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无人驾驶需要怎样的传感器?

5月22日-5月23日在东京召开了“2019 Flex Japan/MEMS & SENSORSENSORS Forum”,在此论坛上,法国Yole Développement的负责车载传感器(Sensor)的分析师Jérôme Azémar先生发表了题为“汽车产业的传感器技术及市场动向”的演讲,本文主要是介绍了其发表的车载传感器的未来市场趋势。

图1:发表演讲时的情形,照片系笔者拍摄。(图片出自:mynavi)2017年全球汽车产业的市场规模达到2.3兆日元(约人民币1,380亿元),全球汽车三强为:德国的大众、丰田汽车、雷诺·日产·三菱联盟,2018年雷诺·日产·三菱联盟的销售额以极小的差距超越了丰田汽车。另外,据预测,今后汽车产业的年度增长率约为2.7%,其中车载电子的年度平均增长率约为7%,即每年增加1,420亿美元(约人民币9,656亿元)的规模,其中车载传感器年度平均增长率约为13%,即每年增加110 亿美元(约人民币748亿元)的市场规模,其较高的增长率着实引人关注。

图2:全球汽车产业的主要品牌分布图。(图片出自:Yole Développement)2个近乎实现完全无人驾驶的方法


实现完全无人驾驶主要有两类方法。其一,以丰田汽车为首的汽车厂商采用的高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced Driving Assistant System)。从Level1(级别1)开始逐步提高到最高的Level5级的无人驾驶,由于最初没有设定行驶范围,所以无人驾驶车辆可以在任何一个地方行驶。另一种具有挑战性的方法是IT公司与新兴Mobility (移动)企业合作推出的Robotic Car(机器人汽车),最初就开发了相当于Level5的汽车,后来逐步扩大行驶范围,最终在任何一个地方都可以行驶。无论哪一个方法其最终目标都是实现完全无人驾驶。(图3)

图3:实现完全无人驾驶的两个方法。(图片出自:Yole Développement)如今,在地球上行驶的汽车有50%以上都是Level0。另外,据Yole预测,朝着双手自由、两脚自由、解放双眼(不需要随时注视前方)、解放大脑。。。。。。这一方向发展无人驾驶技术,2045年销售的汽车中70%都将会是无人驾驶车辆,在2050年销售的汽车中30%都将会是Level5级别的。(图4)

图4:无人驾驶级别的市场普及率(预测值)(图片出自:Yole Développement)无人驾驶时代所要求的车载传感器


ADAS汽车搭载了用作各种目的的传感器,比如长距离雷达、中短距离雷达、LiDAR(Light Detection And Ranging,即激光雷达技术)、摄像头、超声波传感器、GNSS(Global Navigation Satellite System,即全球定位卫星系统)、红外线传感器等。现在,很多汽车的前方和后方都搭载了传感器,随着无人驾驶级别的提高,360度感应的实用化越来越重要。

另外,最初就以无人驾驶为目标的Robotic Car(机器人汽车)搭载了8个摄像头、6个LiDAR(4个短距离、1个中距离、1个远距离)、4个雷达、10个其他传感器(8个超声波传感器、2个GPU/IMU)。

图5:ADAS车的传感器的种类、用途、目的。

(图片出自:Yole Développement)

在以上这样的汽车传感器中,数量增长最多的将会是用于长距离摄像头,预计2030年的年度出货数量为1,000万个左右。另外,中距离LiDAR、短距离LiDAR、短距离雷达、短距离摄像头的2030年预测出货数量分别为500万个左右,长距离雷达的2030年预测出货数量约为250万个,由此可见长距离摄像头的增长最值得期待。另外,远红外(Long Wave Infra Red)摄像头是用于识别夜间的行人和野生动物的,据Yole预测,从2021年开始其出货数量将会以每年增长30%的超高速增长,2024年的年度销售数量约为50万个(销售金额约为1.9亿美元,约人民币12.92亿元)。



