激光雷达对于机器人是必不可少的-这就是某些领先传感器的工作方式
激光雷达（Lidar）是一种对制造机器人至关重要的技术。 传感器为计算机提供了一个三维点云，用于指示汽车周围的空间，其概念帮助团队赢得了2007年
DARPA城市挑战赛 。 从那时起，激光雷达系统已成为机器人的标准装备。
近年来，已经创建了数十家与激光雷达合作并与行业领导者Velodyne竞争的初创公司。 他们都承诺提供更合理的价格并提高工作效率。 在2018年，Ars杂志已经对激光雷达行业
的主要趋势
进行了精选 ，并描述了为什么专家期望在未来几年内出现改进且价格更低的系统。 该文章中没有有关公司本身的详细信息，主要是因为他们将有关其技术的信息保密。
但是在过去的一年中，我收到了来自激光雷达开发商的一连串广告，并与他们的许多代表聊天。 Ars与这些公司中至少八家的董事以及行业分析公司或其客户保持联系。 所有这些交流使我们不仅对激光雷达行业的趋势，而且对各个公司的技术和业务战略都形成了一个好主意。
如今，激光雷达之间存在三个主要区别。 在描述了这些功能之后，将更容易理解九家领先的激光雷达公司的技术。
为了不虚报这篇文章，我们描述了主要从事激光雷达的独立公司。 因此，我们将不会描述Waymo的激光雷达技术，与通用汽车和福特在2017年共同购买激光雷达的初创公司，也不打算尝试从法雷奥等大型公司开发激光雷达（法雷奥为2018年和2019年的奥迪车型制造了激光雷达） A7和A8），先锋或大陆航空。 从这些大公司很难获得其技术的详细信息，但是即使没有它们，也有一些东西需要描述。
区分激光雷达的三个主要因素
激光雷达的基本概念很简单：传感器向不同方向发射激光束，并等待其反射返回。 光速是已知的，来回的传播时间给出了距离的准确估计。
尽管基本思想很简单，但是细节使事情变得非常复杂。 每个激光雷达制造商必须做出三个基本决定：如何将激光指向不同的方向，如何测量往返时间以及使用何种频率的光。 我们将依次考虑它们。
光束控制技术
大多数领先的激光雷达使用以下四种方法将激光束指向不同的方向（Baraja和Cepton两家公司报告说，他们使用了其他未解释的技术）：
- 旋转激光雷达。 Velodyne在2007年推出了垂直放置64个激光的激光雷达，从而创造了现代激光雷达行业，整个激光雷达以每秒几转的速度旋转。 Velodyne的高端传感器仍在使用该技术，并且至少其竞争对手之一的Ouster也是如此。 这种方法的优点是可以进行360度覆盖，但是批评者提出了一个疑问，即是否有可能制造出一种廉价且可靠的旋转激光雷达，以适合大众市场。
- 机械扫描激光雷达使用反射镜，将单个激光束重定向到不同方向。 一些公司使用一种称为微机电系统（MEMS）的方法来控制反射镜。
- 有源相控阵天线使用许多发射器，这些发射器可以改变激光束的方向，从而调整相邻发射器之间信号的相对相位。 我们将在“量子能”部分中详细介绍该技术。
- 基于Flash的激光雷达可一次突出显示整个区域。 现有技术使用一种广角激光器。 由于只有一小部分激光到达任何一点，因此该技术在长距离上存在困难。 至少有一家公司，Ouster，计划制造一种多激光闪光灯，其中将有成千上万个针对不同方向的激光阵列。
测距
激光雷达测量光线到达物体并在其上反射所需的时间。 有三种简单的方法可以做到这一点：
- 旅行时间。 激光雷达会发送一小段脉冲，并测量修复返回脉冲之前要经过多少时间。
- 调频连续激光雷达（LRCH）。 它发出一束连续的光束，其频率随时间不断变化。 光束被分为两部分，其中一个进入外部世界，然后在返回时与另一个结合。 由于光束源处的频率连续变化，因此两条光线的路径差异用它们的频率差异表示。 结果是产生了干扰的图像，其拍频是传输时间（因此是距离）的函数。 这条路径看起来似乎不必要地复杂，但是它具有两个优点。 NIDM激光雷达可抵抗其他激光雷达或太阳的干扰。 LIDAR NICHM还可以使用多普勒频移来测量物体的速度，而不仅仅是测量物体的距离。
