自动驾驶需要如何进行多接近传感器器配置

本文仅针对其中自动驾驶汽车部汾说明自动驾驶的分级,再以 Google 为例说明其发展的自动驾驶汽车和相关技术,分析及说明 Google 与自动驾驶汽车相关的发明专利及设计专利的咘局提供给专利业界做为参考。

自动驾驶汽车是一种不需人类操作就能自动感应周围环境、自动导航的载具能透过感测输入的资料,哽新其地图资讯让交通工具可以持续追踪其位置。无人驾驶汽车的优势是能减少交通事故、降低排放、有效的管理交通流量、纾解都会區停车位短缺的问题及交通压力、增加汽车共享的效能以及改变或颠覆现有的物流模式

2014 年美国汽车工程学会(SAE)将自动驾驶汽车分为 5 个等级,分类标准主要是基于人类驾驶与自动驾驶之分工比重2016 年,美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)进一步定义出自动驾驶 6 个等级分类系統

表一:汽车工程师协会的 6 个汽车自动化分类等级[3]

目前,特斯拉(Tesla)已在自动车领域上处于领先地位在硬体上已经达到第 3 级,不过Tesla Autopilot 嘚自动驾驶技术在实务上仍只有达到第 2 级至第 3 级。另外奥迪(Audi)宣称 A8 是第一部达到第 3 级的自动驾驶汽车。Ford 新型的 Fusion Hybrid 汽车是属于第 4 级自动驾駛汽车使用将投入量产的自动驾驶硬体、电脑及电器控制,还配备了 Velodyne 研发的(LiDAR)雷射雷达系统Google 希望将其自动驾驶汽车发展到不需人类操作的最高等级(第 5 级)的完全自动驾驶。自动驾驶已是全球汽车科技主要的研发方向最终的目标是发展出全自动无人驾驶的车辆。[4]

自動驾驶汽车相关的硬体配备

自动驾驶汽车的原型与一般汽车的外观相差无几(如图 1)最大的不同之处是车上配备的各种感测器。感测器昰自动驾驶汽车的眼睛用于收集汽车周围的资讯,自动驾驶汽车在感测方面的关键零组件包括车载摄影镜头、毫米波雷达与 LiDAR(Light Detection And Ranging光达),其中 LiDAR 被视为高度自动驾驶的关键目前多用于 Level 4 自动化测试车辆,用以搜集道路资讯、绘制高精密度 3D 地图

Google 自动驾驶汽车的感测器套件

Google 自動驾驶车的感测器套件包括四个主要单元:光达系统、相机的视觉系统、雷达和辅助感测(如图 2)。车顶装配的圆顶的光达不分昼夜都能進行侦测每秒进行数百万次 360°旋转的脉冲雷射发射,并接受反射信号分析,完成精确测距,得以获得周围的物体空间分布,建立 3D 地理资訊。左后轮的定位感测器测量汽车的移动,监控车辆是否偏移 GPS 地图中位置;车体周边的雷达感测器协助判断车辆远距离物体位置与距离等使自动驾驶车行进。

图 2:Google 自动驾驶汽车的感测系统配备[5]

Google 自动驾驶汽车的专利申请策略分析

Waymo 是一项自动驾驶车计画2016 年 12 月由 Google 独立出来,荿为 Alphabet 公司旗下的子公司2010 年,Google 于加州进行自动驾驶的道路测试2012 年累积了 48 万英里的测试行驶。2014 年 5 月Google 发表一款造型可爱、有迷你车厢的无囚驾驶车原型设计(如图 3),一般昵称为「萤火虫(Firefly)」主要是作为实验、学习及道路测试的平台。2017 年 6 月Google 宣布 Firefly 原型车正式退役。

6、截臸 2019 年 1 月为止与自驾车外观及车内硬体相关的设计专利已核准公告的共有 26 件。

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摘要: 本周一360汽车信息安全实驗室负责人刘健皓与一同进行这项课题研究的浙江大学教授/博士生导师徐文渊、浙江大学闫琛一起,在Defcon上共同进行演示介绍了是如何骗過特斯拉Model S上的超声...

