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从零到一,MEMS激光雷达的车规量产梦想照进现实

2021-02-05 18:23 出处:未知 人气: 评论(0
随着L2以上的高阶自动驾驶功能进入量产阶段,激光雷达上车已经成为行业共识。

目前,市面上新老玩家齐聚,各家技术路线复杂多元,机械式、混合固态、MEMS、FMCW、Flash等各类产品百花齐放。

其中,MEMS技术路线的产品正在急速升温。

MEMS全称是Micro-Electro-Mechanical System,也就是微机电系统。这种基于半导体工艺的微系统,使激光雷达的小型化、轻量化以及大规模制造成为可能。

在一径科技创始人、CEO石拓看来,未来五到十年,MEMS激光雷达会成为市场上的主流产品,抢占一半以上的市场份额。

一径科技作为致力于MEMS路线的激光雷达团队,今年年初在美国CES展带来两款产品:

 

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① ML-30s:面向短距应用场景的大视场角MEMS固态激光雷达,视场角达到140°×70°,等效线束高达160线,角度分辨率小于0.5 °。

② ML-X:面向长距应用,能够提供200米的低反物体高测量精度的探测,角分辨率为0.1°的超远超高分辨率立体成像产品。

目前,一径科技的MEMS激光雷达在多个关键细分领域,如商用车、乘用车、Robotaxi和AGV机器人,实现了行业落地,并拿到了相关头部客户和主机厂的定点订单。

目前一径科技公开披露的客户合作包括:专注自动驾驶卡车应用的嬴彻科技,以及广汽在去年11月发布的新一代Robotaxi方案。

为了满足主机厂对激光雷达上车日益增长的需求,一径科技在去年7月已经在常熟启用5000平米的车规级MEMS激光雷达生产基地,工厂一期产线的规划产能为5万台。同时,一径表示该产线也会进一步自动化升级,以提高生产一致性和效率。

1. 激光雷达大规模上车的序幕

在全球上百家的激光雷达公司中,真正有成熟商业应用的车载激光雷达产品的厂家寥寥无几,仅有少数几家能够提供,资历最老的当属以机械转镜式激光雷达著称的法雷奥。

而在新晋玩家中具有代表性的,当属新晋全球激光雷达市值第一名的Luminar和总部位于以色列的Innoviz。前者的产品属于混合固态激光雷达,后者则提供MEMS激光雷达。

目前,已经拿下量产订单的国内激光雷达供应商主要有Innovusion、Livox、一径科技、华为。

• Innovusion押注混合固态激光雷达,目前已经锁定了蔚来ET7上的量产订单;

• 大疆孵化的Livox与同为造车新势力的小鹏汽车合作,将在小鹏的第三款车型上实现前装量产,搭载产品为一款定制的浩界 Horiz;

• 华为激光雷达的量产客户,目前为北汽的ARCFOX,首款搭载车型是HBT。

在技术路线选择上,国内的厂商(如华为、禾赛、Livox )均采用混合固态激光雷达路线。

其中,华为和Innovusion搭载的是机械转镜激光雷达,Livox 则采用了特殊的旋转棱镜方案。

一径科技则是MEMS激光雷达路线的践行者。

从创立之初到现在的三年多时间里,这家企业紧紧瞄准全固态MEMS激光雷达技术路线,自研芯片,自建工厂,发布业界首个MEMS整车解决方案,逐步拿下头部车企订单…

也是类似一径这样的技术公司持续不断地在固态激光雷达商业化道路上开疆拓土,使激光雷达车规量产的梦想照进现实。

在进一步展开之前,我们需要先厘清一个概念,MEMS激光雷达究竟是否为固态激光雷达?

在一径科技看来,硅基MEMS器件是基于成熟的半导体制备工艺实现的,这使它区别于传统的金属机械结构部件(电机、转子等),能随着大规模量产会带来成本大幅降低。

同时,MEMS激光雷达的高可靠性,能够满足严苛的车规要求,特别是在机械振动、冲击和寿命方面要远远好于机械式激光雷达。

 

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从成本和可靠性两个维度看,MEMS激光雷达完全符合车企对车规级指标的要求,并且在成本上也能够做到平价量产。而这两点正是机械式激光雷达难以攻克的问题。

因此,一径科技认为MEMS路线的产品,可以归入固态激光雷达的品类。

从量产上车情况看,从2017年开始,主机厂最先选择了机械式激光雷达进行量产,因为市面上当时可选的车规级产品仅有法雷奥的SCALA一款,搭载SCALA的车型主要瞄准的是L2级的自动辅助驾驶应用。

而从今年开始,借着蔚来ET7和小鹏P5等车型量产的东风,机械转镜激光雷达成为当红的品类之一。

再往后看,固态激光雷达将成为主流产品,目前不少公司也在围绕这一赛道进行研发,MEMS是其中最重要的技术路线之一。

MEMS技术的优点在于:芯片对于激光雷达发射光路的控制非常灵活,可以实现激光雷达线束的快速扫描,其等效线束能够轻易突破一百线甚至是两百线;MEMS激光雷达不含有机械转轴的部分,从而避免了机械式激光雷达中轴承因金属疲劳导致的使用寿命问题,以及超高速轴承在振动和冲击工况下的失效。

不过MEMS也有它的局限性,即MEMS器件的核心结构是尺度很小的悬臂梁结构;如果芯片设计或者器件选型不得当,会因为外界的振动或者冲击导致断裂,一径科技通过创新性的系统设计和芯片设计,实现了超强的振动和冲击可靠性。

综合来看,在当前的市场中,MEMS在成本、可靠性、可量产性方面均具有极强的优势,因此成为一径科技等公司选择的关键赛道。

2. 一径科技如何杀出重围?

