固态LiDAR与机械LiDAR该如何选择

Velodyne在2000年代中期发明了现代3D（三维）LiDAR（激光雷达）扫描仪。但近年来，传统观念认为，Velodyne的设计（将64个激光器安装于一个旋转平台）很快将被新一代固态LiDAR传感器淘汰，这类固态传感器仅使用单个固定激光器进行场景扫描。但是一家名为Ouster的创业公司正试图挑战这一观点，正以极具竞争力的价格销售类似Velodyne的旋转式机械LiDAR。

近期，我们有幸与Ouster首席执行官Angus Pacala进行了对话，他对旋转式和固态LiDAR之间的优劣权衡有着独到的专业见解，因为Pacala之前曾是固态LiDAR最著名的创业公司——Quanergy的联合创始人。在我们的谈话中，Pacala拒绝了评价其前任公司。但行动胜于雄辩。我们可以认为，作为Quanergy的联合创始人，Pacala肯定非常了解固态LiDAR技术的优缺点。而当他决定创建另一家LiDAR公司时，他决定不再做固态LiDAR，这或许能说明一些问题。“固态LiDAR”实际上是一类涵盖几种非旋转式机械LiDAR设计的总称。

主要可分为三种技术方案：一种为MEMS（微机电系统）方案，采用微型MEMS扫描镜来控制激光束；另一种，采用称为光学相控阵的技术来控制激光束，而无需任何运动部件；第三种，则被称为泛光（Flash）成像LiDAR，无需光束转向，只需一次闪光即可照明整个场景，再通过类似于数码相机的二维阵列图像传感器探测返射回来的光线。Pacala此前创办的Quanergy虽然没有详细公开解释其技术细节，但是根据报道判断，该公司主要采用的是光学相控阵方案。由于很微小或没有移动部件，所有这三种设计方案都可能带来更坚固、更经济的LiDAR传感器。

从长远来看，业内倡导将几乎所有的电子器件（包括激光器本身、光束控制电路、检测器和运算支持）都集成封装在一起。因而，未来消费类产品中的固态LiDAR很可能将不像旋转式机械LiDAR那样，必须突兀地安装在汽车顶部才能正常工作。这在理论上听起来不错，Pacala在2012年联合创立Quanergy公司时大概也是这么认为的。但是，后来他显然改变了想法，因为他的第二次LiDAR创业，采用了更传统的旋转式机械LiDAR方案。

旋转式机械LiDAR有其独特优势Pacala指出了传统旋转式机械LiDAR设计的几大优势。其中，最明显的优势是其360°视场。 我们可以在汽车顶部固定安装一个激光雷达，从而360°地感知汽车周围的情况。相比之下，固态LiDAR需要固定在某些适当的位置（例如车身前后方或四角），视场角一般在120°或以内。因此，自动驾驶汽车采用固态LiDAR传感器，至少需要4台才能达到跟旋转式机械LiDAR一样的覆盖范围。另一个不太明显的优势是，人眼安全法规允许运动的激光源发射比固定激光源更高的功率。

据Pacala介绍，所有1级安全系统的设计必须确保人员不眨眼直视激光设备数秒钟，仍然不会受到伤害。当采用固态扫描单元时，如果人眼处于激光扫描器几英寸的地方，可能会导致100%的激光射入眼内。但是如果采用旋转式LiDAR传感器时，激光只集中于某个特定的方向，只有360°旋转的一小部分。因此，旋转式LiDAR可以为每个激光脉冲提供更高的功率，而不会造成眼睛损伤。这样可以更容易地检测到返射光，因此在可预见的未来，旋转式LiDAR单元可能要比固态LiDAR单元具有更大的探测范围优势。

上图为谷歌早期的自动驾驶原型车。车顶有一个巨大的旋转式LiDAR传感器，前翼子板上有个黑色的雷达（共4个），后轮上安装有“车轮编码器”，车内还有视频摄像头。这款原型车装配的各类传感器总价高达15万美元同时，大部分领先的固态LiDAR设计，都面临着“远距离探测”这个显著的挑战。MEMS系统中的微型扫描镜能投射的激光量有限。这使得远处物体反射激光束并被探测的难度很大。光学相控阵方案相对于其它技术，产生的光束发散性更大，因此很难兼顾长距离、高分辨率和宽视场。

而对于泛光成像LiDAR，每次发射的光线会散布在整个视场内，这意味着只有一小部分激光会投射到某些特定点。此外，光电探测器阵列中的每个像素都必须非常小，限制了它可以捕捉的反射光量。“固态LiDAR方案挑战很大，” Pacala表示。他提出，传统旋转式LiDAR技术拥有独特的优势，在接下来的十年将继续保持一定的市场地位，尤其是在高端市场。据Pacala预测，绝大部分LiDAR系统将在未来十年逐步转为固态方案，但是，仍将会有一些具有真正高性能和高价值的旋转式机械LiDAR传感器。Pacala用硬盘市场做了一个有趣的比喻。