- 调幅连续激光雷达（NIAM）可以看作是前两个选项之间的折衷方案。 这种激光雷达就像一个简单的传感器一样，可以测量行进时间，发送信号，然后测量反射和返回所需的时间。 但是，如果简单的系统发送一个脉冲，则NIAM激光雷达会发送复杂的方案（数字零和一的伪随机流）。 支持该方法的人说，由于这个原因，NIAM激光雷达更能抵抗干扰。
激光波长
本文中描述的激光雷达使用三种波长之一：850、905或1550 nm。
这种选择很重要，原因有两个。 其中之一是眼睛安全。 眼睛内部的液体对波长为850和905 nm的光透明，这使光可以到达视网膜。 如果激光功率太大，可能会对眼睛造成无法挽回的伤害。
另一方面，眼睛对波长为1550 nm的辐射不透明，这使得这种激光雷达可以在不损害视网膜的情况下以更高的功率工作。 功率增加可让您扩大范围。
那么，为什么不是每个人都在激光雷达中使用波长为1550 nm的激光器？ 可以基于廉价且广泛使用的硅技术来创建工作在850和905 nm频率的检测器。 为了创建波长为1550 nm的激光雷达，需要使用稀有且昂贵的材料，例如砷化镓铟。
尽管1550 nm激光器可以以更高的功率工作而不会对眼睛造成威胁，但这样的功率水平可能会导致其他问题。 在今年拉斯维加斯举行的CES上，一个人宣布AEye激光雷达中的1550 nm强大激光
损坏了他的相机 。 而且，当然，功率更高的激光器会消耗更多的能量，从而减小了机器的射程和能效。
考虑到所有这些，让我们看看前十大领先的激光雷达开发人员。
Velodyne
三种Velodyne产品：Alpha Puck，Velarray和Veladome光束控制 ：旋转。
距离测量 ：行驶时间。
波长 ：905纳米
Velodyne十多年前发明了现代三维激光雷达，此后一直主导着这个市场。 该公司具有特色的旋转激光雷达通常用于机器人车辆，该公司很可能在2019年继续保持市场领先地位。但是，一些观察家想知道该公司是否能够在随后的几年中保持领先地位。
2017年底，64激光Velodyne旗舰激光雷达
以每支
75,000美元的价格
售出 。 Velodyne推出了带有128个激光器的新型号，据传价格甚至更高-100,000美元。
关于这些数字，Velodyne的代表回答说：“我们没有透露生产成本，但是，公布的价格是单一产品的典型价格。 在购买汽车衡时，价格要低得多，我们正积极为汽车制造商提供低价产品。”
Velodyne还销售价格较低的激光雷达，包括一台16激光
洗衣机 ，该
洗衣机去年的售价为4,000美元。 Velodyne还出售实体模型Velarray。 Velodyne说，这是一个波长为905mm的系统，“采用了专有的无梁摩擦控制方法”。 Velodyne预计，这种模型的批量生产最终将花费不到1,000美元。 但是，这些激光雷达不会像使用64和128激光的旋转模型那样提供高精度的结果。
一些评论家声称，Velodyne在制造和产品质量方面存在困难。
记者埃德·尼德迈尔（Ed Niedermeier）
最近援引机器人行业的消息来源
说：“作为公司的生计，精致的移动激光雷达传感器已被证明难以高效，高质量地生产，当用于汽车时，它们可能会令人讨厌。”
一家公司的代表对此召回进行了辩护，认为Velodyne“多年来已使大量制造这些传感器的科学变得完美”，并且“已经证明它们可以承受恶劣的汽车条件。”
Velodyne最近
与汽车零件供应链中的知名公司Veoneer
