无人驾驶系列报告之四：传感器

  本文为无人驾驶系列报告第四篇，主要说明以激光雷达、毫米波雷达和摄像头为代表的传感器在当前

  目前随着ADAS功能模块渗透率不断的提高，短期内传感器市场的需求将主要被摄像头和毫米波雷达所驱动；而L3级别无人驾驶的奥迪A8量产给了整个汽车行业一剂强心剂，无人驾驶的进程比想象中来的要早，各个传感器以及控制管理系统都在迅速迭代中；2020年前后，L4级别无人驾驶量产上路，激光雷达的市场将会迅速扩大。

  由于各个主要传感器特性使然，单一种类传感器无法胜任L4/L5完全无人驾驶的复杂情况与安全冗余，多传感器搭配融合的方案将是必然，2030年全球车载传感器市场将会超过500亿美元。

  激光雷达：3D环境建模使其成为核心传感器，但恶劣天气下性能直线下降、且没办法识别图像及颜色是其短板；在L3及以上传感器解决方案中，激光雷达至少需要1个；从机械旋转式过渡到混合固态再到纯固态激光雷达，随着量产规模扩大、技术迭代提升，成本不断快速降低，激光雷达也在向小型化、低功耗、ASIC集成化发展；目前国外厂商陆续在与汽车零部件一级供应商绑定合作开发，国内厂商如果有能力尽早稳定量产，有机会成为车用激光雷达的主流供应商之一；

  毫米波雷达：全天候工作使其不可或缺，但分辨率低，同样难以成像；技术已非常成熟，是ADAS的主力传感器，在L3级别中长距离毫米波雷达至少需要4-5个，L4/L5级别再加上侧向需求甚至需要8个以上；全球市场仍是博世、大陆、德尔福等把持，但随着自主品牌车厂逐渐应用装车ADAS模块，国内毫米波厂商，如华域汽车、德赛西威等，在完善产品、搭建体系、稳定量产的过程中有机会切下一份蛋糕；

  摄像头：自动驾驶的眼睛识别标识、物体，但无法点阵建模、远距测距；技术最为成熟，车载应用起步最早，在ADAS阶段作为绝对主流的视觉传感器，根据功能不同需要4到8个摄像头；由于摄像头独有的视觉影像识别功能，且作为其他传感器失效的冗余系统，摄像头需要至少6个以上；目前产业内的龙头企业由于成本、技术和客户等优势，新进入者不容易获得竞争优势，而关键环节已有华为海思、舜宇光学、欧菲科技经营多年，且向车载领域延申。

  基于产业前景和潜在的巨大市场，上市公司方面看好德赛西威、舜宇光学，建议关注英飞凌、博世、大陆以及传感器初创公司。

  目前随着ADAS功能模块渗透率不断提升，短期内传感器市场的需求将主要被摄像头和毫米波雷达所驱动；而L3级别自动驾驶的奥迪A8量产给了整个汽车行业一剂强心剂，自动驾驶的进程比想象中来的要早，各个传感器以及控制系统都在迅速迭代中；2020年前后，L4级别自动驾驶量产上路，激光雷达的市场将会迅速扩大。

  由于各个主要传感器特性使然，单一种类传感器无法胜任L4/L5完全自动驾驶的复杂情况与安全冗余，多传感器搭配融合的方案将是必然，2030年全球车载传感器市场将会超过500亿美元。

  激光雷达：3D环境建模使其成为核心传感器，但恶劣天气下性能下降、且无法识别图像及颜色是其短板。

  在自动驾驶不断进化的过程中，凭借独有的3D环境建模，激光雷达已经成为自动驾驶多传感器融合最核心的部分；在L3及以上自动驾驶传感器解决方案中，激光雷达至少需要1个。

  从机械旋转式过渡到混合固态再到纯固态激光雷达，随着量产规模扩大、技术迭代提升，成本不断快速降低，激光雷达也在向小型化、低功耗、ASIC集成化发展，同时也与各大汽车零部件一级供应商绑定为车厂开发。

  2020-2022年以前的L3级别自动驾驶车量产可能会以MEMS激光雷达为主，因为它成本较低，微振镜技术较成熟，可以较短时间内进行低成本的量产；2022年后L4或以上级别自动驾驶车量产的阶段，预计OPA的旁瓣效应或3D Flash的人眼保护问题将得到较大程度的解决，届时可能会替代MEMS成为真正无任何移动部件的固态激光雷达。