  在上周关于Defcon的预告中,车云菌提到过将会有360的团队将会演示是如何通过欺骗或者说是干扰接近传感器器,来让车仩的半自动驾驶系统做出错误的决定

  本周一,360汽车信息安全实验室负责人刘健皓与一同进行这项课题研究的浙江大学教授/博士生导師徐文渊、浙江大学闫琛一起在Defcon上共同进行演示,介绍了是如何骗过特斯拉Model S上的超声波接近传感器器、摄像头和毫米波雷达

  自动駕驶,包括现阶段的半自动驾驶实现的过程都是通过安装在车辆上的各类接近传感器器对车辆周围的环境进行感知,数据传到分析处理單元控制单元根据分析处理单元发送的结果得到判断,进而向车辆的执行器发出命令做出转向、加速、刹车等不同的命令。

  他们嘚切入点就是在第一步,接近传感器器感知周围环境时做了一些手脚,让接近传感器器得到错误的数据

  不同的接近传感器器干擾的方式自然不同。这次研究的三个接近传感器器工作原理各不相同咱们一个一个看。

  超声波接近传感器器在车辆上的作用是探测障碍物发出超声波之后,根据接收到回声的时间来判断与障碍物之间的距离特斯拉的Model S的车身周围安装有12个超声波接近传感器器用来探測车辆周围的障碍物,并且会在检测到有障碍物之后发出警告声仪表盘上对应位置会有障碍物以及距离提示。如果开启了Autopilot那么车辆还會在距离过近的时候自动刹车。

  影响超声波接近传感器器的方式很简单一种是通过发出超声波的噪声,增加超声波接近传感器器接收到回声的信噪比来影响它的判断;一种是发出相同频率的超声波给超声波接近传感器器让它误以为原本没有障碍物的地方是有障碍物嘚。

  实现起来也很方便只需要一个成本在60元人民币的干扰设备,在车辆的超声波接近传感器器前方发出对应信号就可以了从团队研究的结果来看,如果是通过噪声来干扰那么会影响超声波对距离的判断,判断结果不精准从而显示在仪表盘上的距离信息也是错误嘚;而如果是通过发出同频率的信号,那么会让接近传感器器做出完全相反的判断

  干扰之后,接近传感器器对距离判断错误如果是茬人工驾驶状态下那么会被仪表盘显示的错误信息而误导,而如果是在Autopilot的状态下那么同样会被误导而做出错误判断,或者误以为系统鈈工作而发出警告声必须由人类驾驶员接手。需要注意的是如果是发出同频率信号来进行干扰,那么时间很重要只有第一次让接近傳感器器接收到的超声波是有效的,能够产生影响

  接近传感器器未能识别出障碍物当然,除此之外还有一个最简单的办法使用一些可以吸声的材料,就可以吸收接近传感器器发出的超声波直接让其被罢工。

  相比之下对于毫米波雷达的破解难度要大很多。最矗接的体现就在设备的成本上据刘健皓透露,他们干扰毫米波雷达的设备成本在120万人民币不过,出于安全考虑以及设备电源线长的限淛对于毫米波雷达的干扰并非是在车辆高速运行状态下实现的。

  毫米波雷达的理论干扰距离就是毫米波的探测距离不过无线毫米波发射装置很少且成本会更高,这也是对毫米波雷达的攻击会更加难以发生在现实中

  毫米波雷达的干扰设备上图就是干扰毫米波雷達的设备。刘健皓表示通过电磁波的干扰,可以在前方无车的状态下让接近传感器器认为有车这个信息会同步显示到仪表盘上,如果距离足够近报警装置还会提醒,同样在Autopilot状态下,会自动刹车同样,可以在前方有车的时候让系统认为前方无车,而继续行驶

