周俠，吳雪珍，譚鑫

重慶睿藍(lán)汽車研究院有限公司，重慶 401122

0 引言

當(dāng)前，新能源汽車作為高科技產(chǎn)品涉及眾多領(lǐng)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(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品相比，較強(qiáng)的輔助駕駛功能是新能源乘用車的一項(xiàng)典型特征，而激光雷達(dá)作為高階輔助駕駛技術(shù)中的關(guān)鍵零部件，具有價(jià)值高、精度高、科技含量高的特點(diǎn)，其在大多數(shù)傳統(tǒng)車企及新能源“新勢(shì)力”廠家產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文將對(duì)激光雷達(dá)這一新興的新能源汽車零部件在工作原理、種類及應(yīng)用等方面展開討論。

1 激光雷達(dá)介紹

激光雷達(dá)是集激光、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和慣性測(cè)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，主要面向輔助駕駛汽車環(huán)境感知、機(jī)器人環(huán)境感知、無人機(jī)測(cè)繪等領(lǐng)域。

激光雷達(dá)通過激光發(fā)射組件發(fā)射高頻率激光束對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行持續(xù)性的掃描，經(jīng)過測(cè)距算法提供三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)及物體反射率，可以讓機(jī)器“看到”周圍的世界，從而為定位、導(dǎo)航、避障等提供有力的保障（如圖1 所示）。

2 激光雷達(dá)的類型

激光雷達(dá)按掃描方式大體可以分為3 種類型：機(jī)械式、固態(tài)式和混合固態(tài)式。

機(jī)械式即機(jī)械旋轉(zhuǎn)式，是指激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在物理意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器將激光點(diǎn)變成線，并在豎直方向上排布多束激光發(fā)射器，形成面，實(shí)現(xiàn)3D 掃描。激光雷達(dá)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(diǎn)云[1]。但機(jī)械式激光雷達(dá)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括激光器、掃描器、光電探測(cè)器以及位置和導(dǎo)航器件。由于通過復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)，其硬件成本高，且很難保持長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)械式激光雷達(dá)如圖2 所示。

固態(tài)式是指激光雷達(dá)為單個(gè)整體，沒有需要旋轉(zhuǎn)和可動(dòng)的掃描部件，其工作可靠性高。隨著自動(dòng)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(dá)未來會(huì)大批量地搭載到量產(chǎn)車型中，以滿足車規(guī)級(jí)自動(dòng)駕駛的要求[3]，如圖3 所示。

混合固態(tài)式類似于機(jī)械式，通過電機(jī)帶動(dòng)反射鏡運(yùn)動(dòng)（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(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)激光的掃描（即光學(xué)包絡(luò)FOV），如圖4、圖5 所示。

混合固態(tài)式是機(jī)械式和固態(tài)式的折中方案（較機(jī)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(dòng)部件），一些廠家采用先進(jìn)技術(shù)和工藝，不僅保證了激光雷達(dá)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(dá)主要供應(yīng)商及裝車產(chǎn)品

3 激光雷達(dá)的應(yīng)用

3.1 車用激光雷達(dá)的安裝位置

目前量產(chǎn)的新能源汽車產(chǎn)品中，激光雷達(dá)的安裝位置主要有車頂（前或后）、前保險(xiǎn)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(diǎn)如表2 所示。最常見的方案是采用1 顆激光雷達(dá)安裝在車頂前部；少數(shù)車型采用2 顆激光雷達(dá)安裝在前保險(xiǎn)杠兩側(cè)；采用3 顆及以上激光雷達(dá)的方案，一般會(huì)在前翼子板兩側(cè)再分別安裝1 顆激光雷達(dá)。激光雷達(dá)數(shù)量越多，雷達(dá)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(shí)，產(chǎn)品成本也越高。

表2 激光雷達(dá)不同安裝位置的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 車用激光雷達(dá)的技術(shù)要求

車用激光雷達(dá)的技術(shù)要求主要有以下幾點(diǎn)：一是整車在空載狀態(tài)下，激光雷達(dá)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(gè)區(qū)間范圍），布置在車頂時(shí)，高度一般小于1.8 m，布置在前保險(xiǎn)杠時(shí)，高度一般為400～800 mm，布置在前翼子板時(shí)，高度一般為400～1 800 mm；二是激光雷達(dá)的光學(xué)包絡(luò)（FOV）內(nèi)不允許出現(xiàn)遮擋，需著重考慮雷達(dá)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(dá)產(chǎn)品的視窗（FOV 發(fā)射面）外不允許有遮擋的零件，同時(shí)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(dá)的安裝角度需要滿足一定要求，比如雷達(dá)仰角（即上下方向）一般為0°（雷達(dá)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(dá)的FOV 中心線與車輛縱向?qū)ΨQ面夾角）。除了以上幾點(diǎn)要求，在零件裝配公差、零件的適配形狀等方面也有相應(yīng)的要求，同時(shí)，不同廠家對(duì)于具體指標(biāo)的要求也存在差異，需要根據(jù)具體零件選型進(jìn)行分析。

4 結(jié)束語

本文介紹了激光雷達(dá)的工作原理、分類、特點(diǎn)，車用激光雷達(dá)一般的安裝位置及一般技術(shù)要求，對(duì)于了解新能源乘用車激光雷達(dá)及其實(shí)際應(yīng)用具有重要參考意義；同時(shí)，通過近年來對(duì)激光雷達(dá)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(dá)在新能源汽車中的應(yīng)用將成為趨勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>