绘制完美图像的新技术
第八期
未来几年间，随着汽车制造商和科技公司争相发布第一代完全自动驾驶汽车（AVs），自动驾驶这场革命正在悄然兴起。那些为AVs摇旗呐喊的人们声称，如果世界范围内驾驶座位上不再有人类的话，那么每年可挽救数百万人的生命，大幅度降低温室气体排放，以及提高工人的工作效率。
目前还有很多数据在支撑他们的主张。多项研究表明，人为错误是大部分车祸的重要诱因。同时，据研究道路交通自动化的研究人员估算，仅以美国为例，AVs可以将交通中的油耗降低4%到90%。因此，据管理咨询公司麦肯锡预测，一旦这些汽车能独立完成大部分，甚至全部驾驶活动时，那么全球通勤者每天节约的时间总和将高达10亿个小时。
这都是些宏大的图景。但是，无人驾驶技术的所有重大优势都要依赖于它的普及才能得以实现。想要上述优势得以落到实处，我们需要让更多的自动驾驶汽车在公路上行驶才行。
2016年11月，Berg Insight发布了一份题为 “自动驾驶汽车的发展前景” 的战略报告。该报告指出，这项技术在短时间内恐怕难以普及。该报告预测，到2030年，有条件自动驾驶汽车和高度自动驾驶汽车的销量将达到2400万辆。它还指出，届时将共有7100万辆无人驾驶汽车在公路上行驶。Navigant Research指出，与如今超过10亿辆的人工驾驶汽车或者预计未来20年将销售的另外10亿辆人工驾驶汽车相比，这些数字仍相距甚远。
虽说无人驾驶汽车的优势尚未成为现实，可驾驶中的人为因素正在逐渐减弱。目前，强大的系统实现了自动平行停车和自动紧急制动等功能，这些都有利于防止汽车相撞。这类系统能处理传感器阵列采集的环境数据，以便发现潜在的风险并指示汽车做出更快的反应。这种反应速度比我们人类的大脑还要快。但是，要想实现我们所承诺的完全无人驾驶，就还离不开一种基于光探测和巡航，且精确、小巧、性价比高的技术发展。这种技术叫做激光雷达。
作为全球技术领先企业，Velodyne LiDAR在这场革命中发挥着举足轻重的作用。Morgan Hill是一家总部设在加利福尼亚州的公司。2016年8月，该公司完成了与福特汽车公司以及中国领先的搜索引擎公司百度的一笔总额1.5亿美元的投资。借此，Velodyne迅速扩大了其汽车激光雷达传感器的设计和产量。Velodyne的创始人兼CEO David Hall指出，这笔投资将帮助公司更有效地降低成本和扩大规模，从而使传感器价格降低，进而实现完全自动驾驶汽车的大规模应用。
1983年，Hall和他的兄弟Bruce创建了Velodyne这家公司。2017年，这家公司入选Fast Company杂志的 “全球最具创新力交通公司” 名单。创建之初，这家公司的定位是一个高端音箱产品的生产商，专门生产低音炮。身为一位拥有多项发明的发明家，Hall提出了一种基于加速度传感器的独特系统并申请了专利。依托这项技术，Velodyne生产的ULD-18低音炮系列产品可比竞争对手的产品播放出更响亮、更低沉和更清晰的音乐。据该公司介绍，ULD-18的失真程度要比其他任何类似产品低70%至80%。 “这种产品实际上形成了新的市场，”Velodyne的总裁Mike Jellen 说，“它成了80年代最热销的音频产品。”
Velodyne仍在生产扬声器和耳机这类音频产品，可到20世纪90年代晚期，Hall开始对机器人技术产生了兴趣。这项技术目前已成为该公司主要业务的基础。他很快成为该技术领域的专家，并在2000年参加了竞争激烈的电视节目《机器人大擂台》。2001年，在第一季《机器人大擂台》 “终极勇士”中，他的团队设计的战斗机器人Drillzilla在世锦赛中获得第二名的好成绩。2004年，他的团队还参加了美国国防高级研究计划署（DARPA）赞助的史无前例的竞赛。这项名为“DARPA超级挑战赛”的目标是打造出一辆能在莫哈韦沙漠中行驶142英里的自动驾驶汽车。在比赛中，Hall运用了多年来他掌握的一些技术，例如机械工程、机械加工、定制的传感器设计以及软件编程等。
但在首届比赛中，Hall的汽车并未完成整个赛程，其他人的汽车也是如此。Hall发现了仅靠摄像头导航的这种设置的缺点。Jellen解释道，汽车在行驶过程中和穿越地平线时，很难看清具体的物体。对于无人驾驶汽车来说，不断变换的光线也是不小的挑战。Hall希望能设计一种360度的传感器，并可在任何情况下持续工作。