签署了许可协议。 Veoneer在制造满足汽车公司质量标准的组件方面拥有丰富的经验，并且她可能对如何更改经典Velodyne设计以提高质量和降低产品价格有想法。 但是，他们需要迅速采取行动，因为许多其他公司已经将目光投向了领导者。
光度
光束控制 ：机械扫描
距离测量 ：行驶时间。
波长 ：1550 nm
许多人认为Luminar是Velodyne的主要竞争对手之一。 该公司自2012年以来一直从事这项业务，并于去年
开始大量
生产激光雷达。 该公司声称其产品质量处于最高水平。
特别是，这是由于Luminar决定使用波长为1550 nm的激光器的缘故。 使用对人眼安全的波长，Luminar可以扭曲激光功率，因此激光雷达可以看到更远。 但是1550 nm激光器意味着Luminar必须使用奇异的砷化镓铟铟来检测返回脉冲。 它应该很昂贵，但Luminar去年告诉我们，装在盖子中的接收器的价格仅为3美元。
去年，Velodyne总裁Marta Hall在回应我们对Luminar的询问时，向我们指出了Luminar激光雷达的一个严重缺点-高能耗。 这尤其重要，因为Luminar激光雷达是具有120度视场的固定传感器。 这意味着要确保可以360度全方位观看，您将需要Luminar提供的四台设备（考虑到其视场的强加），而不是Velodyne或Ouster的一台。 但是，Luminar的发言人随后在一封信中回答说，与早期型号相比，最新版的激光雷达显着降低了能耗，并且消耗的功率“约为50瓦”。
Luminar也没有透露任何价格。 去年5月，Luminar董事Austin Russell告诉我们，为了在消费者市场上竞争，他们的激光雷达必须“降价至几千美元”，这对公司来说不是问题。 但是，由此得出的结论是，当时设备的成本远远高于数千美元。
自9个月多开始量产以来，Luminar在实际交付方面领先于许多激光雷达制造商。 在过去的18个月中，Luminar设法与
Toyota ，
Volkswagen和
Volvo建立了合作伙伴关系。
罗素（Russell）在最近的一次采访中指出了这些交易，称它们是该公司最大的竞争优势。 他告诉我，最大的公司正在开发Luminar的基于照明器的大叶，将来改用竞争对手的产品将使他们花费很多。
ye
光束控制 ：机械扫描
距离测量 ：行驶时间。
波长 ：1550 nm
AEye与Luminar有很多共同点。 它使用机械扫描镜控制光束。 它使用波长为1550 nm的护眼激光，可在高能量水平下运行。 因此，AEye激光雷达具有令人印象深刻的测距特性。 AEye表示，他们的激光雷达可以看到的最大距离为1000 m-远远超过最昂贵的设备所能看到的200-300 m。
在12月的一次采访中，AEye总监Lewis Dussan吹捧了AEye激光雷达光纤激光器可以发射的高能量脉冲。 他说，许多竞争对手的激光雷达都是基于二极管激光器的，“功率限制在100-150瓦之间。 光纤激光器可以达到100,000瓦特-一个非常短的脉冲，大量的信号。”
强大的能量可以使您增加距离，但是它也有缺点。 今年，在拉斯维加斯的CES上，一个人告诉Ars杂志，当他从AEye拍摄激光雷达的照片时，他的昂贵相机被毁了。 眼睛充满了不渗透波长为1550 nm的波的液体。 但是相机不是。 显然，强大的AEye激光打在相机的脆弱矩阵上。
在给Ars的一份声明中，AEye将相机损坏描述为整个行业的问题。 但是竞争对手奥斯特的董事安格斯·帕卡拉（Angus Pakala）对此表示反对。 他写道：“我们的传感器对眼睛和照相机都是安全的。 还有重点。” Luminar表示：“我们使用与损坏的CES相同的镜头，相同的镜头和相同的设置进行了广泛的测试，并且无法伤害它”，使用Luminar的照明器。