  目前激光雷达2017年全球车用仅为千台量级，而且技术路线上尚未有定论，国外厂商陆续在与汽车零部件一级供应商绑定合作开发，如Quanergy和德尔福、Ibeo和采埃孚及法雷奥、Leddar Tech及TetraVue和博世、Innoviz和德尔福及麦格纳、英飞凌收购innoluce，国内激光雷达厂商也在积极的与一级供应商及整车厂寻求合作，如果有能力尽早稳定量产，配合国家自动驾驶相关政策的落地节奏，有机会成为车用激光雷达的主流供应商之一。

  相比于激光雷达，毫米波雷达技术已经很成熟，从上世纪90年代开始应用于自适应巡航，2012年英飞凌推出24GHz单片雷达方案，陆续拓展到ADAS的各个功能模块，是现阶段的主力传感器，全球出货量早已超过千万级。

  毫米波雷达凭借其可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够全天候全天时工作的能力，成为了无人驾驶不可或缺的主力传感器；在L3级别中长距离毫米波雷达至少需要4-5个，L4/L5级别再加上侧向需求，毫米波雷达甚至需要8个以上。

  全球市场仍然是博世、大陆、德尔福等Tier 1把持，但随着ADAS渗透率不断提升，自主品牌车厂逐渐应用装车各个ADAS模块，国内毫米波厂商，如华域汽车、德赛西威等，在完善产品、搭建体系、稳定量产的过程中有机会切下一份蛋糕。

  摄像头技术最为成熟，车载应用起步最早，在ADAS阶段作为绝对主流的视觉传感器，根据功能不同需要4个到8个摄像头，应用在车道监测、盲点监测、障碍物监测、交通标志识别、行人识别、疲劳驾驶监测、倒车影像、360全景影像等等。

  进入自动驾驶时代，由于摄像头独有的视觉影像识别功能，能够模拟人类视野，利用多个摄像头合成周围环境，还能识别颜色和字体，进而能够识别交通标志、行人、物体等，是名副其实的自动驾驶的眼睛；并且，还可以作为其他传感器失效的冗余系统，增加自动驾驶系统的安全性；根据多传感器系统的融合，摄像头需要至少6个以上。

  摄像头属于较成熟的产业，目前产业内的有突出贡献的公司由于成本、技术和客户等优势，新进入者不容易获得竞争优势。传感器CMOS方面，日韩高科技企业垄断，索尼、三星两家市占率之和超过50%；图像处理器DSP方面，主要供应商为德州仪器（TI）、Mobileye、华为海思等，其中德州仪器（TI）技术积累最深厚、市占率最高；镜头组方面，舜宇光学是龙头企业，市占率最高；模组方面，欧菲科技已经向车载领域延申。

  在自动驾驶不断进化的过程中，凭借独有的3D环境建模，激光雷达已经成为自动驾驶多传感器融合最核心的部分；在L3及以上自动驾驶传感器解决方案中，激光雷达至少需要1个。

  从机械旋转式过渡到混合固态再到纯固态激光雷达，随着量产规模扩大、技术迭代提升，成本不断快速降低，激光雷达也在向小型化、低功耗、ASIC集成化发展，同时也与各大汽车零部件一级供应商绑定为车厂开发。

  首先，激光雷达提供生成环境的3D点云图像提供一系列的（x,y,z）坐标，与已有的高精度地图上的坐标进行对比，就可以很精确地做出车辆定位。同时在感知功能上，激光雷达点云图像比摄像头少了一步处理步骤（数字化），即摄像头图片需要进行数字化处理后才能由计算机进行判断物体类型等工作，而激光雷达生成的点云（实际是TOF数据）只需简单运算就可得到坐标数据，方便进一步的判断。

  其次，激光雷达由于是自主发射光线并搜集反射信号，因此可以在夜间环境下工作，这是对于摄像头的极大优势。

  综上，我们认为激光雷达将是未来自动驾驶最重要的传感器，而毫米波雷达、摄像头将是重要的补充。

  激光雷达（LiDAR）能释放多束激光，接收物体反射信号，计算目标与自身的距离。应用较多的是利用反射信号的折返时间计算距离（Time of Flight），也有连续波调频（CWFM）方法。与雷达和摄像头相比，激光雷达可以通过多束激光高频发射获取的反射数据形成周边物体的高清3D的“点云”图像。

