超越緩慢行駛的重卡的摩托車,從遮擋視線的靜止車輛後跑出來的兒童,甚至是車道上掉落的輪胎等進行檢測和分類。

但黃明達也同時提醒業界,當整個毫米波雷達的裝配率佔所有車輛的比例50%的時候,雷達會受到相互間的干擾的概率大概是90%甚至以上,所以這是今後所有毫米波雷達都需要去解決的一個問題。

德州儀器(TI)汽車雷達產品市場工程師Bhavin Kharadi對此有著相同的看法。他指出,隨著具備更高探測高度和俯仰角探測能力的角雷達,以及有著更長探測距離和更好空間解析度的前置雷達/成像雷達的不斷出現,技術供應商一方面在不斷提高雷達感測器的性能,並嘗試將雷達功能整合到單個積體電路中以減小線路板面積;另一方面,汽車架構正隨著新介面的出現而轉向車載乙太網路,智慧雷達感測器使用的邊緣雷達感測架構,也正向使用感測器探桿和安全網路的區域架構式(Zonal)或衛星架構式(Satellite)感測系統等方向發展。

另一個有意思的話題是,2~3年前,當毫米波雷達開始逐步興起的時候,有些公司選擇在同一晶片中盡可能增加整合的收發通道的數量,而有些廠商則願意透過整合更多的MCU/DSP以提高數位處理能力。目前,這兩種技術的發展方向是否依舊如此,還是已經走向了融合?

「角雷達和前置雷達的要求是不同的。」Kharadi解釋,為了減少尺寸和成本,角雷達需要射頻和數位處理的高度整合;而前置雷達為了實現更好的空間解析度和更遠的檢測範圍,則需要更多收發通道的整合。但今後,隨著自動駕駛向更高水準邁進,不排除這兩種需求實現融合的可能。

恩智浦的看法是:兩種技術都在不斷演進和發展,它們並不矛盾,只是應用的方向不同。射頻前端和MCU/DSP整合在一起的雷達晶片,更側重於中短距離的前向和角向汽車雷達應用,需要採用合適的半導體製程來平衡射頻晶片和訊號處理晶片的不同需求,從而達到性能、功耗和成本的最佳化。

考慮到類比晶片的製程升級節奏與數位電路並不一樣,例如MMIC晶片選用45nm製程,MCU選用16nm製程時,MMIC晶片整合MCU/DSP是否仍然是個好的選擇就值得商榷。因此,在短距離雷達產品領域,還出現了一些將MMIC和MCU/DSP整合在一個封裝內的設計,或者是採用MMIC晶片和MCU晶片各自獨立的設計方案。

而將大量的收發通道都整合在同一晶片裡的做法,主要是為了提高雷達的性能來滿足4D成像雷達的需求,相對來說會面臨更多挑戰,比如晶片的功耗、散熱、可靠性、天線陣佈局、饋線的插損、系統成本、軟體和演算法的複雜度,以及雷達應用的可擴展性等。

4D成像雷達正升溫

近年來,由於能夠以低於光達(LiDAR) 6~10倍的成本提供類似的性能,高解析度毫米波雷達(也有人稱之為「4D成像雷達」)得到了業界的普遍關注。

所謂「4D成像雷達」,就是與現有的傳統毫米波雷達相比,其在水準和俯仰方向上的解析度得到極大提高,可以在任何光照或天氣條件下,將雷達的功能從測量距離、速度、水準方位角擴展到涵蓋距離(Range)、方位(Azimuth)、俯仰角(Elevation)和相對速度的測量,顯著增強了雷達的性能。

如果用數字加以定量描述,4D成像雷達可以實現超過300公尺的探測距離,可以在水準和俯仰方向上達到小於1度的解析度,輸出類似光達的點雲。也就是說,4D成像雷達可以用很高的解析度去探測物體的距離、速度、水準角度和高度,並透過點雲對環境和目標的輪廓進行描述並分類,從而滿足L2+ ADAS系統的需求。

