华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

事项:

2020 年 12 月,中国汽车工业协会主办的 T10 ICV CTO 峰会在上海召开,华为首次面向行业正式发布车规级高性能激光 雷达产品和解决方案。这是一款 96 线中长距激光雷达产品,可以实现城区行人车辆检测覆盖,并兼具高速车辆检测能力, 更符合中国复杂路况下的场景。华为的激光雷达产品在性能与可靠性方面都满足车规级要求,依托在光通讯领域积累的 精密制造能力以及先进工艺装备实验室,华为快速建立了第一条车规级激光雷达的第一条 Pilot 产线,已按照年产 10 万 套/线推进产能,以适应未来大规模量产需求。

国信汽车核心观点:本文是国信汽车华为系列之八,继 3 月华为汽车深度报告,4 月充电模块发布跟踪点评,5 月“5G 汽 车生态圈”跟踪点评、华为量产车型专题,6 月华为《自动驾驶网络解决方案白皮书》解读,11 月华为智能汽车解决方案 品牌 HI 点评,12 月华为 MDC 智能驾驶计算平台点评后的第八篇华为系列报告。本文主要从华为发布的 96 线中长距激 光雷达产品入手,在华为“云-管-端”的产品架构下,结合华为的智能座舱、智能驾驶、智能网联、智能电动、智能车云 五大智能系统布局,分析和讨论了华为激光雷达产品的技术优越性以及当前激光雷达市场的基本格局。我们认为,激光 雷达在智能驾驶感知层硬件中的关键地位体现在它的 3D 建模功能无可替代;华为激光雷达产品的突出优势体现在性能、 可靠性、成本三方面的完美平衡。

性能优越:1)大视野 120°×25°,应对城区、高速等场景的人、车测距诉求;2)全视野中,水平、垂直线束均匀分 布,不存在拼接、抖动等情况,形成稳定的点云对后端感知算法非常友好;3)小体积,适合前装量产车型需求。

可靠性强:华为车载激光雷达的可靠性不仅来源于车规级器件选型、还依赖整体架构设计以及海量可靠性测试验证。针 对车规要求的高低温湿热,水压、振动、盐雾、人眼安全、EMC(电磁兼容)、碎石冲击等场景,华为都严格按照 ISO 国际标准执行。

成本优化:目前市场上部分外资厂商的 64 线数激光雷达价格高达数万美元,华为的激光雷达产品成本大约为数百美元, 未来有望降至 200 美元以内。

我们推荐华为汽车业务有合作或潜在合作企业包括布局智能网联测试和大数据的示范区平台企业中国汽研、全球大中客 龙头暨智慧出行整体解决方案提供商宇通客车、智能座舱和 HUD 优质自主企业华阳集团、新能源电池龙头宁德时代(电 新覆盖)、高精度地图龙头四维图新(计算机覆盖);建议关注电机电控及智能座舱产业链。

评论:

 激光雷达是智能驾驶感知层的关键,华为激光雷达定位前装量产

车载激光雷达的定位:华为汽车业务在“云-管-端”的架构下,发力智能驾驶、智能网联、智能座舱、智能电动、 智能车云五大模块,其中智能驾驶对应“端”。智能驾驶的工作原理是通过激光雷达、毫米波雷达等感知层硬件来探测汽车周围的环境,获取数据后传输至决策层进行处理判断,最后由执行层硬件具体控制车辆的行驶活动。激光雷 达是智能驾驶感知层的的关键传感器,是目前实现 3D 空间建模的必备硬件。相比于毫米波雷达和摄像头,激光雷 达在目标轮廓测量、角度测量、光照稳定性、通用障碍物检出等方面都具有出色的性能表现。

华为激光雷达定位前装量产:华为激光雷达产品的研发始于 2016 年,在调研主流车企对激光雷达产品的需求后, 华为明确了研发攻关方向,即做一款性能优越,符合车规级标准,能够大规模前装量产的激光雷达。在研发过程中, 华为的激光雷达首先具体分析了实际行驶过程中的难点场景,比如地库场景、隧道场景等;然后,华为进一步明确 了激光雷达的规格定义,对测距规格、水平 FOV 和垂直 FOV 规定了性能要求;最后,华为考虑了激光雷达实际安 装适配的问题,对安装数量、安装位置、环境适应性问题制定了具体的解决方案。