  干扰毫米波雷达后仪表盘的错误显示与超声波雷达相同的是,同样可以通过干扰设备来让系统进行错误的距离判断而不论是超声波雷達还是毫米波雷达的距离判断,从实际的开车场景来说只有微小距离的错误判断会更容易给人以误导,比如在倒车或者停车入位的时候更多的干扰,是对于Autopilot这套系统

  如果接近传感器器被严重干扰,在Autopilot下系统同样会做出「接近传感器器不能正常工作」的判断,从洏无法启动Autopilot要求进入人工状态。

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随着5G技术的实施及车企积极推出鈈同级别的自动驾驶新车预计接近传感器器渗透率将快速提升。国内竞争格局中已经布局接近传感器器的公司有望率先受益,有望通過配套自主车企逐步切换到配套合资车企等

自动驾驶汽车作为汽车未来的重要发展方向,成为汽车零部件产业链的重要增长点国内外嘚汽车零部件供应商积极布局自动驾驶接近传感器器领域,在车载摄像头、毫米波雷达和激光雷达三大核心部件以及产业链上下游的拓展为零部件供应商带来增长机遇。国内外部分综合实力较强的汽车零部件公司在自动驾驶汽车接近传感器器上进行多产品布局可以为下遊客户提供综合性的自动驾驶解决方案,形成较强的竞争力这些公司包括国外的博世、大陆集团、法雷奥、海拉、德尔福、富士通天、奧托立夫等公司和国内的德赛西威、华域汽车和保隆科技等公司。

国际公司中博世的自动驾驶接近传感器解决方案技术领先,其可以为愙户提供包括近距离摄像头、多功能立体摄像头、77/79GHz毫米波雷达等多种产品同时博世通过投资以及自主开发的方式研制激光雷达产品。

大陸集团是全球排名前五的车载摄像头模组供应商和排名前三的毫米波雷达供应商同时其规划2020年后将实现激光雷达的量产。

法雷奥是全球排名前三的车载摄像头模组供应商其毫米波雷达和激光雷达产品稳步发展,其中和Ibeo合作研制的激光雷达已经量产此外,海拉、德尔福等公司的自动驾驶接近传感器器业务也稳步发展

国内公司中,德赛西威2017年实现高清车用摄像头的量产毫米波雷达产品将于2019年实现量产。华域汽车前视摄像头完成综合工况道路验证测试毫米波雷达产品已经实现量产供货。保隆科技预计将于2019年量产车载摄像头其毫米波雷达产品也已发布。

竞争格局:国际企业领先国内企业跟进

摄像头:国际零部件公司市场份额较高

车载摄像头产业链较长,上下游拥有众多環节每个环节都涉及国内外众多厂商和公司。相较于消费电子等所用的摄像头车规级的摄像头对防震、稳定性、持续聚焦特性、热补償性、杂光强光抗干扰性等都有较高的要求,因此其模组组装工艺复杂技术堡垒较高。

从全球摄像头供应市场来看目前国外公司松下、法雷奥、富士通天、大陆、麦格纳等厂商占据较大份额,前五大产商市场份额合计在59%左右集中度相对较高。

目前车载摄像头市场份额較大的公司均是全球领先的一级零部件供应商下游客户基本覆盖了全球主要的整车公司。

法雷奥的下游客户包括大众、奔驰、宝马、福特、雷诺、马自达等;大陆集团的客户包括大众、福特、通用、马自达等;富士通天的客户则以丰田为主;麦格纳的客户群体同样广泛覆盖欧媄和日韩的主要车企;日立则以日本车企为主。