图6:2017年-2018年的车载传感器系统的出货数量推移表。(图片出自:Yole Développement)从金额来看,车载摄像头模组在2018年-2023年的年度增长率约为15.8%,预计在2023年的年度销售额将达到58亿美元(约人民币394.4亿元),其中机器人汽车将占据75%。

图7:车载摄像头模组的销售额预测(金额单位:百万美元)。(图片出自:Yole Développement)

图8:车载LiDAR的销售额预测(金额单位:百万美元)。(图片出自:Yole Développement)  另一方面,按照使用的频段来分,雷达模组的市场可以分为3种。24GHz雷达的市场规模约为15.4亿美元(2018年,约人民币104.72亿元),到2020年基本是微增,之后转为减少,2022年的市场规模将比2018年还要低。另外,在2018年主流的77GHz雷达的市场规模将会达到24.7亿美元(约人民币167.96亿元),随着AEB(Autonomous Emergency Braking,即自动制动系统)的普及将会逐步增长,预计在2024年将会突破40亿美元(约人民币272亿元)。与之相比更高频率的79GHz雷达市场预计也会有较高的增长,预计在2024年将会达到20亿美元(约人民币136亿元)的市场规模,雷达市场整体的年度平均增长率约为23%,2022年的市场规模将会达到75亿美元(约人民币510亿元)。

图9:按照车载雷达市场的使用频段来区分的销售额预测(单位:百万美元)(图片出自:Yole Développement)负责处理传感器的半导体市场将会怎么样?


随着各种传感器搭载数量的增加,通过处理这些信息,对汽车各部位进行反馈(Feedback)的半导体的重要性也在逐渐在增加。据Yole预测,关于用于信息娱乐( Infotainment)方面的半导体的未来市场动向,今后大约在Level3的时候,现在使用的多个MCU(Micro Controller Unit,即微控制单元)将会被作为 FPGA(Field-Programmable Gate Array,即现场可编程逻辑门阵列)或者Vision Processor(视觉处理器)处理成一个模块,此后, 也会加上用于Level 5的ADAS专用的平台(Platform),根据具体情况将会一体化。(图10)

图10:用于车载信息娱乐方面的半导体的推移。

(图片出自:Yole Développement)


2018年车载Computer Hardware(计算机硬件)的市场规模达到31.5亿美元(约人民币214.2亿元),未来机器人汽车将会起到牵引的作用,预计年度平均增长率约为17%,在2028年市场规模将会达到150亿美元(约人民币1,020亿元)。

图11:每个无人驾驶级别(Level)的车载计算机硬件的市场增长预测值(2018年-2028年)(图片出自:Yole Développement)另外,现在Level 2的ADAS车搭载的处理器的性能约为1TOPS((Tera Operations Per Second),消耗电力控制在3W-5W左右;Level 4或者Level 5 的无人驾驶汽车的处理器性能要求约为10TOPS以上,消耗电力也随之提高。现在每个芯片的消耗电力约为数十W左右,为机器人汽车提供芯片的半导体厂商也将沿袭这一功率数。Yole指出,以传统的汽车厂商为中心,对于低功耗的要求依然很高,对于未来的车载处理器来说,其开发目标将会是实现1TOPS/W或者更高耗能的运算性能,这将会成为各家车载半导体厂商的新挑战。

图12:用于ADAS和机器人汽车的计算机硬件的基准(Benchmark),消耗电力(W)对计算性能(TOPS)。(图片出自:Yole Développement)

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产业传感器无人驾驶
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激光雷达技术

自动驾驶车辆传感器的一种,采用激光扫描和测距来建立车辆周围环境的详细三维模型。Lidar 图像具有高度准确性,这使得它可以与摄像头、超声波探测器和雷达等常规传感器相提并论。然而激光传感器面临体积过大的问题,同时,它的机械结构非常复杂。

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