當然,也只有這樣,它才能夠不僅可以「理解」水平面,還可以「理解」垂直平面,真正把前方探測到的物體輪廓大概描繪出來,從而幫助車輛判斷是在物體「下方」還是「上方」行駛。Yole Développement的預測稱,4D成像雷達將首先出現在豪華轎車和自動駕駛計程車上,這會帶來5.5億美元以上的投資,並在2020~2025年間以124%的複合年成長率(CAGR)成長。

根據楊昌的介紹,在CES 2022展會上,恩智浦展示了由多顆級聯TEF82xx雷達射頻晶片,並結合S32R45或S32R41雷達處理器晶片所建構的4D成像雷達方案,可實現360度環繞感知,從而滿足L2+~L5的自動駕駛需求。該方案最大的亮點在於率先提供了短距、中距、長距三合一的併發多模雷達感測,可實現對汽車周圍寬廣視場的同時感測。為了達到這個目標,恩智浦利用創新架構,通過配置低複雜度感測器實現了192個虛擬天線通道,來提高原始感測器硬體的性能。

那麼,成像雷達會替代光達嗎?

從成本角度看,毫米波雷達肯定比光達成本低;從產業發展角度看,毫米波雷達產業成熟年份比光達早5~10年左右,尤其相較固態光達更是如此,所以毫米波雷達成本非常有優勢。

相關報告顯示,攝影機與毫米波雷達成本攝影機單價一般在600美元以下,其中單眼攝影機單價區間大致在150~600美元左右,環視攝影機區間在70~500美元左右。毫米波雷達市場中,近程雷達單價在300~400美元左右,遠端雷達在800~1,200美元左右。由Mobileye提供的自動駕駛視覺方案單車總價在幾百美元。

作為「最後一塊沒有啃下的骨頭」,由於至今為止還沒有將成本做到夠低,導致沒有夠多的車型搭載光達。但艾邁斯歐司朗(ams OSRAM)市場與業務發展總監金安敏表示,中國消費者普遍更年輕,也更喜歡新事物,對自動駕駛的嘗鮮和體驗會帶來一波光達需求明顯的成長,接下來的2~3年,將可望成為光達進入車載領域的一個爆發期。

「有的企業一直強調不需要光達,甚至不需要毫米波雷達,認為使用車載攝影機就能完成自動駕駛的任務。嚴格來說,實際情況不是這樣的,相信業界絕大部分的車企和系統供應商都有這樣的結論。」金安敏說,他不認為4D毫米波雷達和光達在本質上存在競爭關係,因為兩者各有優勢,要真正實現L4、L5的自動駕駛,光達、毫米波雷達和車載攝影機的組合是必不可少的。

Velodyne Lidar商務長Sinclair Vass表達了同樣的看法。在他看來,由於存在旁瓣問題和多種感測器類型可探測性差等缺點,毫米波雷達試圖接近低階光達解析度的想法目前都還無法實現。但這並不妨礙業界對多種感測器模式的需求,儘管毫米波雷達的應用範圍在不斷擴展,但雙方不是「非此即彼」的關係,兩者都是實現絕對安全的自動化車輛導航所必需的。

或者換一種說法,對於L2+及以上的自動駕駛,在成本允許的前提下,可以考慮導入光達實現更精確的環境建模和定位,形成毫米波雷達、光達和攝影機互為冗餘備份和補充的系統,使得自動駕駛系統能夠更加精確而穩健的感知環境,做出準確和安全的決策和規劃。所以,綜合來看,「未來的技術發展並非幾種方向選擇其一這麼簡單。」Vass說。

但值得注意的一個問題是,當多感測器共存時,如何確保系統在面對眾多資訊資料時做出的決策是正確的?黃明達回應,從多感測器融合策略角度講,有競爭性融合、互補性融合、合作性融合等類型;從融合資料角度來說,有目標級融合、特徵級融合、資料級融合等。系統如何融合各個感測器的資料並做出正確的決策,取決於所用的感測器組合能夠輸出的資訊、網域控制站的能力、汽車整體的電子電氣(E/E)架構,以及汽車所處的應用場景等各個方面。

金安敏則指出,「這是在整個自動駕駛的軟體、演算法層面要解決的一件事。」首先從硬體層面,要對路況進行辨識,單一的攝影機只有一個解,前方有人或者沒有人。但是如果它錯了呢?如果融合了攝影機、毫米波雷達,光達,甚至短距的超聲波感測器,有3~4種甚至5種感測系統,這時候就可以做投票的選擇。