  我们看到自动驾驶测试车车顶上较复杂的圆柱形装置，即为机械式激光雷达。虽然目前测试车辆大多为机械式，但是它们调试、装配工艺复杂，生产周期长，成本居高不下，并且机械部件寿命不长（约1000-3000小时），难以满足苛刻的车规级要求（至少1万小时以上），因此激光雷达量产商都在着手开发性能更好、体积更小、集成化程度更高、并且成本更低的激光雷达，由混合固态过渡到纯固态激光雷达是必然的技术发展路线。

  混合固态激光雷达在产品外形上不存在机械旋转的部件，但内部实际存在小巧的机械旋转扫描系统，作为到固态激光雷达的过渡阶段，近几年量产的产品都属于混合固态激光雷达。如Velodyne的VLP-32C、VLP-16、VLS-128、以及PUCK系列，都属于混合固态激光雷达，机械部件360度旋转，可视角度360度；而IBEO、禾赛科技和Innovusion等的激光雷达，，其水平可视角度只在100-120度之间。

  固态激光雷达由于不存在旋转的机械结构，所有的激光探测水平和垂直视角都是通过电子方式实现的，并且由于装配调试可以实现自动化，能够量产大幅降低成本，也提高了设备的耐用性，固态激光雷达是必然的技术发展路线。不过固态激光雷达的技术路线尚未定型，主要分为MEMS、OPA和3D Flash三类。

  综合以上技术路线级别自动驾驶车量产可能会以MEMS激光雷达为主，因为它成本较低，微振镜技术较成熟，可以较短时间内进行低成本的量产。例如Velodyne、Innoviz等与车企或Tier1有合作的激光雷达公司目前都采用这个技术路线或以上级别自动驾驶车量产的阶段，预计OPA的旁瓣效应或3D Flash的人眼保护问题将得到较大程度的解决，届时可能会替代MEMS成为真正无任何移动部件的固态激光雷达，因为MEMS毕竟存在一个振动部件，在寿命和工作稳定性上较难与其他技术路线PK。但是具体哪种技术路线会最终跑赢目前较难下结论，需要看不同技术路线代表性公司的研发进度。

  此外，机械式激光雷达依然有其用武之地。机械式激光雷达精度较高，信息细节较丰富，对于自动驾驶出租公司或Uber等共享出行公司有特殊用途，如搜集路况、交通甚至路边的建筑等信息，有助于路线 发展趋势：小型化、软件化、ASIC集成化

  另一方面，激光雷达厂商从之前单纯的卖硬件，逐步搭配软件算法，打包完整解决方案。

  更进一步，激光雷达厂商在尝试ASIC集成化，将激光发射器、探测器、放大器等数百个电子元器件封装到ASIC专用芯片中，用单枚芯片实现整体控制，能够有效减少零部件、缩小体积、降低功耗、极大的缩减成本，

  目前激光雷达2017年全球车用仅为千台量级，而且技术路线上尚未有定论，国外厂商陆续在与汽车零部件一级供应商绑定合作开发，如Quanergy和德尔福、Ibeo和采埃孚及法雷奥、Leddar Tech及TetraVue和博世、Innoviz和德尔福及麦格纳、英飞凌收购innoluce，国内激光雷达厂商也在积极的与一级供应商及整车厂寻求合作，如果有能力尽早形成稳定量产能力，配合国家自动驾驶相关政策的落地节奏，有机会成为车用激光雷达的主流供应商之一。

  在2018年CES 上有16家激光雷达公司参与，其中就有4家中国公司。它们的产品技术路线略有差异，相对比较成熟，都已有成品。主要产品信息如下：

  相比于激光雷达，毫米波雷达技术已经非常成熟，从上世纪90年代开始应用于自适应巡航，2012年英飞凌推出24GHz单片雷达方案，陆续拓展到ADAS的各个功能模块，是现阶段的主力传感器，全球出货量早已超过千万级。

  毫米波雷达凭借其可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够全天候全天时工作的能力，成为了自动驾驶不可或缺的主力传感器；在L3级别中长距离毫米波雷达至少需要4-5个，L4/L5级别再加上侧向需求，毫米波雷达甚至需要8个以上。

  全球市场仍然是博世、大陆、德尔福等Tier 1把持，但随着ADAS渗透率不断的提高，自主品牌车厂逐渐应用装车各个ADAS模块，国内毫米波厂商在完善产品、搭建体系、稳定量产的过程中有机会切下一份蛋糕。

