激光雷达技术在汽车和手机上的应用进展

工程18（2022）3新闻亮点片上LiDAR技术在汽车和手机领域的应用进展米奇·莱斯利高级技术作家当谷歌在2010年推出其自动驾驶汽车原型时，吸引了最多评论和一些嘲笑的功能是安装在车顶上的旋转的13公斤气缸光探测和测距（LiDAR）传感器。就连谷歌自动驾驶汽车开发项目的负责人也开每个传感器的价格为75，000美元，也是汽车中撇开美学不谈，这些装置然而，在短短十多年的时间里，激光雷达设备及其成本大幅下降。它们现在体积小，价格便宜，可以包含在一些消费电子产品中，例如Apple iPhone[4]。一些国家的消费者还可以购买安装有不显眼的激光雷达设备的汽车-提供该技术的生产模型已经从一些制造商那里获得，包括中国通用汽车和沃尔沃是老牌汽车制造商之一，将在明年左右开始销售自己的激光雷达汽车。今天的许多这些激光雷达设备不是旋转的激光阵列，而是依靠多种其他策略来绘制周围环境，包括微型镜子和摇摆的液晶。这些策略之间的竞争正在加剧，而哪些策略将被证明是最有用的仍然不确定。将所有LiDAR组件压缩到单个芯片上的最佳方式是一个巨大的研究挑战，也是行业的圣杯，”美国加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授Ming Wu说。激光雷达设备通常每秒发出数百万个激光脉冲，这些激光脉冲会从附近的任何物体上反射回来，例如行人、骑自行车的人、其他汽车、路面、建筑物和树木[10]。然后，传感器检测反射并使用它们来创建令人耳目一新，三维重建的环境（图。 2）[11]。自动驾驶车辆通常还依赖于其他传感器，例如雷达和摄像头。但激光雷达是有吸引力的，因为它提供了高空间分辨率，可以测量物体的距离和速度，并且可以在夜间和大多数几乎每一家开发自动驾驶汽车的公司都采用了LiDAR，其中最引人注目的是特斯拉，其首席执行官Elon Musk曾称LiDAR为“LiDARFig. 1. (a)来自美国加利福尼亚州帕洛阿尔托斯坦福大学的原型自动驾驶大众汽车和（b）来自Waymo（Mountain View，CA，USA）的机器人出租车，谷歌图片来源：（a）Flickr（CC BY 2.0）;（b）Waymo（公共领域）。图二.当自动驾驶汽车行驶时，它的激光雷达系统会创建一个不断更新的三维地图-一个图片来源：Velodyne LiDAR（公共领域）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.09.0032095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engM. 莱斯利工程18（2022）34××安全监控和警用测速枪在iPhone中，LiDAR有助于聚焦摄像头，提高工具的准确性，就像卷尺一样，并允许增强现实，用户可以用虚拟信息和对象（如游戏角色，商店价格或家具）分层查看周围环境。片上激光雷达设备提供了几个优于标准旋转单元的优点[11]。例如，对自动驾驶汽车屋顶LiDAR装置的主要担忧之一是，它们的移动部件是否能承受十年或更长时间的崎岖驾驶。由于许多片上激光雷达设备省去了可能会损坏或磨损的移动部件，因此它们可能更可靠[9]。吴说，由于片上器件依赖于与计算机芯片相同的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术然而，理想的基于芯片的LiDAR汽车设备必须满足精确的要求，需要检测200 m处反射率仅为10%的物体，提供120°x 20 °的最小视场，并提供0.1°的角分辨率[9]。最重要的是，每个单位的理想成本应该在100美元左右。为了达到这样的性能和成本标准，十几家公司和许多致力于开发和改进片上LiDAR设备的学术研究人员已经采取了一系列方法[13]。这些工程师必须解决的一个问题是如何扫描表面以识别潜在的危险。旋转的、安装在车顶上的LiDAR设备可能不吸引人，但它们很容易满足这一功能[14]，并且可以捕获车辆环境的360°但对于片上设备来说，扫描具有所谓的微机电系统（MEMS）的设计调整微小反射镜的角度，以使激光在视场中移动[11]。在这一战略上下注的公司包括德国慕尼黑的初创公司Blickfeld和以色列的Innoviz，后者与Volk-Volk签订了合同[15，16]。然而，批评者抨击MEMS方法，因为它包括可能无法承受大量使用的移动部件[17]。另一种扫描策略涉及具有多行天线的光学相控阵列，每个天线发射具有特定相位的激光脉冲[11]。来自不同天线的脉冲合并形成相干波束。为了改变光束的方向，该装置改变由某些天线产生的光的相位，从而产生干涉。干涉是相消的还是相长的决定了光束指向的方向。 美妙之处在于方向是通过电子改变相移来控制的。没有机械运动部件，利用这个方案，Hashemi和他的同事们已经开发了几个原型设备，其中一个具有1024个天线，提供一维扫描，并安装在一个5.7 mm 6.4 mm芯片[18]。 其他研究人员，包括吴和他的同事，也在研究它们[19]。但哈希米说，这项技术面临着一个很大的障碍。阵列中的元件需要相隔半个波长，对于LiDAR来说是0.50-0.75 m。‘‘You needto cram all of the necessary components into that tiny space,” hesaid, which can limit the resolution of the devices2022年，吴和他的同事描述了另一种类型的片上激光雷达，一种类似于数码相机传感器的焦平面开关设备[20，21]。芯片上的16384个像素中的每一个都包含一个发射光的天线，然后通过一个透镜将光引导到目标。同样的天线也能感应到从周围物体反射回来的光。该设备通过控制激光来移动扫描光束一种特定的天线模式在该团队他说，到目前为止，还没有这种焦平面开关激光雷达设备投入这些只是公司和研究人员正在追求的几种扫描策略。以及如何扫描环境只是设计片上LiDAR设备的工程师必须做出的选择之一。另一个问题是如何确定与环境中物体的距离。