【汽车与环境】法雷奥顾剑民：自动驾驶所需的车规级激光雷达及感知融合
9月20-21日，由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导，国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办，论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式，携百名行业权威嘉宾，共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下，整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为法雷奥中国CTO顾剑民演讲内容实录：
法雷奥中国CTO 顾剑民
大家上午好！
今天我演讲的主题是《自动驾驶所需的车规级激光雷达及感知融合》，主要跟大家分享一下法雷奥在开发激光雷达过程当中所做的工作，也顺便来解释一下为什么我们认为自动驾驶必须要有激光雷达，特别是L3以上的自动驾驶，而这里会提到一个感知的融合或者感知冗余的概念。
在开始之前，我估计并不是所有的嘉宾都对法雷奥熟悉，法雷奥是一家总部在法国巴黎的全球汽车零部件及系统集成供应商，即Tier 1供应商。我们的产品有很多，即使您对法雷奥不熟悉，您驾驶的汽车当中肯定有法雷奥的产品。因为法雷奥是一个上市公司，它的年报当中有很多的数字，其中有一个数字是13%，是指法雷奥把每年主机厂销售额的13%重新投入到研发。如果大家对汽车行业熟悉的话就会知道，这个数字是非常高的。为什么要投入那么多的人力物力财力到研发，很大的原因在于现在的汽车行业正在经历前所未有的变革，是改变整个行业的三大技术变革，首先是电气化，其次是自动驾驶，再是数字化移动出行。
人类驾驶首先要用眼睛耳朵来感知周围的环境，汽车自动驾驶也是一样，它要用传感器来感知周围的环境。我非常高兴的跟大家分享，法雷奥是行业内提供传感器种类组合最全面的供应商，我们可以提供超声波传感器、摄像头、毫米波雷达以及激光雷达，而且这些传感器都是已经量产的。
9月20-21日，由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导，国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办，论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式，携百名行业权威嘉宾，共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下，整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为法雷奥中国CTO顾剑民演讲内容实录：
法雷奥中国CTO 顾剑民
大家上午好！
今天我演讲的主题是《自动驾驶所需的车规级激光雷达及感知融合》，主要跟大家分享一下法雷奥在开发激光雷达过程当中所做的工作，也顺便来解释一下为什么我们认为自动驾驶必须要有激光雷达，特别是L3以上的自动驾驶，而这里会提到一个感知的融合或者感知冗余的概念。
在开始之前，我估计并不是所有的嘉宾都对法雷奥熟悉，法雷奥是一家总部在法国巴黎的全球汽车零部件及系统集成供应商，即Tier 1供应商。我们的产品有很多，即使您对法雷奥不熟悉，您驾驶的汽车当中肯定有法雷奥的产品。因为法雷奥是一个上市公司，它的年报当中有很多的数字，其中有一个数字是13%，是指法雷奥把每年主机厂销售额的13%重新投入到研发。如果大家对汽车行业熟悉的话就会知道，这个数字是非常高的。为什么要投入那么多的人力物力财力到研发，很大的原因在于现在的汽车行业正在经历前所未有的变革，是改变整个行业的三大技术变革，首先是电气化，其次是自动驾驶，再是数字化移动出行。
人类驾驶首先要用眼睛耳朵来感知周围的环境，汽车自动驾驶也是一样，它要用传感器来感知周围的环境。我非常高兴的跟大家分享，法雷奥是行业内提供传感器种类组合最全面的供应商，我们可以提供超声波传感器、摄像头、毫米波雷达以及激光雷达，而且这些传感器都是已经量产的。