  毫米波雷达通过发射电磁波并通过检测回波来探测目标的有无、距离、速度和方位

  毫米波雷达在ADAS上应用大致分为前向雷达和后向雷达，前向包含自适应巡航ACC、自动紧急制动AEB、前方碰撞预警FCW、主动车道控制ALC、行人检测系统PDS，后向包含盲点监测BSD、变道辅助LCA、后方碰撞预警RCW、开门报警DOW、倒车碰撞预警RCW等等。

  毫米波雷达目前基本为国外一级供应商厂商垄断，这部分市场Tier1与主流车厂绑定较紧密，

  而随着国内自主品牌车厂开始陆续推出ADAS车型，ADAS国内渗透率提升，国内毫米波厂商在完善产品、搭建体系、稳定量产的过程中有机会切下一份蛋糕。

  博世的毫米波雷达主要以77GHz为主，覆盖的面比较广，有长距（LRR）、中距（MRR）以及用于车后方的盲点雷达。博世的方案集成度高，直接能够输出的是对汽车执行层的控制信号，通常是与车企合作，定制开发多功能的模块。

  行易道：公司国内最早推出 77GHz 雷达，近主流市场的 77GHz 中近程雷达2017年底量产，77GHz远程雷达（用于重型卡车、大型巴士等，作用距离 200 米）将在2018年推出。此外，公司与意法半导体，中科院电子所微波成像国家重点实验室三方成立联合实验室，推动79GHz 雷达2019年前进行产品化。

  承泰科技：成立于2015年4月，并立项研发77GHz汽车毫米波雷达，目前公司在研发77GHz汽车毫米波雷达上也取得突破，已在内部测试阶段，2017年9月份推出外部测试。沈阳承泰的核心成员基本上是来自于华为，团队曾成功研发WLAN综测仪，填补了国内WLAN综测仪的空白，成功突破国外仪表厂家对Wi-Fi/BT射频物理层信号综合测试技术构建的壁垒。

  苏州豪米波：公司所生产的24GHz毫米波雷达系列产品，性能及各项系数达到同行77GHz产品水平，同时价格优势明显。24GHz产品技术成熟、量产稳定，目前公司产能达到1万套/月。苏州豪米波计划在2019年对79GHz毫米波雷达进行量产，价格会在200美金以内。目前博世称2019年会开始在欧美市场提供79GHz的产品，虽然大陆、德尔福也在研发该频段的毫米波雷达，但都未宣布供货时间，而且在芯片获得时间上，79GHz和77GHz的芯片都要2019年才能大批量供货。公司认为，与其在零部件巨头已经量产成熟产品的77GHz杀成红海，不如在下一代毫米波雷达产品上抢占先机。

  摄像头技术最为成熟，车载应用起步最早，在ADAS阶段作为绝对主流的视觉传感器，根据功能不同需要4个到8个摄像头，

  进入无人驾驶时代，由于摄像头独有的视觉影像识别功能，能够模拟人类视野，利用多个摄像头合成周围环境，还能识别颜色和字体，进而能够识别交通标志、行人、物体等，是名副其实的无人驾驶的眼睛；并且，还可以作为其他传感器失效的冗余系统，增加无人驾驶系统的安全性；根据多传感器系统的融合，摄像头需要至少6个以上。

  车载摄像头主要由镜片-镜头组；晶圆-CMOS芯片；模组、DSP和系统集成等构成。摄像头属于较成熟的产业，目前产业内的龙头企业由于成本、技术和客户等优势，新进入者不容易获得竞争优势。

  传感器CMOS方面，日韩高科技企业垄断，索尼、三星两家市占率之和超过50%。

  图像处理器DSP方面，主要供应商为德州仪器（TI）、Mobileye、华为海思等，其中德州仪器（TI）技术积累最深厚、市占率最高。

  镜头组方面，作为车载摄像头的核心原件，其品质由焦距、视场角、光圈、畸变、相对照度、分辨率等指标进行衡量，镜片加工、镜头组装的核心是精密加工、光学设计能力。舜宇光学市占率最高，占车载镜头组国内市场50%以上。

