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產業技術評析

固態光達推動提早實現自動駕駛
發表日期:2016-09-21
作者:林子源、石育賢(工研院IEK)
摘要:
許多國際汽車大廠宣布將在2020~2025年上市自動駕駛車輛,並以先進駕駛輔助系統應用在上市車種中,使得車用感測器產業日趨活絡。

全文:
一、光達滿足自動駕駛需求

 

隨著 Google和Tesla推出自動駕駛後,國際大廠如Toyota, BMW和GM紛紛宣布將在2020~2025年前後上市自動駕駛車輛,並以先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assist System, ADAS)應用在上市車種中,使得車用感測器產業日趨活絡,自動駕駛所使用的環境感測器主要為光學攝影機、雷達,以及光達(Light Detection and Ranging, LiDAR, 又稱雷射雷達) (圖1),以下介紹三種感測器特性。

 

 

圖1 自動駕駛感測器分類

 

資料來源:Frost & Sullivan 、工研院IEK整理(2016/09)
圖1 自動駕駛感測器分類

 

(一)雷達

 

 

雷達可以測量距離及周遭物體速度,且不受天氣影響。現今的主動式停車輔助系統(Active Parking Assist, APA)及主動車距控制巡航系統(Autonomous Cruise Control System, ACC)藉由雷達感測周遭資訊。不同種類的雷達,測量距離與角度範圍都不盡相同,但共同缺點是精確度不高,無法清楚地辨識物體,目前以短距離雷達(24Ghz)和長距離雷達(76~77Ghz, 也有79~81Ghz)為主要產品類別。

 

 

(二)光學攝影機

 

 

光學攝影機透過機器視覺演算法,擁有較佳的物體辨識能力,能夠分辨顏色、標線、交通號誌等。現今的車道偏移警示系統(Lane Departure Warning System, LDWS)多是透過光學攝影機判斷危險並提醒駕駛。然而光學攝影機容易受到濃霧、大雨、強光等天氣影響,較無法得知距離資訊。

 

 

(三)光達

 

 

光達有高精度、高辨識度等優點。透過雷射及特殊演算法,光達可以不分晝夜地感測周遭障礙物形狀、距離等資訊,進而建立周遭環境的3D地理資訊模型。再加上掃描半徑達一百公尺,可以給予自動駕駛足夠的反應距離,以及高精度、高辨識度等優點,使得光達成了自動駕駛必備的感測器之一。根據Frost & Sullivan調查,2014年全球的光達產值為5,110萬美元。而2021年則預計成長到1.4億美元,其中更有45%將用於自動駕駛領域(圖2)。

 

 

彙整雷達、光學攝影機與光達之優劣點於表1進行比較。

 

 

表1 光達、光學攝影機、雷達之優缺點比較
  優點 缺點
雷達(Rader)
  • 可測得物體相對速度、距離等資訊
  • 可以不受天氣影響
  • 無法清楚辨識物體
光學攝影機(Camera)
  • 較佳的物體辨識能力
  • 能分辨顏色、標線、交通號誌
  • 無法得知距離、速度資訊
  • 易受大雨、濃霧、強光等天氣影響
  • 作用範圍僅10-20公尺
光達(LiDAR)
  • 能高精度地測得距離、辨識物體外型並建立周遭3D地理資訊模型
  • 作用範圍為100-200公尺
  • 價格過於昂貴、體積大、重量重,且需安裝於車頂

 

資料來源:工研院IEK整理(2016/09)

 

圖2  全球車用光達市場比重

 

資料來源:Frost & Sullivan、工研院IEK整理(2016/09)
圖2 全球車用光達市場比重

 

二、精度高、成本低的固態光達,將取代機械式旋轉光達

 

 

機械式旋轉光達可依掃描維度區分成三種:一維光達即是雷射測距儀;二維光達則是透過機械元件旋轉雷射發射子和接收子,以得到平面、360度的掃描資訊;三維光達則是將數個二維光達堆疊排列,以得到數個平行的平面資訊,進而組合成3D環境資訊,堆疊數量越多,Z軸精度越高。現今各大車廠所使用的光達多是此種機械式旋轉三維光達(表2)。舉例來說,Google無人駕駛車使用的就是64層雷射的機械式旋轉光達。如前段所述,此種光達有著高精度、高辨識度、長測量半徑、能夠測量距離、辨識物體形狀並建立3D環境資訊等優點。但機械式旋轉光達亦有其限制,像是體積大、重量重、必須安裝在車頂等物理限制,以及其幀數 (Frame Rate)受限於旋轉角速度、價格隨雷射層數的增加而驟增等問題。其中昂貴的價格更是現今市場上鮮少有汽車配備機械式旋轉光達感測器的原因。

 

 

表2 機械式光達與固態光達之比較
  機械式旋轉光達 固態光達
運作原理 旋轉發射器及接收子以掃描週遭環境 藉由光相位矩陣改變雷射光發出角度
幀數(Frame Rate) 受限於旋轉角速度 可隨狀況調整
運作範圍 1m-150m 10cm-150m
重量
體積 極小
水平偵測角度範圍 360 60-120
垂直偵測角度範圍 3-60 60-120
價格(USD$) 300-75000 100-300

 

機械式光達與固態光達之比較
資料來源:Quanergy、工研院IEK整理(2016/09)

 