大多数激光雷达使用固定的扫描方案。 激光雷达AEye采用了另一种方法，该公司将该方法称为“移动扫描”。 AEye扫描方案可以进行编程和动态更改。 根据Dussanne的说法，可移动扫描电路具有光纤激光器的灵活性。 他告诉Ars：“从一个镜头到另一个镜头，您可以控制脉冲的能量。” 该软件不仅管理下一次测量的时间，而且还管理将使用多少能量，因此，下次将测量多少距离。
结果，当激光雷达发现远处的物体时，它可以提高图像此部分的扫描分辨率和能级，并获得更多数据点。 结果可能是高分辨率扫描，这将有助于区分行人，摩托车或道路上残留的大块杂物。
另一方面，存在过度优化的危险。 如果激光雷达花费大量时间扫描已识别的对象，则存在系统扫描剩余的时间过少的危险，因为这样会跳过其他对象。
乌斯特
光束控制 ：旋转
距离测量 ：行驶时间。
波长 ：850 nm
乍一看，Ouster激光雷达看起来与Velodyne非常相似。 这些是旋转系统，用于测量脉冲传输的时间，两家公司都出售带有16、64和128激光器的设备。 这不是巧合：Ouster专门设计了该产品，以便可以将其替换为Velodyne仪器，因为许多潜在客户已经习惯了他们的经典外形。
但是，如果您从Ouster打开设备，事实证明它们内部看起来完全不同。 根据专利判断，经典的Velodyne设计使用64个独立的激光器和64个独立的探测器。 Ouster还想出了如何在一个芯片上封装64个激光器，而第二个芯片包含64个识别反射光的传感器。 这种集成设计可以大大降低激光雷达生产的成本和复杂性。
Ouster最困难的激光雷达将于今年上市，是OS-2，64激光装置，售价24,000美元，Ouster说，其射程可与Velodyne最昂贵的激光雷达媲美。 Ouster还出售激光雷达，其射程更短，仅为3500美元。
与传统的在平行于表面的平面内发射的激光二极管不同，Ouster可以使用
垂直腔表面发射激光器 （VCSEL）将64个激光器推到芯片上。 由于VCSEL垂直于基板表面发射，因此可以将许多激光器放置在半导体芯片上。 长期以来，该技术已在诸如计算机鼠标的用户应用程序中使用，但一直认为该技术不足以在激光雷达中使用。 Ouster说他们想出了如何使用VCSEL创建高性能激光雷达。
Ouster使用另一种半导体技术，即
单光子级联二极管 （SPAD），来检测返回的光。
像VCSEL一样，SPAD可以使用标准的硅芯片制造技术制造，并且可以将许多SPAD推入单个芯片中。因此，Ouster可以轻松地从去年的64激光设备切换到128激光设备，该设备的发布时间是在一月份，而交付将在夏季开始。该公司只需用新的第128芯片用旧型号的64台激光器和64个检测器替换芯片。导演安格斯·帕卡尔（Angus Pakal）说，从64台激光器升级到128台激光器仅仅是个开始。他预计该公司将在几年内推出激光雷达，这些激光雷达将拥有成千上万个（甚至可能数百万个）VCSEL激光器和SPAD检测器。到目前为止，Ouster专注于创建一维激光阵列，用于旋转传感器，类似于Velodyne的设备。但是帕卡拉说，同样的技术也可以用于创建激光和检测器的二维阵列-像相机中的矩阵。这可能会导致创建基于火炬的新型激光雷达，其中每个“像素”将用于其自己的激光探测器对。结果，激光雷达将具有闪光灯的优点-没有活动部件，能够立即且整体地感知“框架”-而不会牺牲普通激光雷达的射程。Ouster战略的实质是利用工业消费电子产品基础，其中VCSEL已用于计算机鼠标，智能手机相机的测距仪以及其他领域。Pacala声称，在诸如亮度，成本和能效等参数方面，VCSEL仍有改进的空间。VCSEL（和SPAD）技术的所有改进将自动在Ouster手中发挥作用。布莱克莫尔