此外,還可以在時間序列上、探測距離上不斷地「投票」來做出正確判斷,這時候多感測器是解決上述問題的關鍵所在,就是提供足夠多的資訊,進行投票選擇。如果只應用一個資訊,一旦資訊是錯的,就會產生嚴重的誤判。

「我們堅信,自動駕駛車得到廣泛採用的前提是絕對的安全性,那麼使用堆疊式感測器而不是純視覺系統是確保車輛絕對安全運行的最佳方法。」Vass舉例,在最近進行的一次夜間測試中,他們將配備攝影機和雷達的特斯拉(Tesla)與自有的Velarray固態光達感測器進行了比較。測試結果顯示,Velodyne的光達解決方案一次又一次地及時停下來挽救行人生命,而特斯拉卻沒有。

高居不下的光達成本

隨著當前自動駕駛技術向更深層次應用邁進,為了達到未來L4/L5車輛運作所需的10-9錯誤率,光達正成為必不可少的工具。它可以生成數以千萬計的資料點來形成點雲,提供周圍環境的3D地圖。透過點雲資料,光達感測器可以説明自動駕駛車輛的應用程式以更高效、更準確、更私密和更安全的方式對周圍環境,包括目標物體和人員的位置,進行監測導航,以確保安全並防止發生事故。

改善道路安全和保護環境是最能體現光達優勢的兩個方面。光達可以捕捉高畫質3D資訊,通過為車輛展現更詳細的周圍環境,最大限度地提高道路安全,並能夠更有效地保護道路上的行人,幫助實現安全出行。另一方面,由光達支援的高階駕駛輔助系統和互連自動駕駛車可以帶來強大的環境效益。例如,光達可用於建構汽車的自動化行人剎車系統,協助自動駕駛車確保道路安全,改善交通壅塞。同時,還可以節省燃油,延長車輛的使用壽命。

Yole Développement預計,光達應用是目前汽車產業成長最快的細項之一。從出貨量看,2025年全球光達出貨量約為470萬個,2030年將達2390萬個;從銷售額看,2025年全球光達銷售額約61.9億美元,2030年將達139.32億美元。

但目前因為成本問題,光達還沒有迎來裝車的爆發期。根據《2021麥肯錫汽車消費者洞察》顯示,九成受訪者認為輔助駕駛有意義,10~35%的消費者願意為L2的輔助駕駛支付人民幣2,200~4,100元的價格,而L2.5/L3的價值更大,15~30%的受訪者的心理價位在人民幣3,800~4,900元之間。

顯然,現在的光達方案相比消費者的預期心理價位仍還存在一定差距,然而中國市場對車載光達的需求又非常火熱,很多「造車新勢力」甚至提出要把光達做成標配,不少傳統車廠和新能源車品牌也都陸續公佈了自己的光達與自動駕駛規劃。僅在2021年,小鵬P5、蔚來ET7、智己L7、WEY摩卡、極狐•阿爾法S、寶馬iX等均宣佈將在新車上搭載光達。金安敏預測,今明兩年這樣的趨勢不會停歇,從而為有效帶動光達成本的下降做好準備。

2~3年前,業界曾提出「光達一定要做到幾百美元以下才能實現大規模應用」的觀點。那麼,這是否意味著,一旦突破了成本瓶頸,光達在汽車領域的商用落地過程就會「一帆風順」呢?金安敏對此給了否定的回答。他指出,除了成本,汽車客戶還會比較關注光達是否通過車規要求?長期可靠性和安全性如何…等問題。相比之下,國外市場對於光達的落地比中國會更加審慎或者保守,國外汽車品牌對於規模化上量車載光達的時間計畫也都相對較晚,普遍都在2024年之後。

Vass表示,進一步降低成本的確是光達實現廣泛應用的關鍵,尤其是在汽車產業。但除此之外,相關業者還需要在測距、解析度、精準度、視場、價格等眾多因素中找到最佳平衡,並不斷進行技術創新,讓光達在所有應用中更加可負擔、易使用,進而讓光達無所不在。

本文原刊登於國際電子商情網站

 

 

 

 

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