周俠,吳雪珍,譚鑫
重慶睿藍汽車研究院有限公司,重慶 401122
當前,新能源汽車作為高科技產(chǎn)品涉及眾多領域,如節(jié)能降耗、碳中和、輔助駕駛、人工智能、車聯(lián)網(wǎng)等。其中以新能源乘用車最具代表性,其將眾多最新科技融入產(chǎn)品中并進行實際應用。與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品相比,較強的輔助駕駛功能是新能源乘用車的一項典型特征,而激光雷達作為高階輔助駕駛技術(shù)中的關(guān)鍵零部件,具有價值高、精度高、科技含量高的特點,其在大多數(shù)傳統(tǒng)車企及新能源“新勢力”廠家產(chǎn)品中的應用也越來越廣泛。本文將對激光雷達這一新興的新能源汽車零部件在工作原理、種類及應用等方面展開討論。
激光雷達是集激光、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)和慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit,IMU)3 種技術(shù)于一身的系統(tǒng),具有分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強等優(yōu)勢,主要面向輔助駕駛汽車環(huán)境感知、機器人環(huán)境感知、無人機測繪等領域。
激光雷達通過激光發(fā)射組件發(fā)射高頻率激光束對外界環(huán)境進行持續(xù)性的掃描,經(jīng)過測距算法提供三維空間點云數(shù)據(jù)及物體反射率,可以讓機器“看到”周圍的世界,從而為定位、導航、避障等提供有力的保障(如圖1 所示)。
激光雷達按掃描方式大體可以分為3 種類型:機械式、固態(tài)式和混合固態(tài)式。
機械式即機械旋轉(zhuǎn)式,是指激光雷達發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在物理意義上的轉(zhuǎn)動,不斷旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器將激光點變成線,并在豎直方向上排布多束激光發(fā)射器,形成面,實現(xiàn)3D 掃描。激光雷達的幀頻和掃描頻率與轉(zhuǎn)速直接相關(guān),旋轉(zhuǎn)一周,掃描一次,掃描一次,輸出一幀點云[1]。但機械式激光雷達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜,主要包括激光器、掃描器、光電探測器以及位置和導航器件。由于通過復雜的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高頻準確的轉(zhuǎn)動,其硬件成本高,且很難保持長時間穩(wěn)定運行。機械式激光雷達如圖2 所示。
固態(tài)式是指激光雷達為單個整體,沒有需要旋轉(zhuǎn)和可動的掃描部件,其工作可靠性高。隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和傳感器硬件技術(shù)的更新,固態(tài)激光雷達未來會大批量地搭載到量產(chǎn)車型中,以滿足車規(guī)級自動駕駛的要求[3],如圖3 所示。
混合固態(tài)式類似于機械式,通過電機帶動反射鏡運動(反射鏡又可分為微振鏡、轉(zhuǎn)鏡、雙軸轉(zhuǎn)鏡等),將激光反射到不同的方向,實現(xiàn)一定范圍內(nèi)激光的掃描(即光學包絡FOV),如圖4、圖5 所示。
混合固態(tài)式是機械式和固態(tài)式的折中方案(較機械式只掃描前方一定角度內(nèi)的范圍,較固態(tài)式仍有一些較小的活動部件),一些廠家采用先進技術(shù)和工藝,不僅保證了激光雷達的高性能和可靠性,而且大幅降低了量產(chǎn)成本[5],是目前階段量產(chǎn)裝車的主流產(chǎn)品,如表1 所示。
表1 車用激光雷達主要供應商及裝車產(chǎn)品
目前量產(chǎn)的新能源汽車產(chǎn)品中,激光雷達的安裝位置主要有車頂(前或后)、前保險杠(居中或者兩側(cè))、前翼子板(兩側(cè))等,如圖6 所示,不同安裝位置的優(yōu)缺點如表2 所示。最常見的方案是采用1 顆激光雷達安裝在車頂前部;少數(shù)車型采用2 顆激光雷達安裝在前保險杠兩側(cè);采用3 顆及以上激光雷達的方案,一般會在前翼子板兩側(cè)再分別安裝1 顆激光雷達。激光雷達數(shù)量越多,雷達掃描的范圍越大,性能也越好(多數(shù)存在性能冗余現(xiàn)象),同時,產(chǎn)品成本也越高。
表2 激光雷達不同安裝位置的優(yōu)缺點
車用激光雷達的技術(shù)要求主要有以下幾點:一是整車在空載狀態(tài)下,激光雷達的安裝位置離地高度(此高度根據(jù)不同布置方案,一般是一個區(qū)間范圍),布置在車頂時,高度一般小于1.8 m,布置在前保險杠時,高度一般為400~800 mm,布置在前翼子板時,高度一般為400~1 800 mm;二是激光雷達的光學包絡(FOV)內(nèi)不允許出現(xiàn)遮擋,需著重考慮雷達裝飾板、雨刮、A 柱、前艙蓋等的影響,現(xiàn)階段,裝車的激光雷達產(chǎn)品的視窗(FOV 發(fā)射面)外不允許有遮擋的零件,同時需要保證FOV 與其他零件有3 mm 以上的安全間隙(考慮到零件制造及安裝誤差);三是激光雷達的安裝角度需要滿足一定要求,比如雷達仰角(即上下方向)一般為0°(雷達垂直方向的FOV 中心線與地面夾角),左右擺角(即水平方向)一般為0°~115°(雷達的FOV 中心線與車輛縱向?qū)ΨQ面夾角)。除了以上幾點要求,在零件裝配公差、零件的適配形狀等方面也有相應的要求,同時,不同廠家對于具體指標的要求也存在差異,需要根據(jù)具體零件選型進行分析。
本文介紹了激光雷達的工作原理、分類、特點,車用激光雷達一般的安裝位置及一般技術(shù)要求,對于了解新能源乘用車激光雷達及其實際應用具有重要參考意義;同時,通過近年來對激光雷達發(fā)展情況的分析可知,未來幾年,混合固態(tài)及固態(tài)激光雷達在新能源汽車中的應用將成為趨勢,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>