15年前左右，固态存储设备越来越受欢迎，特别是在移动设备中。然而，时至今日仍然有大量具有旋转磁盘的传统硬盘驱动器正在销售。因为，这种设计提供了高容量和低成本的完美组合。同样，Pacala预计未来的低端激光雷达设备将大多采用固态设计，就像今天的大部分移动设备都采用固态存储一样。但对于要求最苛刻的应用（包括自动驾驶汽车），他预计高端旋转LiDAR还将占据重要的市场位置，提供远距离、高分辨率和更宽广的视野。Ouster对Velodyne带来了价格压力虽然Ouster采用了与Velodyne相同的基本技术方案，但Ouster提供了透明且激进的定价方案，这可能会让Velodyne略感头疼。

64线OS-1在展会现场的实时演示据麦姆斯咨询此前报道，Ouster目前提供了三种LiDAR型号：一款低端的16线LiDAR传感器OS-1，售价3500美元，一款64线OS-1版本，售价12000美元，以及一款探测距离更长的64线传感器OS-2，售价24000美元。

那Velodyne的产品售价如何？Velodyne的16线LiDAR“传感冰球”的售价为4000美元，这与Ouster的3500美元16线机型大致相当。就在去年12月，福布斯报道称，Velodyne老款64线机型的售价仍然高达75000美元，仅比10年前的85000美元略有降幅。当Velodyne总裁Marta Hall被问及Velodyne的HDL-64E与64线OS-1的价格比较时，她回答道：“Velodyne的HDL-64E是十年前开发的产品，自那时起，Velodyne已经做出了很多改进。请将Ouster 的LiDAR产品跟Velodyne最新的128线LiDAR传感器VLS-128比较才够合理，VLS-128的批量定价将是12000美元或以下。”的确，VLS-128比Ouster的OS-1拥有更惊人的参数规格。Velodyne这款高端LiDAR单元具有更大的探测范围，比Ouster售价24000美元的OS-2更加吸引人。

拥有一台VLS-128的成本将是多少？Hall表示它目前“尚未定价销售。”当然她也没有明确表示大批量客户现在是否可以拿到12000美元或更低的价格。说到底，LiDAR单元的单价并不重要。所有这些LiDAR厂商的长期目标，是以数千甚至数百万台为单位出售这些传感器，用于消费级车辆。批量采购LiDAR的汽车制造商，肯定能从单个价格中获得很大折扣。但是，像Ouster那样公布立即交付的具体价格有助于建立信誉。我们相信Velodyne将会尽一切努力在未来的某个时间点，匹配Ouster打出的12000美元价格牌。

但是，未来要做到这一点，与今天能够做到这一点并不是一回事，不是吗？LiDAR创业公司Luminar首席执行官Austin Russell对于LiDAR成本问题，也表示：“对于消费级汽车来说，这类LiDAR系统的售价的确需要低至小几千美元或以下”，并承诺价格对Luminar来说不是问题。听Austin Russell的意思，Luminar的LiDAR传感器似乎还没有达到“小几千美元”的价格目标，目前实际上可能要比那个目标数字更高。

总的来说，通过与Ouster首席执行官Pacala的交流，使我对LiDAR成本很快能够得到大幅降低持谨慎乐观态度。不过，价格确实正在下降，正如Velodyne今年宣布16线产品降价50%。如果你愿意接受探测范围略小、分辨率更低的LiDAR解决方案，你可以找到售价几千美元甚至几百美元的LiDAR单元。

但是，市场上最好的LiDAR单元（可能也是唯一能真正支持全自动驾驶汽车的那些LiDAR单元），仍然需要花费数万美元。值得注意的是，另一个LiDAR技术主要竞争厂商Waymo。这家Alphabet（谷歌）子公司近十年一直在研究自动驾驶汽车，他们已经从使用Velodyne的LiDAR系统转为采用他们自己生产的LiDAR技术。并且，该公司仍在使用相同的传统旋转式机械LiDAR方案，但据报道，Waymo已经研究出如何将LiDAR单元的成本降低10倍。由于市场没有公开Waymo的原始成本数据，因此无法判断其产品的具体价格，但可以肯

定的是，Waymo的LiDAR单元成本不会超过8500美元，并且有可能少于这个数字。如果你不是一家像Waymo这样的公司，那自己解决这个问题可能很困难。一款产品再复杂，只要产量上去了，价格自然会下降。目前，LiDAR传感器的市场需求只是未来五到十年内的一小部分，到了那时无人驾驶出租车公司将开始大举扩大车队规模。随着LiDAR生产规模的扩大，制造技术的不断改进以及规模经济所带来的影响，LiDAR传感器势必会越来越便宜。