2016年1月在美國拉斯維加斯舉辦的全球最大規模的消費電子展(Consumer Electronics Show, CES)上,多家廠商皆展示了固態光達(Solid-state LiDAR)技術。固態光達藉由光相位矩陣(Optical Phase Array, OPA) 改變雷射光發出角度(圖3)。雷射發射源每次脈衝發射頻率約為一微秒。當雷射脈衝進入OPA後,OPA上的固態電子元件藉由改變雷射脈衝相位來使雷射方向改變。也因此,固態光達並不需要傳統的機械式旋轉結構便可在一微秒內改變發射角度,藉此改變掃描區域。省去了機械旋轉的機構,固態光達的體積將可大幅減小,重量亦減輕許多。此外,其價錢可望壓在300美元以下,突破現今光達系統過於高價的障礙,進入ADAS及自駕車市場。雖然固態光達的水平偵測角度範圍可能較原本機械式光達要少,但其體積小、重量輕、價錢平惠等優點,將使車廠能夠透過安裝多顆固態光達來彌補角度不足的問題。

 

 

圖3 固態光達藉由光相位矩陣改變雷射光發出角度示意圖

 

資料來源:Quanergy (2016/09)
圖3 固態光達藉由光相位矩陣改變雷射光發出角度示意圖

 

三、國外大廠積極開發固態光達

 

 

主要光達廠商現今推出的固態光達產品,詳見表3所示。

 

 

(一)Quanergy

 

 

2016年的CES上,Quanergy展示新一代固態光達產品S3。S3可偵測最遠距離為150公尺,而偵測角度範圍(Field of View, FOV)達到水平、垂直各120度。此外,S3的體積較上一代光達縮小許多,長寬高僅有9公分x 6公分x 6公分。Quanergy預計在2017上半年量產後,使S3售價達到250美元,為上一代光達售價的四分之一,大幅增加車廠採用的能力。若成功量產,Quanergy的S3將成為第一個進入市場的固態光達,也有極大的可能成為第一款被安裝在量產車輛上的光達。除了S3之外, Quanergy正在研發售價低於100美元的固態光達,預計於兩年後發布,屆時將再次衝擊車用感測器市場。

 

 

(二)ValeoQuanergy

 

 

除Quanergy外,歐洲Tier1汽車零件製造商Valeo亦在六月宣布與加拿大廠商Leddar Tech合作,推出可偵測距離為100公尺的固態光達,目標是市場上最低售價的光達。Valeo並不僅將目標放於四年後的自駕車市場,更預期將固態光達用於近年競爭日趨火熱的ADAS市場上。根據Leddar Tech發布的一項聲明中,與Valeo合作推出的固態光達的偵測角度範圍將是可輕易改變的(easy to adapt),也因此可應用於自動緊急煞車系統(Autonomous Emergency Braking, AEB)、塞車輔助駕駛系統(Traffic Jam Assist , TJA)等先進駕駛輔助系統上,而Valeo預期在2018年將此技術投入量產。

 

 

(三)Velodyne

 

 

2016年的CES上,Ford宣布採用Velodyne的新一代固態光達Solid-State Hybrid Ultra Puck™ Auto作為其下一代ADAS系統感測器。相同於Velodyne先前的產品多定位於高性能、高單價,Solid-State Hybrid Ultra Puck™ Auto的可偵測距離達200公尺之遠,為現今廠商中固態光達性能最佳者。其應用範圍除了下一代的ADAS之外,更具備了未來高級自動駕駛、甚至完全自動駕駛所需的光達感測器能力。而不同於過去的產品,Velodyne表示Solid-State Hybrid Ultra Puck™ Auto的價格將在500美元之下,實惠的價格將使車廠有機會大量採用。除了高性能與相對低廉的價格外(和傳統機械光達相比),僅有長9公分乘上寬6公分大小的Solid-State Hybrid Ultra Puck™ Auto使Ford能將自動駕駛車上原本的四枚光達減至兩枚,並放置於後照鏡下方,大幅降低成本。

 

 

彙整雷達、光學攝影機與光達之優劣點於表1進行比較。

 

 

表3 現今主要光達廠商之固態光達產品
重要廠商 發布日期 產品型號 距離範圍 可偵測角度範圍
水平(H)/垂直(V)
體積大小(mm) 預期價格(USD) 預計量產年
Quanergy 2016/1 S3 150m H:120degrees V:120degrees W90/D60/H60 250 2017
Valeo 2016/6 -- 100m 可輕易改變的(easy to adapt) -- 低於250 2018
Velodyne 2016/2 Solid-State Hybrid Ultra Pucktm Auto 200m -- 冰球盒大小 低於500 2018

 

資料來源:各官網、工研院IEK整理(2016/09)

 

四、IEKView

 

 

光達能夠精準測量距離、分辨物體外型並建立3D環境資訊等優點,使其成為自動駕駛不可或缺的關鍵感測器。2016年為自動駕駛元年,固態光達以體積小、精度高和成本低的優勢,國際上已有許多廠商投入技術開發與成本降低,同時,國際主要車廠也開始採用此固態光達產品,使得自動駕駛的實現時程被往前拉近,各大車廠宣布將在2020年實現自動駕駛,屆時,光達市場的潛力將會大幅向上成長。

 

 

固態光達技術出現大幅改善機械光達價格昂貴的問題,使光達有機會進入車輛感測器市場,更因為固態光達為車用新興技術,各國正在發展以期提升車輛安全行駛。但目前臺灣缺乏此類的技術,在臺灣仍屬技術草創初期,希望政府單位可以大力投入光達的發展,除可以提供給自動駕駛車輛使用外,對於未來智慧製造的智慧機器人也有所助力,尤其機械人在封閉或半封閉的工廠,其使用環境遠比車輛在道路上行駛環境單純許多,以固態光達應用於自動駕駛後,除可以具有國際領先地位外,也將協助我國發展智慧製造產業。

 

 

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

 


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更新日期:2020-04-08

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