目前，行业内大部分的专家都认为要达到L3或者L3以上的自动驾驶，必须使用激光雷达。
激光雷达对L3及L3以上自动驾驶的重要性
在自动驾驶分级L0到L5中，我们认为，目前挑战最大的是从L2到L3的这样一个跨越，原因有很多。首先是因为我们现在已经量产的在路面上跑的车辆搭载的大多是L2或L2以下的系统，包括特斯拉和沃尔沃。严格意义上讲L2不是自动驾驶，它只是驾驶辅助而已。L3是人机共驾，从L2到L3，这是一个很大的跨越。这里面有很多原因，有技术上的、性能上的，也有鲁棒性的要求，还有验证方面的，从L2到L3并不是我们想象的稍微增加一些验证工作量。
而当中，还有一个非常重要的原因是冗余性，用一个形象的比喻来讲，冗余就是一个安全备份。给大家看一张图，这张图中有两类传感器，是L2系统常用的摄像头和毫米波雷达。它们是互为补充的，即一类传感器在某个性能上面不是很强的话，另外一类传感器正好可以来补充，起到互补的作用。但他们没有所谓的冗余，当一类传感器告诉你不安全，而另外一个传感器告诉你安全，那你到底应该相信谁？甚至在某种情况下两个传感器都告诉你是安全的，就像刚才朱老师演讲中提到的特斯拉那起事故，它的毫米波雷达探测出清扫车了，但它无法确定到底是路边的一个金属物还是清扫车，因为误报可能引起其他的安全隐患，所以特斯拉在这起事故当中就没有刹车。
这个对于安全来说是一个很大的问题，如果要达到L3以上的自动驾驶，那该怎么办？L2系统可以要求驾驶员始终把手放在方向盘上面，眼睛注视前方，其实L2系统是用驾驶人的眼睛作为感知的冗余或者作为视觉的备份。
所以从这个道理来讲的话要达到L3，你必须有第三类的传感器来帮助你达到感知的冗余，这就是为什么我们认为L3以上的自动驾驶必须使用激光雷达的一个原因。
当然相比摄像头、毫米波雷达，激光雷达有很多其他的特点或者优点，这里我们只是列了其中几个。比如说它可以比较精准的判断前方的路面上出现的障碍物，比如说在150米以外出现了一个箱子，判断这个箱子是否在与你同一条车道内，这个是非常重要的，因为要用来判断你是不是要刹车，或者是不是要换道来躲避这个障碍物，如果不在同一条车道内那你可以不管它。所以，这是毫米波雷达所不能判断的。由于这些特点和优点，激光雷达可以起到真正的感知冗余功能。
在2017年的11月份，法雷奥在行业内第一个推出了量产的车规级的激光雷达，我们叫SCALA激光雷达，搭载在当时上市的全新奥迪A8，它安装的位置是在发动机进气格栅的下方。随着奥迪A8的上市，我们得到了很多第三方的认可和媒体的好评，在2018年底特律车展，SCALA雷达荣获了美国汽车新闻的PACE Award，即“优秀供应商杰出贡献奖”，这是在行业内对零部件供应商的特殊荣誉。
我们的SCALA激光雷达不止装配一个车型，奥迪A8上市以后，后面奥迪的A6、A7、Q7、Q8车型都有搭载。相比A8，后面几个车型的激光雷达安装的位置稍微有点改变，从发动机进气格栅的正下方移到了右上方。因为它也要搭载毫米波雷达，为了美观，左右一边一个做成对称的，因此位置布局有一个改变。
我们的SCALA激光雷达是行业内第一个量产的车规级激光雷达，也是到今天为止唯一的一个量产的车规级激光雷达。
SCALA激光雷达的性能是怎么样呢？它安装在发动机进气格栅的下方，前向的水平视角是145度。它的探测距离，车对车最远可以达到250米。它可以在白天或者黑夜不受光线的影响，探测出静止或者运动的障碍物。一般来讲AEB测试中最难的是探测出前面静止的汽车或者是其他障碍物，而激光雷达都可以探测出。
为何法雷奥极光雷达的开发要七年之久？
大家可能会好奇SCALA激光雷达是怎么开发出来的。首先这是一个非常长的历程，大家不要以为激光雷达很容易做，因为从时间上讲的话，它真正的开发始于2010年。当时是跟Ibeo的独家合作，开始了概念的开发。从2010年概念开发到工业化，一直到2017年11月随着奥迪A8正式量产上市，经历了七年，所以七年磨一剑，用来比喻开发一个激光雷达真的是不容易。