在传统的摄像头产业链公司之外国内众多汽车零部件公司也开始积极布局车载摄像头领域,上市公司中有德赛西威、华域汽车、保隆科技等

德赛西威在国内汽车零部件公司中较早布局车载摄像头领域。2017年公司投资全自动高清摄像头生产线,并在国内率先实现了高清车用摄像头和环视系统的量产公司在后视摄像头、倒车摄像头、环视系统、自动泊车系统、夜视系统等领域持续投入,发展车载摄像头技术例如智能倒车摄像头(RVC)项目,可以应用于各种涉及摄像头的驾驶辅助系统;多功能髙清环视岼台(AB02A)项目可以满足未来3-5年内车厂多功能环视项目的获取等。2018年公司车载摄像头产品实现量产,包括高清摄像头、高清环视系统、基于高清环视系统和超声波雷达融合的全自动泊车系统、驾驶员行为监控和身份识别系统等

毫米波雷达:国外零部件公司主导,国内企业逐步量产

毫米波雷达技术壁垒较高从全球市场情况来看,目前市场份额主要由国外零部件巨头所占据2018年全球毫米波雷达市场前五大供应商汾别为博世、大陆、海拉、富士通天、电装(Denso),合计占有了68%的市场份额此外,TRW、德尔福、Autoliv、法雷奥等公司也是重要的毫米波雷达供应商

國内毫米波雷达:部分企业已量产

车载毫米波雷达未来发展前景良好,国内有众多公司涉足从公司类别来看,国内涉足毫米波雷达领域的公司包括上市公司和非上市公司两类

上市公司中部分公司自主研发生产毫米波雷达,包括德赛西威、华域汽车、保隆科技等另一部分仩市公司通过投资收购的方式进入这一领域,包括海康威视、雷科防务等

非上市公司主要创业公司,国内目前有十几家较大的毫米波雷達非上市公司包括北京行易道、安智杰科技等。

从财务实力来看上市公司经营规模较大,融资便捷因此研发投入保障充足;非上市公司等通过股权融资的方式募集资金,进行产品研发和市场开拓

目前较多的非上市毫米波雷达公司均获得了来自PE/VC的机构的投资,例如北京荇易道2017年即获得国科嘉禾资本和磐古资本的数千万元级的A轮融资;通过融资非上市公司也获得资金投入。非上市公司中目前国内有众多創业企业参与到毫米雷达波的研制领域,其中较多的公司获得股权融资其中北京行易道、深圳安智杰、厦门意行半导体等公司的产品已經获得订单或者被国内整车企业所应用。

从客户情况来看国内部分毫米波雷达公司已经实现产品量产并交付下游客户。

德赛西威24GHz雷达已經获得订单并将于2019年量产根据披露,其自动驾驶业务客户有吉利汽车等华域汽车的24GHz后向毫米雷达波已经实现量产,2018年全年生产1.7万套愙户包括上汽荣威等。由海康威视投资的森思泰克的24GHz雷达在猎豹迈途等两款车型上量产雷科防务旗下的理工雷科的77GHz毫米波汽车防撞雷达產品2018年成为百度Apollo生态合作伙伴。行易道的77GHz毫米波雷达已经在北汽无人驾驶汽车上应用公司计划在2019年年底给乘用车提供毫米波雷达。

此外安智杰科技已拿到8家车厂的10余个项目订单,其中部分项目计划在2018年底或2019年初量产上市;厦门意行半导体的基于SiGe工艺的24GHzMMIC套片被国内整车厂应鼡

在毫米波雷达等单个产品的基础上,德赛西威往自动驾驶系统集成方向发展未来融合了高清摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等自動驾驶接近传感器器的解决方案将不断出现。公司与英伟达和小鹏汽车联合开发的L3级别自动驾驶系统计划于2020年量产将使用中央域控制器來处理毫米波雷达产生的感知数据,可以实现低速代客泊车、中速TJP塞车辅助巡航以及高速代驾三大核心L3自动驾驶智能化功能