大多数激光雷达设备使用飞行时间传感器来测量激光脉冲反弹所需的时间[14]。但是调频连续波设备通过比较原始和返回光束的频率进行计算[22]。LiDAR设计在其他方面也有所不同，包括他们使用的激光器类型[14]。虽然一些专家预测一些现有制造商将消失[23]，但到目前为止已经进入市场的产品表明，片上激光雷达“显然正在成熟，”英国剑桥技术和产品开发公司The Technology Partnership的顾问Alex Coney说。他说，成本是该行业需要改进的一个关键领域。公司通常对其LiDAR单元的价格含糊其辞，但总部位于美国加利福尼亚州圣何塞的LiDAR开发商Luminar透露，它正在为2022年推出的新沃尔沃车型制造的传感器将花费500- 苹果之所以能够在iPhone中加入激光雷达，是因为其高端产品的购买者-最终产品愿意为此付费[25]。但在2021年，苹果的竞争对手三星（生产各种更便宜的手机）宣布将不再在其型号中包含LiDAR，理由是成本和缺乏消费者兴趣。然而，吴说，他希望随着公司利用与大规模半导体制造相关的固有效率，成本将下降。引用[1] 阿马迪奥河谷歌旗下Waymo投资LiDAR技术，成本削减90%纽约市：Ars Technica;2017 年 1 月 9 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://arstechnica.com/cars/2017/01/googles-waymo-invests-in-lidar-technology-cuts-cost-by-90-percent/。[2] 阿克曼E.谷歌纽约市：IEEE Spectrum; 2010年10月12日[引用于2022年7月25日]。可从以下网址获得：spectrum.ieee.org/googles-autonomous-car-takes-to-the-streets[3] 麦克法兰自动驾驶汽车的75，000美元问题正在消失。华盛顿特区：华盛顿邮报 ;2015 年 12 月 4 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 ：https://www.washingtonpost.com/news/innovations/wp/2015/12/04/the-75000-problem-for-self-driving-cars-is-going-away/.[4] 斯坦·S LiDAR是iPhone和iPad最酷的技巧之一。这是它还能做的（互联网）。旧金山 ： CNET;2022 年 2 月 7 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 ：https://www.cnet.com/tech/mobile/lidar-is-one-of-the-iphone-ipad-coolest-tricks-its-only-getting-better/.[5] Rochiar J. EV制造商Lucid推出其最新的特斯拉竞争对手，这是一款高性能豪华轿车，续航里程为446英里。 纽约市：CNBC; 2022年4月12日[引用于2022年7月25日]。可从：https://www.cnbc.com/2022/04/12/清晰的空气大旅游性能首次亮相与1050马力446英里范围。[6] 卡帕尔河Xpeng股价上涨，此前中国电动汽车制造商连续第二个月交付超过10，000辆汽车。纽约市：CNBC; 2021年11月[2022年7月25日]。可从以下网站获得：https://www.cnbc.com/2021/11/01/xpeng-delivers-more-than-10000-cars-in-martuber-hong-kong-shares-rise.html。[7] 布兰科·S沃尔沃安阿伯：汽车和司机; 2022年1月9日[引用2022年7月25日]。可从以 下 网 站 获 得 ： https://www.caranddriver.com/news/a38704761/volvos-self-driving-ride-pilot-california/。[8] Gitlin JF.通用汽车准备为2023年推出高通动力的Ultra Cruise驾驶员辅助系统。纽约市：Ars Technica; 2022年1月7日[引用2022 年7月25日]。可从以下网站获取：https://arstechnica.com/cars/2022/01/gm-readies-qualcom-powered-ultra-cruise-driver-assistance-for-2023-launch/。[9] López JJ，Mahony T，Kim S.麻省理工学院剥离建设新的固态激光雷达芯片系统[互联网]。纽约市：IEEE Spectrum; 2020年12月1日[引用2022年M. 莱斯利工程18（2022）357 月 25 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ： https://spectrum.ieee.org/kyber-photonics-solid-state-lidar-on-a-chip-system。[10] 戴维斯湾什么是LiDAR，为什么自动驾驶汽车需要它，它能看到Nerf子弹吗？旧金 山 ： 连 线 ; 2018 年 2 月 6 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://www.wired.com/story/lidar-self-driving-cars-luminar-video/[11] 李 TB 。 为 什么 专 家 认为 更 便宜 ， 更 好 的激 光 雷达 就 在 拐角 处 纽 约市 ： ArsTechnica; 2018 年 1 月 1 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://arstechnica.com/cars/2018/01/driving-around-without-a-driver-lidar-technology-explained/。