华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

华为造车里程碑:华为早在 2014 年就成立了“车联网实验室”,致力于汽车互联化、智能化、电动化和共享化的技术 创新,延伸华为“端、管、云”的 ICT 能力,面向智能网联电动汽车的应用场景储备技术。2019 年 5 月华为正式成立 智能汽车解决方案 BU,进一步明确了自身的定位和业务边界:华为不造车,聚焦 ICT 技术,提供智能网联汽车增 量部件,帮助车企造好车。如今,华为自主研发的激光雷达产品正式发布,是华为在智能驾驶感知层零部件的重大 突破,构成了华为汽车业务体系的重要一环。

 激光雷达的性能优势:分辨率高,信号精度高,3D 空间建模

各类传感器的性能优劣:智能驾驶感知层的主要硬件有摄像头、毫米波雷达和激光雷达,其中激光雷达性能最优、 成本最高,是目前实现 3D 空间建模的必备硬件。这三种感知硬件可以同时使用,通过卡尔曼滤波算法实现融合传 感:

1)摄像头是视觉影像处理系统的基础,适用于目标分类,比如交通信号灯分类、车道检测等,探测精度一般,可 实现车道偏离预警、全景泊车等较为基础的 ADAS 功能;

2)毫米波雷达的波长介于厘米波和光波之间,兼有微波制导和光电制导的优点,能够大范围检测车辆的运行情况, 可实现自适应巡航、自动紧急刹车等 ADAS 功能;

3)激光雷达性能最优,分辨率高,精度极高,抗有源干扰能力强,可以通过点云数据实现 3D 空间建模,即使在夜 间仍能准确检测障碍物。

各类传感器的价格与用量:车载摄像头的价格近年来持续走低,2010 年市场价大约 300 元,2014 年降至大约 200 元,目前部分车载摄像头价格已低至 100 元以内,要实现全套 ADAS 功能,单车至少需要配备 5 个摄像头。毫米波 雷达按频率划分主要有 24GHZ 和 77GHZ 两种,价格分别大约为 500 元和 1000 元,要实现全套 ADAS 功能一般至 少需要“1 长+4 短”共 5 个毫米波雷达。激光雷达是 L3-L5 级别智能驾驶的核心零部件,从 L3 级别开始应用,部 分外资厂商生产的 64 线激光雷达价格高达 8 万美元。华为的 96 线激光雷达目前的成本大约在数百美元,未来计划 将成本压缩至 200 美元。

目前常见的车载激光雷达都是置于车顶,在华为的智能驾驶解决方案中,每辆车需要大约 3 个激光雷达,将分布在车头 前格栅处和车前左右两侧轮眉上方。

华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

激光雷达的原理:激光雷达(LiDAR, Light Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称,是以发射激光束 探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统,由激光发射机、光学接收机、扫描系统和信息处理系统等组成。其工 作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适 当处理后,即可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而实现对目标进行 探测、跟踪和识别。激光雷达生成的通常是点云数据。

四个系统,九个指标:从激光雷达内部的运转流程来看,可以划分为四大系统。1)激光发射系统:激励源驱动激 光器按一定周期发射激光脉冲,激光调制器通过光束控制器对激光的方向和线数进行调试,然后通过发射系统将激 光射向目标;2)激光接收系统:光电探测器接受目标物体反射回来的激光,产生接收信号;3)信息处理系统:接 收信号经过放大处理和数模转换,由信息处理模块进行分析计算,获取目标表面形态、物理属性等数据并建立 3D 空间模型。4)扫描系统:以稳定的速度进行旋转,同时对所在平面的扫描,获取实时的平面图信息。此外,一款激 光雷达的性能具体可以从九个维度去做评估。

激光雷达的分类:激光雷达集激光、全球定位系统(GPS)、和 IMU(惯性测量装置)三种技术于一体,具有广泛 的应用场景,可以按照功能用途、工作介质、激光发射波形、探测方式、线数、扫描方式、载荷平台等方式进行多 种分类。

 激光雷达的五项关键技术

测距技术:激光雷达主要有两种测距方法,一种是基于时间的测量方法飞行时间法(TOF),主要有脉冲式和三角 式);另一种是不基于时间的测量方法,主要是相位式和调频连续波(FMCW)。1)脉冲式,也叫直接式,通过公 式距离=光速 X 激光往返时间/2 即可测得目标距离。2)三角式,也叫间接式,将光源、被测物、接收系统三点组成 一个三角形光路,接收系统接收来自于被测物面的散射光,并将其成像在光电探测器敏感面上,通过光点在敏感面 上的位移,从而计算出被测物的移动距离。3)相位式,将一调制信号对激光光强进行调制,通过测量相位差来间接 测量往返时间,计算公式为距离=信号波长/2X 相位差/(2 π)。4)调频连续波,通过比较反射信号与发射信号频率 的方法来得到目标的距离信息。脉冲式和三角式难度较大,精度也较低,相位式适用于终端距离测量,是目前精度 最高的一种方式。