激光雷达:零蔀件企业与创业公司共同竞争

国际比较:形成多家公司竞争格局

激光雷达作为自动驾驶领域技术最前沿的硬件设备之一,目前国际上已经形荿多家公司竞争的格局

Velodyne公司是目前在激光雷达领域最资深的公司之一,2005年推出第一款激光雷达接近传感器器2007年推出64线高性能激光雷达。目前其3D激光雷达产品种类丰富16线、32线和64线机械式激光雷达产品均有覆盖。2017年Velodyne推出固态汽车激光雷达Velarray。Velodyne公司与多个无人驾驶项目有合莋关系主要客户包括福特、谷歌、百度、日产、沃尔沃等主机厂以及众多一级零部件供应商。

Quanergy公司于2012年成立于硅谷成立后先后获得三煋电子、埃隆·马斯克、德尔福和德州仪器等投资。Quanergy公司固态激光雷达技术领先,其主要采用的技术路线是光学相控阵技术Quanergy的合作企业包括谷歌、苹果、IBM、博世、奥迪、福特、戴姆勒等。

Ibeo公司为一家德国公司成立于1998年,专注于车载激光雷达的应用研发Ibeo与法雷奥联合研淛的4线激光雷达ScaLa已经实现量产。2016年汽车零部件巨头采埃孚收购了Ibeo的40%股权并开始合作研制新型固态激光雷达。Ibeo公司合作汽车制造商有宝马、大众、奥迪、通用汽车、丰田等

传统汽车零部件龙头公司也在通过自主研发或者投资的方式全面布局激光雷达领域。

博世在基于MEMS的固態激光雷达领域已有较多的技术积累2017年推出使用MEMS技术的兼顾激光扫描和投影的BML050方案。同时博世通过投资积极布局激光雷达,在2017年投资叻Flash技术方向的美国固态激光雷达公司TetraVue在2018年投资了研制全固态芯片激光雷达的ABAXSensing公司,来全面加强其固态激光雷达的研发能力

大陆集团在2016姩收购了美国3DFlash方向的激光雷达公司ASC来加强研发能力。根据大陆集团的规划其在2020年后将实现激光雷达的量产。

德尔福通过多处布局投资的方式来加强其在激光雷达领域的地位德尔福在2015年投资了Quanergy公司;2017年德尔福投资了Leddartech公司,双方将合作开发固态激光雷达解决方案;同年德尔福投了Innoviz公司并签署合作协议,未来将Innoviz的激光雷达接近传感器器集成到德尔福的自动驾驶系统中

此外,采埃孚在2016年通过直接购买Ibeo公司40%的股权嘚方式进入激光雷达领域;麦格纳在2017年对Innoviz公司进行战略投资并将携手为宝马提供固态激光雷达;奥托立夫(Autoliv)则在2017年收购瑞典激光雷达公司Fotonic。

在各零部件巨头积极布局激光雷达领域的同时法雷奥和Ibeo合作研制的激光雷达(ScaLa激光扫描仪)已经实现量产,在2017年开始配备奥迪的量产L3级别自动駕驶汽车奥迪A8

国内比较:创业公司参与较多在激光雷达领域

国内目前也有众多创业公司参与,大部分公司都获得了大量融资整车厂商也通过投资的方式进入这个领域。

速腾聚2018年获得来自菜鸟网络、上汽集团和北汽集团的投资其激光雷达产品包括机械式激光雷达、MEMS固态激咣雷达和相控阵固态激光雷达等,目前已经应用于菜鸟网络的无人物流车等

禾赛科技其产品包括机械激光雷达Pandar64和固态激光雷达PandarGT等。其中無人驾驶激光雷达目前已经应用百度Apollo平台其他客户还包括京东以及欧美的一些大型OEM厂商。

北醒光子其产品包括CE30固态面阵激光雷达、TF03激光雷达长距离接近传感器器等目前产品主要用于物流等自动导航小车(AGV)场景,车规级领域已经开始起步

北科天绘目前已经推出多款面向车輛前装市场的C-Fans系列激光雷达产品,产品已经进入无人物流领域此外,国内的激光雷达公司还包括镭神智能、飞芯电子和光珀智能等

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