  车载镜头已经成为大陆、德尔福、Mobileye、麦格纳、奥托立夫、松下和富士通的供应商。

  2017年，公司汽车电子业务实现营业收入3.12亿元，毛利率23.96%；2018年上半年汽车电子业务实现营收2.07亿元，同比增长61.72%，以车载摄像头、 360环视系统和倒车影像系统等为代表的软硬件产品开始批量出货，产业布局初见成效。

  特斯拉的方案类似于互联网公司及消费类产品的迭代方式，每一台特斯拉都会配置当时最新的硬件，然后通过OTA不断更新固件，获得更完善的驾驶辅助或无人驾驶功能。庞大的用户群可以源源不断地供给真实路况的驾驶数据，帮助Autopilot训练和迭代算法。目前Autopilot已经推出1.0和2.0版本。

  整个无人驾驶系统由安全电脑、仪表盘、NMI用户交互导航系统、电子刹车助力Brake Boost、电子稳定系统ESC、电子转向控制EPS、发动机控制单元、变速箱控制单元、车身电脑、后轮转向系统、网关Gateway、电子悬挂控制平台EEP和中央无人驾驶控制器zFAS组成。

  2018年1月11日，通用联合Cruise Automation对外公布了其第四代无人驾驶汽车概念原型，这款车称为Cruise AV，由Bolt EV改装而来，里面没有方向盘、制动和油门踏板。

  不仅奔驰GLC等豪华车型配备了ADAS系统，如奔腾SENIA R9属于紧凑型SUV，顶配版本仅12.59万元，同样配备了ADAS系统，而且功能还相当完备，不输于豪华车型。说明随着ADAS系统的普及，越来越多的车型可以享受到技术带来的便利，同样说明车载摄像头、毫米波雷达等传感器将迎来高速增长阶段。但是中国供应商目前尚未进入乘用车ADAS的供应商目录，以吉利博瑞GE——一款国产B级车为例，该车ADAS系统摄像头使用的是博世MPC2，77GHz毫米波雷达是博世MRR中距雷达，尚未有国内供应商在列。其中，77GHz毫米波雷达国内还几乎没有厂商能够量产，离进入整车厂供应商目录还有较长的距离。

  对比特斯拉、奥迪、蔚来和拜腾的无人驾驶解决方案，蔚来与拜腾基本沿袭了特斯拉的解决方案，以毫米波雷达和摄像头为主。原因是激光雷达的成本较高，而且使用低线束激光雷达也只能在有限场景下达到无人驾驶的能力，与毫米波雷达+摄像头的解决方案差距不大。当然，2020年以后随着无人驾驶软硬件的成熟，造车新势力与知名车企均有安装激光雷达并向高级别L4以上无人驾驶发展的计划，例如拜腾已预留了BYTON LiBow前后向弓形激光雷达系统的位置，并与无人驾驶技术公司Aurora共同开发L4级别的无人驾驶方案，计划在2020年底达到L4级无人驾驶能力。

  无人驾驶芯片设计制造技术由国外垄断，如Intel（Mobileye）、NVIDIA等，国内还没有自主研发和生产能力，由于半导体发展规律短期国产产品也几乎不可能达到无人驾驶车的技术要求，因此将长期占据无人驾驶系统乃至整车的较大比重。无人驾驶芯片成本至少在1万美元以上，甚至达到1.5万美元以上；

  今年5月，Waymo宣布购买6.2万辆菲亚特克莱斯勒（FCA）Pacifica混动MPV，用于开展无人驾驶租车业务。由此可以清晰地看到公司战略。虽然Waymo本身不生产汽车，但它与整车厂深度合作，向其购买车辆用于提供无人驾驶租车服务。这是一种比较“重资产”的商业模式，优点是无人驾驶自研发至租车变现形成完整闭环，壁垒较高。虽然有占用资本金较多的劣势，不过鉴于Waymo母公司Alphabet的雄厚资金实力，这个劣势是可以弥补的。

  Apollo平台是一套完整的软硬件和服务系统，包括车辆平台、硬件平台、软件平台、云端数据服务等四大部分。

  对比Waymo，百度的Apollo平台以提供软件和技术为主，相对是“轻资产”的商业模式。优势是以人力资源为主，提供软件和技术，不涉及工业生产，不占用大量资本金。劣势同样明显，以技术开源，为不一样的客户定制化研发系统的商业模式壁垒较低，如果有其他有技术特点的勇于探索商业模式的公司发展较快，可能会影响自身的市场占有率。