发射技术:激光的发射需要激光发射器与透镜系统协同完成。1)激光发射器有半导体激光器、固体激光器、光纤 激光器和二氧化碳气体激光器四种类型。无人驾驶大多采用半导体激光器,分为激光由边缘发出的边发射激光器 (EEL)和激光垂直于顶面的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。垂直腔面发射激光器,其出射光束圆形对称,光能 转换效率高,光源具有高度一致性和高指向性等优点,被业界看好。2)透镜系统,一般由准直镜、扩束镜和辅助光 学系统组成。准直镜是为了解决激光器准直输出问题,扩束镜为了解决激光发散角问题,而辅助光学系统为了解决 激光束偏振太难控制、光隔离等问题。

扫描技术:激光雷达的扫描技术直接关系到 3D 空间模型的搭建,可以分为扫描式和 Flash 面阵式两种。1)扫描 式激光雷达具体有三种技术路径可以实现:机械式扫描是将激光雷达安装在车顶以一定的速度旋转,在水平方向采 用机械 360°旋转扫描,在垂直方向采用了定向分布式扫描;MEMS(微电机系统)微镜是把所有机械部件集成到 单个芯片上,利用半导体工艺生产,以电的方式来控制光束;固态扫描,采用光学相控阵(OPA)技术,由元件阵 列组成,通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束。2)Flash 面阵式,用激光器同时照亮整个场景,对场 景进行光覆盖,一次性实现全局成像。目前 MEMS 和 Flash 技术越来越受到激光雷达厂商的重视,有望逐步取代 传统的机械式激光雷达。

探测技术:目前有两种主流的探测技术,即直接探测法与相干探测法。1)直接探测法,利用探测器的光电转换功 能直接实现对光信号的信息解调,系统简单但是精度较低;2)相干探测法,额外添加一路激光输出,对信号进行混 频分析,灵敏度和精度较高,但是系统比较复杂。激光探测的核心器件是光电探测器,能把光能转换成一种便于测 量(电压或电流)物理量的半导体器件,主要有 PIN 光电二极管、雪崩二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD) 和硅光电倍增管(SiPM)等。

华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

数据处理技术:激光雷达数据处理的主要任务是对信号进行分析计算,完成三维图像重构。目前主要采用大规模集 成电路和计算机完成,可利用 FPGA 技术(Field Programmable Gate Array)和高速 DSP 等完成。

 华为激光雷达产品实现了性能、成本、可靠性三方面的平衡

在前文中我们已经提到,按扫描方式划分,激光雷达可分为 MEMS、Flash、相控阵、机械旋转式四类。根据 2020 年世界知识产权组织对华为激光雷达技术专利的披露,华为的产品应该属于 MEMS 激光雷达,并且采用多线程微 振镜激光测量模组技术进行了改进。

MEMS 激光雷达的特征:MEMS 激光雷达与机械激光雷达相比,有三大优势。1)机械结构简化:微振镜帮助 MEMS 激光雷达拜托了马达、多棱镜等机械装置,毫米级尺寸的微振镜缩减了激光雷达的尺寸;2)成本降低:微振镜的引 入可以有效降低激光器和探测器的需求数量,机械激光雷达的发射模组数量与线数完全同步,但是 MEMS 仅需一束 激光光源就可以通过微振镜反射来实现多线数的效果;3)分辨率高:MEMS 微振镜可以精确控制光线角度,而机 械激光雷达仅可以调整马达转速。同时,MEMS 激光雷达由于只采用一组激光发射和接收装置,激光功率较低,也 存在着信噪比较低、有效距离较短和 FOV 较窄的问题。

华为激光雷达产品实现了功率与成本的平衡:华为针对 MEMS 激光雷达功率较低的问题,采用多线程微振镜激光 测量模组技术做了改进。华为借鉴了机械激光雷达的做法,采用了多个发射和接收组件,利用 MEMS 振镜的垂直扫 描密度易于控制的优点,使同线数下的华为产品所含有的激光发射接收模组的数量处于机械激光雷达和 MEMS 激光 雷达之间,在提升功率和控制成本之间实现了平衡。华为的这种技术模式可以快速推出多种用途的激光雷达,适应 不同的市场需求。华为的激光雷达定位为中距激光雷达,最远可达到大约 150 米的探测距离,其水平视野可达到 FOV120 度的视角。

华为重构了激光雷达的核心部件:得益于 ICT 领域光学设计、信号处理、整机工程等长期积累,华为重构了激光雷 达的核心部件,包括发送模块,接收模块和扫描器,比如:华为选择微转镜扫描器架构,不是简单的做微转镜,而 是解构了电机、轴承等关键部件,通过精准的扫描控制,提升点云精度的稳定性与一致性;收发端华为通过精准的 光路控制,精巧的电路设计来提升收发模块的光电转换效率。

