新能源乘用車激光雷達概況及應用研究

周俠，吳雪珍，譚鑫

重慶睿藍汽車研究院有限公司，重慶 401122

0 引言

當前，新能源汽車作為高科技產品涉及眾多領域，如節能降耗、碳中和、輔助駕駛、人工智能、車聯網等。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品中并進行實際應用。與傳統汽車產品相比，較強的輔助駕駛功能是新能源乘用車的一項典型特征，而激光雷達作為高階輔助駕駛技術中的關鍵零部件，具有價值高、精度高、科技含量高的特點，其在大多數傳統車企及新能源“新勢力”廠家產品中的應用也越來越廣泛。本文將對激光雷達這一新興的新能源汽車零部件在工作原理、種類及應用等方面展開討論。

1 激光雷達介紹

激光雷達是集激光、全球導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）和慣性測量裝置（Inertial Measurement Unit，IMU）3 種技術于一身的系統，具有分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強等優勢，主要面向輔助駕駛汽車環境感知、機器人環境感知、無人機測繪等領域。

激光雷達通過激光發射組件發射高頻率激光束對外界環境進行持續性的掃描，經過測距算法提供三維空間點云數據及物體反射率，可以讓機器“看到”周圍的世界，從而為定位、導航、避障等提供有力的保障（如圖1 所示）。

2 激光雷達的類型

激光雷達按掃描方式大體可以分為3 種類型：機械式、固態式和混合固態式。

機械式即機械旋轉式，是指激光雷達發射系統和接收系統存在物理意義上的轉動，不斷旋轉的發射器將激光點變成線，并在豎直方向上排布多束激光發射器，形成面，實現3D 掃描。激光雷達的幀頻和掃描頻率與轉速直接相關，旋轉一周，掃描一次，掃描一次，輸出一幀點云[1]。但機械式激光雷達的內部結構復雜，主要包括激光器、掃描器、光電探測器以及位置和導航器件。由于通過復雜的機械結構實現高頻準確的轉動，其硬件成本高，且很難保持長時間穩定運行。機械式激光雷達如圖2 所示。

固態式是指激光雷達為單個整體，沒有需要旋轉和可動的掃描部件，其工作可靠性高。隨著自動駕駛技術的發展和傳感器硬件技術的更新，固態激光雷達未來會大批量地搭載到量產車型中，以滿足車規級自動駕駛的要求[3]，如圖3 所示。

混合固態式類似于機械式，通過電機帶動反射鏡運動（反射鏡又可分為微振鏡、轉鏡、雙軸轉鏡等），將激光反射到不同的方向，實現一定范圍內激光的掃描（即光學包絡FOV），如圖4、圖5 所示。

混合固態式是機械式和固態式的折中方案（較機械式只掃描前方一定角度內的范圍，較固態式仍有一些較小的活動部件），一些廠家采用先進技術和工藝，不僅保證了激光雷達的高性能和可靠性，而且大幅降低了量產成本[5]，是目前階段量產裝車的主流產品，如表1 所示。

表1 車用激光雷達主要供應商及裝車產品

3 激光雷達的應用

3.1 車用激光雷達的安裝位置

目前量產的新能源汽車產品中，激光雷達的安裝位置主要有車頂（前或后）、前保險杠（居中或者兩側）、前翼子板（兩側）等，如圖6 所示，不同安裝位置的優缺點如表2 所示。最常見的方案是采用1 顆激光雷達安裝在車頂前部；少數車型采用2 顆激光雷達安裝在前保險杠兩側；采用3 顆及以上激光雷達的方案，一般會在前翼子板兩側再分別安裝1 顆激光雷達。激光雷達數量越多，雷達掃描的范圍越大，性能也越好（多數存在性能冗余現象），同時，產品成本也越高。

表2 激光雷達不同安裝位置的優缺點

3.2 車用激光雷達的技術要求

車用激光雷達的技術要求主要有以下幾點：一是整車在空載狀態下，激光雷達的安裝位置離地高度（此高度根據不同布置方案，一般是一個區間范圍），布置在車頂時，高度一般小于1.8 m，布置在前保險杠時，高度一般為400～800 mm，布置在前翼子板時，高度一般為400～1 800 mm；二是激光雷達的光學包絡（FOV）內不允許出現遮擋，需著重考慮雷達裝飾板、雨刮、A 柱、前艙蓋等的影響，現階段，裝車的激光雷達產品的視窗（FOV 發射面）外不允許有遮擋的零件，同時需要保證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）；三是激光雷達的安裝角度需要滿足一定要求，比如雷達仰角（即上下方向）一般為0°（雷達垂直方向的FOV 中心線與地面夾角），左右擺角（即水平方向）一般為0°～115°（雷達的FOV 中心線與車輛縱向對稱面夾角）。除了以上幾點要求，在零件裝配公差、零件的適配形狀等方面也有相應的要求，同時，不同廠家對于具體指標的要求也存在差異，需要根據具體零件選型進行分析。

4 結束語

本文介紹了激光雷達的工作原理、分類、特點，車用激光雷達一般的安裝位置及一般技術要求，對于了解新能源乘用車激光雷達及其實際應用具有重要參考意義；同時，通過近年來對激光雷達發展情況的分析可知，未來幾年，混合固態及固態激光雷達在新能源汽車中的應用將成為趨勢，發展潛力巨大。