这里有很多工作，大家会好奇为什么要这么长时间，我们列了一些工作内容，还不是所有的。你要量产一个传感器或者激光雷达的话，首先要做感知性能、体积尺寸和成本之间的平衡，因为我们要量产的话一定要找到这三者之间适当的折衷方案。
这个是量产的车规级的激光雷达，必须设计上能够方便布置安装，我们的OEM客户不可能接受一个架在车顶的像花瓶一样的激光雷达，因为这没法通过造型的评审。所以你需要体积足够小，能够安装在车内不被发现的位置上，最后当然还有成本，这是除了性能以外所要达到的另外两个非常重要的指标。而在性能里面，水平视角，还有分辨率和探测距离，这三个主要的性能又是互相矛盾的，所以你又要平衡或者折中这三个性能，找到最优的组合，这也是性能开发当中首先需要关注的问题。
刚才已经讲到我们需要把激光雷达无形的集成在车身设计中，满足整车的造型设计的要求。还有一个挑战是车规级的激光雷达必须满足温度和机械振动冲击下保持所需的高机械精度，车规级的激光雷达不可能要求车辆只在好天气或平缓的道路上驾驶，所以你需要过高低温试验，过振动冲击试验，过强化耐久试验等等，这些都是需要跟整车一样过严格的车规级的测试。
从2010年概念开发开始，2013年其实已经开始样品的生产了，在2015年已经建了一条符合车规级的小批量的生产线，到2017年11月上市之前，法雷奥已经生产了五千多颗的SCALA激光雷达，因为这需要很多的测试，包括后面的里程数积累，数据采集和客户一起做验证，所以你需要很多数量的激光雷达做开发设计和测试验证，而到2017年11月份我们才正式开始SOP量产符合车规级要求的激光雷达。我们这个激光雷达目前是在德国批量生产。
对于法雷奥来讲是前所未有的挑战，因为在汽车行业内第一次我们需要处理微米级的精度。大家知道激光雷达里面有光学的元件，它必须保证光学路径在微米级保持精度，而且在冲击振动高低温之下来保证这些精度。之前大家都知道汽车生产比如车身都是毫米级的精度，而现在这里是微米级的。
最后还有成本价格，我们经常会碰到其他的同行或者客户问，你们SCALA激光雷达的价格多少。很抱歉，因为一般情况下我们是不公开给现有客户提供激光雷达的价格，但是有一点我们可以说，如果要让OEM客户接受你量产的激光雷达，你的批量单价必须远低于一千欧元，所以价格也是车规级当中非常重要的概念。大家不要认为我做了一个传感器或者一个零部件，性能非常好，质量也非常好，我就能让OEM使用。因为大家都知道，价格有承受度，你不可能卖30万的车，而激光雷达需要好几万人民币甚至更高，这是没有一家整车企业可以接受的，也没有普通消费者愿意买单的。
法雷奥迄今为止已交付超过十万颗的SCALA激光雷达，这是什么概念呢？相比之下，另外一家知名的激光雷达公司从成立至今一共交付了三万多颗激光雷达，只有我们的三分之一。
这里面有很多的工作是在验证可靠性，刚才说到设计必须使得我们的激光雷达融于车身一体而不影响造型，同时在这个过程当中我们要保证生产制造的微米级的精度。最后反复强调一点就是车规级，要确保在整个工作温度之内，即零下40度到零上85度的范围之内保证正常工作，而且有足够的对机械振动冲击的稳健性，不能车辆过了一个坎儿以后，突然你的激光雷达就不工作了，或者是发生误报了，这个是任何顾客没法接受的。
还有一个，也是经常被忽略的问题，我们不可能要求量产以后的激光雷达在使用当中，要求顾客只在风和日丽的环境中使用，不能去泥泞的地方，不能在下雨的时候驾驶。所以在激光雷达中我们有自动加热的前盖，还有传感器清洗功能，这样使得我们的激光雷达就像普通车辆一样，可以在不同的气侯环境和路况下使用。
再来说下激光雷达自动清洗功能，这是怎么实现的呢？传感器清洗可以同样适用于摄像头，它可以通过移动的可伸缩的或者固定的喷头喷洒清洗液在表面，喷洒清洗液以后，车辆在行驶过程当中它可以自然的风干，或者用压缩空气吹干。为了保证自动驾驶的安全我们必须有清洗系统，而且这个清洗系统必须是自动的，不需要驾驶员来控制，而是用算法来自动判断是不是需要清洗。当然，视频中显示的只是一种清洗系统，针对不同形状的激光雷达或者不同类型的传感器，我们开发了多种传感器自动清洗系统。没有自动传感器清洁系统，就没有真正的自动驾驶，这个道理非常简单，就像我们的眼睛一样，如果你的眼睛被蒙蔽了，眼镜被污染物遮盖的话，那你是没法真正安全地来驾驶的。