[12] 伯恩斯湾 旧金山：TechCrunch; 2019年4月22日[引用于2022年7月25日]。可查阅：https://techcrunch.com/2019/04/22/anyone-relying-on-lidar-is-doomed-elon-musk-says/。[13] 兰瓦拉湾汽车激光雷达已经到来[互联网]。纽约市：福布斯; 2022年5月23日[引用2022年7月25日]。网址：https://www.forbes.com/sites/sabbirrangwala/2022/05/23/automotive-lidar-has-arrive。[14] 李TB。为什么旋转激光雷达传感器可能会在未来十年内出现？纽约市：ArsTechnica; 2018 年 5 月 7 日 [ 引 用 于 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 查 阅 ：https://arstechnica.com/cars/2018/05/why-bulky-spinning-lidar-sensors-might-be-around-for-another-decade/。[15] 银D。Blickfeld银行在镜子上做一个更好的LiDAR [互联网]。纽约市：福布斯;2022 年 1 月 18 日 [ 引 用 2022 年 8 月 12 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ： https ：www.forbes.com/sites/davidsilver/2022/01/18/blickfeld-banks-on-mirrors-making-a-better-lidar/？sh=21dcca0045d5。[16] Lienert P. LiDAR制造商Innoviz与大众汽车签署了40亿美元的供应协议。伦敦：路 透 社 ; 2022 年 8 月 2 日 [ 引 用 2022 年 8 月 22 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://www.reuters.com/business/autos-transportation/lidar-maker-innoviz-signs-4-bln-supply-deal-with-volks-2022-08-02/。[17] 罗斯体育。Lumotive说它有一个真正能工作的固态激光雷达。纽约市：IEEESpectrum; 2019年3月21日[引用于2022年7月25日]。可用来 自 ： https://spectrum.ieee.org/lumotive-says-its-got-a-solidstate-lidar-that-really-works。[18] Chun S，Abediasl H，Hashemi H.在绝缘体上硅CMOS单片集成的大规模光学相位阵列。 IEEE J Solid State Circuits 2018;53（1）：275-96.[19] WangY，Zhou J，Zhang X，Kwon K，Blanche PA，Triesault N，et al. 采用大规模MEMS光学相控阵的2D宽带波束控制。Optica 2019;6（5）：557-62.[20] Choi CQ.微型固态激光雷达提高了百万像素竞赛的风险[互联网]。纽约市：IEEE频 谱 ; 2022 年 3 月 8 日 [ 引 用 2022 年 7 月 25 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://spectrum.ieee.org/solid-state-lidar[21] Zhang X，Kwon K，Henrikkson J，Luo J，Wu M.一种基于大规模微机电系统的硅光子激光雷达。Nature2022;603（7900）：253-8.[22] Hecht J. Lasers for LiDAR ：FMCW LiDAR ： an alternative for self-driving cars.Nashua：Laser Focus World; 2019年5月31日[引用于2022年7月25日]。 可从以下网站获得：https://www.laserfocusworld.com/home/article/16556322/lasers-for-lidar-fmcw-lidar-an-alternative-for-selfdriving-cars。[23] 戴维斯湾现在有很多LiDAR公司。他们不能都生存[互联网]。旧金山：连线; 2020年1月8日[引用2022年7月25日]。 可从https://www.wired.com/story/too-many-lidar-companies-cant-all-survive/获得。[24] 奥恩斯曼Luminar纽约市：福布斯; 2022年1月5日[引用2022年7月25日]。可从以下网站获得：https://www.forbes.com/sites/alanohnsman/2022/01/05/luminars-laser-sensors-to-be-standard-in-volvo-cars-new-ev-line。[25] 诺吉河三星放弃手机中的激光雷达传感器[互联网]。Nashua：Laser FocusWorld; 2021年6月24日[引用于2022年7月25日]。可从以下网址获得：https：//www.example.comwww.laserfocusworld.com/blogs/article/14205758/samsung-abandons-lidar-sensors-in-phones。