光束控制：机械扫描。距离的测量：具有频率调制的连续辐射。波长：1550 nm像Ouster一样，Blackmore希望利用半导体行业广泛的基础设施。但是，她对光通信行业感兴趣，而不对消费电子产品感兴趣。乍一看，激光雷达和光通信设备彼此不同，但实际上它们的共同点超出了人们的想象。他们发送编码在光中的信息，稍后捕获光并从中提取信息。该网站说：“ Blackmore光学层基于用于光纤通信的标准组件，” 。公司。“使用数十年的光纤解决方案，我们有信心我们的设计具有可扩展性和可靠性。”在几乎所有其他方面，Blackmore激光雷达与Ouster和Velodyne产品截然不同。激光雷达不是旋转360度，而是以水平120度和垂直30度的视场固定。它使用带有频率调制的连续波辐射来测量距离，从而可以测量物体的速度。布莱克莫尔几周前在CES上推出了一种新的有趣的激光雷达。它的初始成本为20,000美元，并且具有令人印象深刻的功能。该公司希望随着时间的推移逐步降低激光雷达的成本。巴拉哈
光束控制：光谱扫描。距离测量：带调幅的连续发射。波长：1550 nm巴拉哈-我去年谈论的最不寻常的创业公司之一-也是最神秘的公司之一。大多数激光雷达的视场为120度或更小，这意味着它们至少需要购买四个才能确保360度完全覆盖。这可能很昂贵，并且还需要在机器的边缘放置易碎的电子设备，这很容易造成损坏。巴拉哈的想法是将所有易碎的电子设备移入后备箱。那里的信号处理器通过光纤连接到四个便宜耐用的传感器头，这些传感器头可以放置在机器外部。在去年夏天的一次采访中，Federico Collarte公司的主管告诉我，四个传感器头“基本上由硅玻璃组成。它们便宜，可靠并且可以很好地承受各种因素。万一发生事故，您只需要更换传感器头。”有吸引力的主意。问题是我无法弄清楚它是如何工作的-我无法说服Collarthe向我详细解释。巴拉哈将他的激光雷达描述为“光谱扫描激光雷达”，这意味着可以通过改变穿过棱镜的光的频率来控制激光束。很难想象一个人可以如何在一维控制这样的光束，但是很难理解如何实现二维控制。”当我向Collart询问时，他说：“对于第二个维，我们使用相同的光谱扫描概念。机械系统。“他补充说，该系统既不包括镜子也不包括旋转激光器。他说，它”使用相同的棱镜光学器件-我们现在仍将这一时刻保密。”此外，巴拉哈（Baraja）仍然是我们与之交谈的唯一一家使用调幅连续辐射来测量距离的公司。 Collarte告诉我们，这种方法的优点之一是“对于单个脉冲，不需要高能量”。某些光学组件可能会因电涌而损坏，而缺少它们则会使工程师可以灵活地使用更多选项，从而有可能创造出更便宜，更可靠的技术。Collarte说，巴拉哈（像布莱克莫尔（Blackmore）一样）正在尝试“从光通信中转移组件和技术”，在那里大规模的规模经济有助于保持较低的产品成本。巴拉哈（Baraja）似乎处于商业化的早期阶段，但是Collarte说，该公司希望在成千上万个设备的生产中将其成本降低到“数百美元”。量子能
波束控制：有源相控阵天线。距离测量：行驶时间。波长：905 nm三年前，Quantergy 宣布推出一种成本低于250美元的固体产品（可通过大规模生产实现该产品）时开始大惊小怪。但批评人士说，该公司未能兑现其承诺。Navigant的分析师Sam Abulsamid在接受采访时说：“ Quanergy似乎很难使传感器以正确的距离工作”。
Quanergy是使用有源相控阵技术制造激光雷达的少数公司之一。正如所陈述的说明到2017年的概念：相控阵是一系列发射器，可以改变电磁束的方向，从而调节从一个发射器到另一个发射器的信号的相对相位。如果所有发射器都同步发射电磁波，则光束将笔直，即垂直于阵列。为了使波束偏向左侧，发射机会移动每个天线发送的信号的相位，而左侧发射机的信号会落后于右侧发射机的信号。为了使光束向右偏转，晶格执行相反的操作，使最左侧元素的相位相对于右侧向前移动。这项技术已经在雷达中用作雷达天线几十年了。