接下来的视频为大家展示一下基于所有法雷奥已量产的传感器，当然不光是激光雷达，我们还有摄像头、毫米波雷达和超声波传感器，基于这些已经量产的传感器我们去年在巴黎的城市道路所做的一个基于城市道路工况的自动驾驶，这是L4级别的自动驾驶的展示。
这辆自动驾驶车辆搭载了十二个超声波传感器，八颗激光雷达，四个毫米波雷达，一个前视摄像头和四个环视摄像头。
大家会问为什么有那么多的传感器，我刚才已经提到了我们需要多传感器的融合，因为这是一个还在做试验验证的车辆，必须保证安全冗余，我们搭载的传感器种类和数量的确比较多。但是你也可以想象，如果今后要大规模量产的话，传感器的数量肯定会相应的减少一些。
很多人问你这个激光雷达只是一个硬件吗？昨天上午，赵福全院长在主旨发言中已经讲到，如果只熟悉硬件开发，软件不能做的话，很容易被0.5级的供应商或者其他的厂商所替代。这里要强调一点，激光雷达我们提供给客户的不仅是硬件，也有软件，我们客户得到最后的结果是检测出来的目标，而不仅仅是点云。所以我们在开发过程当中，七年时间中大约有三分之一用来开发硬件，三分之一的时间用来开发软件，还有三分之一的时间用来测试验证，所以相当一部分的工作是用于软件的开发，内部开发算法涵盖从低层到终端用户功能，最后完成目标检测、跟踪和分类。
为了做到多传感器融合和感知的冗余，你还需要解决以下几个问题。首先是运动的补偿，运动补偿其实是针对某个传感器来讲，比如激光雷达在扫描的过程当中，大家不要以为激光雷达扫描很快，再快它还是需要时间的，扫描一圈的过程当中，前面的物体或者车辆已经发生了位移，你需要解决在这个过程当中运动的补偿，来消除因为目标车辆或者其他的障碍物在扫描过程中运动而带来的影响。对多传感器你还需要做到时间的同步，各个传感器之间需要同步，不能有时间差。大家可能认为差几毫秒没有什么关系，但是在高速运动情况下即使是几毫秒的位移运动也可以是非常大的。
还有多传感器的标定，多传感器定位和视场角等等，这些都需要我们在真正量产之前需要完成的，所以多传感器的冗余融合是一个非常重要的工作。
这是法雷奥自动驾驶的软件构建块，我们在全球有四千多名驾驶辅助工程师和约200名人工智能专家，这个数量还是非常大的，用来支持研发过程当中所需要的软件开发和人工智能这样的一些需求。
SCALA第一代的激光雷达到现在已经量产两年了，明年我们首先投入SOP的是环视的激光雷达，因为激光雷达的水平视角是145度，为了达到360度环视的感知功能，你可能需要配备多颗激光雷达。明年我们也会量产第二代的激光雷达，与第一代同样都是机械式的，但是第二代相比第一代会增加三倍的垂向视角，在视场中心区分辨率上也会有改善。它能识别道路标识来作为前视摄像头的冗余。同时第三代我们也在积极开发当中，第三代激光雷达将会是固态的，将会包括MEMS技术在内的多种技术路线。它的量产时间需要随着整车客户的SOP时间来定，所以大概在2021年左右。
到今天为止，法雷奥的SCALA雷达还是行业内唯一一款量产的车规级激光雷达，而且我们第二代的激光雷达将会在我们的竞争对手发布他们量产的激光雷达之前发布，所以说我们拥有至少4年的竞争优势。
值得一提的是，除了奥迪以外，我们还有其他的客户，因为还没有SOP之前我们没法公布他们的照片，请大家理解。我们在上个月宣布了，法雷奥的SCALA激光雷达至少已经获得了四家国际车企五亿欧元的订单，其中既有欧洲也有日本的车企，也包括豪华和大众主流车企。
除了一般的乘用车，我们也在一些其他的领域，比如NAVYA，它是一家在法国专门开发无人驾驶小巴和无人驾驶出租车的初创公司，我们既是投资人，也在供激光雷达。而今后很多的自动驾驶会应用在物流甚至在赛车领域，法雷奥激光雷达在这个领域也有应用。
最后总结一下，法雷奥开发的SCALA激光雷达是世界上第一款从产品设计、验证、制造到成本都符合车规级严格要求的，并且已经量产的激光雷达。
谢谢大家的聆听！
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