Hall重新评估了自己的系统，并最终设计出了激光雷达系统，专门用来为 “超级挑战赛” 中使用的自动驾驶汽车进行导航。 “就空间解决方案而言，激光雷达至少要比雷达更重要，”福特汽车自动驾驶汽车部门的高级技术主管兼Darpa队长Jim McBride说，“两者在视野范围上存在很大的差异。”这就是说，激光雷达可以绘制出更准确的地图，并能更详细地描绘周边的环境。
在Hall的激光雷达实现突破后大约13年，Velodyne已成为汽车界领先的激光传感器的研发企业，开发出目前研发中的众多AV使用的视觉地图。但是，仅知道公路的布局和位置，这并不足以保证我们能生产出真正意义上的无人驾驶汽车。这种汽车还要有能力检测出行人、骑自行车的人以及其他车辆等障碍物。
Velodyne的旋转阵列安装在AV顶部，可将激光投射到四面八方，并能捕捉反射的信号，然后将信号传输给车载电脑，而车载电脑利用数据即刻绘制出周边环境的三维地图。AV领域的重要人物认为，激光技术是汽车实现自动化的关键，毕竟激光比单纯的摄像头或雷达要准确得多。 “在Belodyne之前，市场上卖的设备也只能完成一次扫描，” McBride指出，Velodyne的装置可完成64次平行扫描。“Velodyne的64束激光可拍摄360度照片，每秒钟最多可捕捉130万个读数，因而成为汽车上功能最全面的传感器。”
那么，激光雷达的准确性为什么要高得多呢？Jellen说，这是因为激光雷达能生成自己独立的光源，而要是没有闪光灯的话，普通的摄像头根本做不到这一点。“如果摄像头没有光源，那么它要靠阳光来提供光子。”他解释说。摄像头捕捉的图像的分辨率和准确度十分依赖于周围光线以及透镜焦平面的质量，因此，它们生成的只能是二维图像。
虽然雷达可跟踪多个方向的运动和速度，可与激光雷达相比，这种系统的分辨率较差。有着“三维地图大师”美誉的激光雷达不仅可测量某辆车与其他汽车和障碍物之间的准确距离，还能比雷达本身更准确地确定障碍物的大小和外形。这样激光雷达便生成了全三维图像。
Velodyne开发的最先进的传感器已经用在谷歌、福特和沃尔沃的测试车上。这种不断旋转的设备每秒钟可从周边环境中捕捉到100万个数据。其他的早期高端型号最高售价8万美元，可Velodyne最新推出的高级传感器 (包括仅有冰球大小的VLP-16 Puck) 售价约为8000美元。该公司最近还宣布推出Velarray。这款全新的小型传感器可使用固定的激光阵列，覆盖范围达200米。
伟创力是Velodyne的合作伙伴。“多项新技术的发明和融汇正在带来一个机遇，这将彻底改变我们对出行的认识，”伟创力消费类技术集团总裁Mike Dennison说，“激光雷达技术中的先行者正在研发真正的解决方案。这些解决方案在几年前还只是人们的梦想，可如今正在给自动驾驶汽车、无人机、飞机以及其他方面带来一场革命。”
激光雷达不仅有望改变汽车产业，还将应用到更多的行业当中，如考古、农业、机器人技术和城市规划等。2015年，科罗拉多州立大学的考古学家运用这项技术，仅在45分钟内便在墨西哥中部绘制出方圆13平方公里的定居地地图。而相比前两次的绘制，他们却只能绘制出面积为两平方公里的区域。NASA利用激光雷达开发出一种机制，可以确保航天飞机精准无误地停靠在国际空间站上。除此之外，城市规划师和建筑开发商也能运用这项技术来绘制出详细的地图。“现如今，你只要在一栋大楼周边走上一圈或是穿过这栋大楼，便可得到完整的高清图像。”Jellen说。
激光雷达还有望用于其他领域，例如：运输消费品的无人机；在田地中测量庄稼，以便评估当年的作物产量；在码头上进行自动的驳船装卸。与普通的摄像头相比，“激光雷达可在各种光线条件下更准确地覆盖更大的视野范围。”Jellen说。
但是，Hall并未因此而沾沾自喜。他利用激光雷达技术完成的最新发明是为自己的游艇设计的一种计算机辅助陀螺悬挂系统Martini 1.5。Jellen认为，这项自动稳定技术可确保游艇即使在高达5英尺的海浪中仍能保持完全水平的状态，就连甲板上的一个鸡尾酒杯也不会倒地。显然，未来我们还会发现新的机遇。”