光学相控阵列对光采用相同的原理，将激光阵列封装在相当小的芯片上。如果Quanergy设法使这项技术运转良好，它将具有很多优势。没有活动部件，固态设备可能便宜，可靠且用途广泛。像AEye的仪器一样，Quantergy的激光雷达是可编程的，可以在分辨率和刷新率之间动态切换。但是Quanergy在市场上并没有取得太大的成功。导演Luay Eldad在11月的一次采访中说：“我们正在按照正确的步骤进行，我们正按计划进行。” 但是有理由对此表示怀疑。例如，安格斯·帕卡拉（Angus Pakala）是Quanergy的联合创始人，在2015年离开并成立Ouster之前。Abulsamide指出了Quanergy 最近在工业安全中使用激光雷达的兴趣 -在此应用领域，不需要机器人等距离。Eldada告诉我，Quanergy现在拥有一种针对安全市场设计的更为典型的机械制导激光雷达。ept
光束控制：专有的微动技术。距离测量：行驶时间。波长：905 nm全自动机器人是激光雷达最苛刻的应用领域，到目前为止，我主要介绍了针对该市场的产品。但是Cepton是受人尊敬的激光雷达制造商的一个例子，其主要目的是在先进的驾驶员辅助系统（ADAS）中使用其技术。当今的ADAS系统使用雷达和摄像头进行车道控制和动态巡航控制。但是每个人都希望汽车制造商看到未来的汽车上的激光雷达，它可以提供更先进的ADAS系统。问题是，正如我们所看到的，最好的激光雷达要花费数万美元，而且即使以工业规模生产，这种情况也不会改变。因此，诸如Cepton之类的公司的目标是生产中程激光雷达，这种激光雷达要易于使用，可以包含在几年后生产的汽车中。当我向Cepton负责人贝June铭（June Pei）询问机器人车辆所需的远程盖时，他拒绝了市场，并说他不认为客户会“在可预见的将来”开始大量要求这种设备。相反，Cepton专注于ADAS市场，该市场已经开始就大量供应进行交易。 Cepton声称其竞争优势是价格。贝i铭说：“我们是唯一一家能够以不到1000美元的价格出售激光雷达的公司。”去年夏天，Cepton 宣布与日本公司Koito达成交易，Koito是世界上最大的汽车大灯供应商之一，它将把其激光雷达技术整合到大灯设计中。这意味着，如果汽车制造商确定Cepton激光雷达在各个方面都适合他们，那么他将能够轻松地将此机会添加到他的汽车中。裴告诉我，控制光束的微动技术是该行业独有的。传统的MEMS使用微小的机械移动镜来重定向光。但Pei表示，Cepton使用“一种非常专有的光学设计，该光学设计省去了镜子，但仍然能够生成高分辨率图像。” 他还将其描述为“一种基于扬声器原理的小型振动系统”-但拒绝透露细节。创新
光束控制：机械扫描。距离测量：行驶时间。波长：905 nm，像Cepton一样，Innoviz主要致力于与汽车制造商进行大批量交易。它出售适用于ADAS的价格适中的中型激光雷达。而且非常成功。去年四月，宝马宣布了计划在2021车型年在其汽车中安装Innoviz激光雷达的计划。麦格纳（Magna）也参与了这一合作伙伴关系，麦格纳是一家著名的供应商，将为在数千辆汽车中安装成品所需的物流提供帮助。汽车制造商正在尝试许多激光雷达技术，因此许多制造商可以吹嘘与OEM达成交易。但是宝马的这项交易使Innoviz与其他竞争对手区分开来-宝马显然是认真地将激光雷达安装在汽车上进行销售，而不仅仅是购买这些设备进行原型测试。在汽车生产中，开发新产品的时机很长，因此Innoviz将在未来几年内有所作为，当然，一项交易将使Innoviz能够在未来达成新交易。他对这笔交易持乐观态度。“与宝马的交易显然将用于实施ADAS，但Innoviz在机器人汽车领域有野心。在其最新型号InnovizOne中 该公司拥有高达200米的射程，其物体具有50％的反射率和120度的视野。