华为激光雷达产品的可靠性满足多项车规级要求:华为车载激光雷达的可靠性不仅来源于车规级器件选型、还依赖 整体架构设计以及海量可靠性测试验证。电机作为核心部件,车规能力一直是行业关注的重点,华为凭借了 20 年深 厚的机电能力积累和 25 亿次电机可靠性测试经验,设计了满足车规要求的激光雷达扫描电机。此外,针对车规要求 的高低温湿热,水压、振动、盐雾、人眼安全、EMC(电磁兼容)、碎石冲击等场景,华为都严格按照 ISO 国际标 准执行,甚至基于 TOP 车企的特殊要求,做了更加严苛的测试。华为有信心成为全球第一个真正车规的高线束激 光雷达的供应商。

华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

华为激光雷达具有强大的清洗与加热功能:在激光雷达被脏污覆盖的场景下,可使用智能清洗系统,华为做了大量 测试来验证不同的喷嘴、不同的位置、不同水压的清洗效果。由于行驶过程中也需要清洗,为了很好地测试这个场 景,华为自主设计了智能清洗风洞系统,模拟在 130km/h 下清洗能力,然后再测试不同的喷嘴和压力对清洗效果的 影响,得到宝贵的一手数据。除了智能清洗系统外,华为也开发了智能加热系统。在被霜、雾、凝露、薄冰覆盖的 场景,激光雷达内置的智能加热系统会自动启动。

华为激光雷达产品有望配套长安、北汽:在 2020 年广州车展前,长安汽车董事长宣布,将携手华为、宁德时代, 一起打造高端智能汽车品牌。在其公布的长安方舟架构中,将预留 36 个传感器,其中包含 5 个激光雷达。在 2020 年 11 月的“互联网汽车乌镇夜话”论坛上,北汽 ARCFOX BU 总裁透露,北汽和华为联合打造了 ARCFOX 极狐最 新款产品 HBT。新车搭载 3 颗 96 线激光雷达、6 个毫米波雷达、12 个摄像头、13 个超声波传感器,华为提供的芯 片算力达到 352 万亿次每秒。

华为激光雷达产业链布局:华为哈勃在激光雷达产业链上主要投资了分别为纵慧芯光(VCSEL 芯片)、南京芯视界 (SPAD)和裕太微电子(汽车以太网 PHY)。1)纵慧芯片的产品 VCSEL 芯片是激光雷达的光源。作为一种光电半 导体,VCSEL 广泛应用于智能手机、数据通信、激光雷达等领域。纵慧芯片同时也是华为手机 ToF 光源的主要供 应商,自有 6 寸外延产线。2)南京芯视界的产品有单光子雪崩二极管 SPAD(接收器),SPAD 对光具有高敏感度, 装配 SPAD 的激光雷达可以准确探测低反射率的物体,例如暗色着装的行人等。3)裕太微的主要产品是汽车以太 网 PHY 芯片,汽车以太网也是新型汽车电子电器架构的主干网络,以太网 PHY 不止用在激光雷达中传输点云数据, 在毫米波雷达、智能座舱、自动驾驶域控制器上均有应用。

 激光雷达的市场格局

市场总量:根据咨询机构 Yole 的数据,在 2020 年,全球激光雷达出货量大约为 34 万个,用于智能驾驶的大约 20 万个;全球激光雷达的销售额约 12.95 亿美元,智能驾驶相关的销售额大约为 9500 万美元。至 2025 年,全球激光雷达的出货量有望达到 470 万个,其中用于智能驾驶的大约 340 万个;全球激光雷达销售额有望达到 61.9 亿美元, 智能驾驶相关的销售额大约为 15.35 亿美元。

华为付诸行动:发布高性能车规级激光雷达,年产10 万套

主要玩家:激光雷达目前国外巨头主要是 Velodyne、Ibeo 和 Quanergy 三家。国内除华为外,还有禾赛科技、思岚 科技等。著名无人机企业大疆内部孵化的 Livox 于 2020 年发布了两款激光雷达产品,售价分别为 6499 元和 9000 元,线数分别等效于传统 64 线和 128 线。

我们认为,华为入局对国内智能汽车生态整体利好,有望发挥现有手机电子算法优势,结合资金、人才优势,将原 来掌握在国际巨头谷歌、英伟达、Velodyne 等手中的智能汽车关键要素国产化,同时带动产业链上游硬件企业、 产业链软件合作企业的蓬勃发展。

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