2017年11月,一径科技成立。

由于创始团队早在2012年便开始了MEMS激光雷达工程化相关的工作,在光电芯片、ASIC芯片上有很深的研发基础。同时团队对主流的激光雷达技术路线具有的深刻的认识,特别是可靠性相关的数据。

2017年,创始团队看到了自动驾驶对激光雷达成本、可靠性和落地时间的明确诉求,经过前期的充分调研与准备工作,公司决定选择MEMS激光雷达技术路线。

当时的市场上,国内激光雷达创业公司主要选择机械式激光雷达路线,一方面有已成熟的案例可以借鉴,另一方面供应链资源相对更丰富。但是对于MEMS激光雷达而言是相对空白的。

首先从系统设计层面,需要从底层的芯片方案,光学系统,硬件设计,再到上层的信号处理,摆在一径科技面前有两个挑战:既需要研发团队从零到一的研发,同时还需要开发、驱动供应链来为MEMS激光雷达体系提供支持。

此外,由于一径科技团队也着眼于产品的商业落地速度,除了要关注产品的性能,还要关注产品在各种工况下的适应性和各类激光雷达的功能,比如脏污检测、抗干扰、阳光噪点抑制、车载以太网等。

基于此,一径科技的研发团队在激光雷达信号处理和功能开发上,花费了大量的功夫。

2019年1月,一径科技的激光雷达产品首次登陆CES展,当时其发布了首款ML系列MEMS激光雷达。

次年的CES展上,一径科技又发布了全球首个覆盖长距、中短距应用的MEMS激光雷达全套解决方案,特别是全球第一款超广角补盲MEMS激光雷达ML-30s。

从首款产品亮相到拿下主机厂订单,一径科技仅用了三年时间。

这得益于MEMS激光雷达相比机械式激光雷达更符合车规要求,更得益于一径科技在光电芯片自研和激光雷达系统设计等关键环节上的积累。

与其他MEMS激光雷达厂商相比,一径科技在技术上主要有两大特色:

一径科技将MEMS激光雷达的发射端与接收端解耦:其做法是,通过自研核心接收APD+ASIC阵列芯片,使其接收端的APD芯片能够完美适配相应的接收光学系统,等效的增大了接收孔径,从而获得更强的光信号。

系统设计层面,针对不同应用场景,一径科技采用了不同光源方案。针对短距应用,采用的是905nm的方案,而在远距应用则采用峰值功率更高的1550纳米激光源,在人眼安全的前提下实现了更远距离的探测。

根据一径科技官方信息,ML-30s可以提供140°x70°的大视场角,70°的超大垂直视场角,可以大幅增加车辆的视野范围,提供宽视场角高分辨率的3D感知覆盖,将车身周边盲区的危险系数降到最低。

 

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ML-X能够提供高达200米的低反物体高测量精度的探测,角分辨率为0.1°。超远探测距离超高分辨率的立体成像能力,可以为高速运行的智能驾驶车辆提供可靠的安全保障。

 

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兼顾盲区短距场景和远距高速场景,是一径科技激光雷达方案的特点之一。

如果与行业里的现有产品对比:

ML-30s的水平视场角为140°,垂直视场角70°,要实现360度的覆盖,需要3~6个

相比于市面上其他的激光雷达方案,则至少需要5~8个才能实现同等程度的水平覆盖。

此外,ML-30s在垂直视场角的覆盖范围上优势更为明显。

3. 奔赴量产之路

产品上车前的关键一步,是满足车规级的要求。

一径科技在成立之初的样品研发阶段就进行了充分考量。

从MEMS机械冲击实验看,其器件可以承受1000G的冲击;在极端的高低温环境试验中,可以做到角度偏差0.1°以内。

石拓告诉汽车之心,工程开发阶段没有太多可以取巧的地方,要将激光雷达系统方案设计得当,还要兼顾系统层面开发,包括硬件系统、算法系统的鲁棒性、防振动冲击,以及对光学系统在高低温情况下受到的影响进行充分的仿真验证等等。

在生产建设方面,一径科技常熟工厂已经于2019年底启动运行。一期工厂年产能规划5万台,可满足2020年到2022年三年的产能需求。到2022年,会有进一步扩产计划。

 

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一期工厂规划5万台是基于现在的自动化系统的设计去考量的,接下来会进一步提高自动化效率,实现更大的产能。

第一阶段实现的是标定,整个生产标定环节可以一键式操作。

第二阶段要做的是生产组装的自动化。

从整个产品推进节奏看,一径科技最初的客户主要面向L4。

最先推出的ML-30S,是典型的面向L4级自动驾驶的产品,主要满足车身周边和盲区。

后来推出的ML-X主打长距,主要面向L2以上的自动驾驶系统。

石拓表示,“在2020年,一方面,L4级别的自动驾驶客户在推进MEMS激光雷达上车是很快的。另一方面,国内主机厂在2020年下半年的激光雷达规划也在提速,远远高于之前行业对L3量产时机的预期。在我看来,2021年会有很多的量产项目落地,2022年会有更多搭载激光雷达的量产车型上市。”

眼下,蔚来、小鹏、理想等造车新势力,以及北汽ARCFOX、长城、长安均有激光雷达上车规划。

面对这一趋势,一径科技计划2021年年底将激光雷达面向L3的长距产品做到SOP量产。

石拓认为,整个市场,最终还是会选择真正能够量产装车的产品,MEMS激光雷达无论在成本和可靠性上,均能做到后来居上。

作者 / 张祥威

编辑 / 王德芙

出品 / 汽车之心

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