激光雷达照亮从“物联网（IoT）”到“物自主（AoT）”之路
2021-07-30 14:30:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
物自主（AoT）最广为人知的例子是自动驾驶汽车和卡车，激光雷达（LiDAR）在公共空间中实现自动驾驶应用的作用和必要性已被广泛报道。本文的重点是研究LiDAR在其它应用领域（例如建筑、物流、采矿、制造、农业、医药和游戏）如何影响AoT。
过去十年，物联网（Internet of Things，IoT）获得广泛认可与部署，这主要因为传感器变得更加智能，机器学习快速发展与应用，WiFi、蓝牙和其他无线通信普及，以及云存储和计算技术的成熟。总体来说，IoT通过数据传输实现了通常静态或静止“事物”的智能联网。据麦姆斯咨询介绍，目前正在进行和即将发生的革命是物自主（Autonomy of Things，AoT）——在本文中，AoT被定义为“事物”或机器人的自主运动，无论是在公共空间（大部分不受控制）、半公共空间（部分受控制，例如外太空），还是在私人空间（高度受控制）。
日本汽车巨头丰田展示的小提琴演奏机器人
AoT最广为人知的例子是自动驾驶汽车和卡车，激光雷达（LiDAR）在公共空间中实现自动驾驶应用的作用和必要性已被广泛报道。本文的重点是研究LiDAR在其它应用领域（例如建筑、物流、采矿、制造、农业、医药和游戏）如何影响AoT。在这些应用中，LiDAR的主要作用是实现对移动物体的感知——机械臂、机器人、工业机器和设备、制造工具等。LiDAR的主要功能是提供一种独特的感知模式以实现安全工作，上述应用将生产力、效率和精确定位/引导作为其主要目标（如表1所示）。LiDAR通过提供对环境中各种物体或事物的3D感知来实现这些目标。游戏稍有不同，因为激光雷达感知人体以调整和提示游戏玩家——在这种情况下，“事物”是人类！
表1 AoT应用及LiDAR扮演的角色
目前已有超过75家LiDAR公司出现，并实现了至少40亿美元的股权融资。6家LiDAR公司通过SPAC（特殊目的收购公司）合并上市，市场估值约为140亿美元。汽车Tier 1（采埃孚、法雷奥、大陆集团）和Waymo、Aurora、Argo、Yandex等科技公司也在为LiDAR部署研发工作。总体来说，这些公司专注于自动驾驶和高级驾驶辅助系统（ADAS）市场。然而，正如特斯拉（Tesla）首席执行官埃隆·马斯克最近承认的那样——自动驾驶汽车是一个很难破解的难题（一个想去火星的家伙竟然说这个是难题！）。因为它在公共空间中自主行驶，需要高水平的政府监管和人类纪律，因此很难达到所需的安全阈值，也难以说服客户、保险公司和监管机构。
大多数机器人和LiDAR公司也将重点放在AoT的短期应用——主要是在私人空间或半公共空间中。在这些空间中，公共安全不是首要问题，监管和消费者接受障碍较低。该商业模式依赖于向服务企业出售产品，服务企业可以使用AoT技术解决工人短缺、工人安全、恶劣的工作环境、更高的生产力、更低的成本、制造精度和质量等紧迫问题。在这些情况下的挑战是确保性能与具体应用和小批量定价相契合——通常，汽车在某些方面的要求更高，简单地将自动驾驶LiDAR改装为非自动驾驶LiDAR可能根本不切实际。例如，由于这些应用通常涉及以较低速度移动的物体，因此远距离和高检测速度可能并不重要——另一方面，角度和深度分辨率可能非常重要。
目前运行很好的一个AoT例子是采矿——它发生在恶劣的地形和环境之中。卡特彼勒（Caterpillar）认为AoT技术应用于采矿的好处：更高的生产力、更高的工人安全水平和更低的成本。他们在为客户提供自主设备方面进行了大量投资，从钻井设备到600吨运输卡车，迄今为止已经运送了约5万亿磅的材料。这些努力在2020~2021年期间的新冠肺炎病毒危机期间获得了丰厚的回报，因为当时受过培训的工人严重短缺。而有了AoT技术助力，卡特彼勒的客户仍然能够以接近满负荷的状态继续运营。专为满足恶劣地形、环境和能见度条件而定制的LiDAR可提供态势感知和障碍物检测功能，以及用于规划设备和工具移动的地形图。
一些认真对待AoT短期应用机会的LiDAR公司包括Quanergy、Cepton和Ouster。
据麦姆斯咨询此前报道，Quanergy最近宣布与上海冉青电子科技有限公司合作为中国山东省港口集团部署了M系列3D LiDAR解决方案。该方案提升了青岛港的港口效率和安全性，并通过减少人工操作不精确带来的成本和风险，提高了投资回报率（ROI）。具体应用包括对船舶、船舱和料堆形状的实时分析，以实现固体物料的自动卸载，确保安全操作。通过清晰的视觉显示，码头操作员可以精确评估库存、获得舱室坐标、定义安全操作区、将抓斗移动到所需位置等。
Quanergy的M系列LiDAR具有高密度的3D点云和业界领先的0.033度角分辨率，可提供增强的3D可视化和极其精确的实时数据采集功能。这种重型工业级激光雷达即使在最恶劣的室外条件下（例如雨、雾、高温和高湿度）也能可靠地运行。此外，360º视场和200米扫描范围使得仅需几个激光雷达就可以完全覆盖扫描区域。
“凭借Quanergy的3D激光雷达传感器的出色性能和质量，我们的系统大大提升了操作效率和安全性。”上海冉青电子科技有限公司系统设计部经理徐林表示，“我们能够消除90%以上的工伤事故，为港口客户减少了25%的运营成本和损失。”
Quanergy工业市场开发和联盟总监Tony Rigoni评论说：“通过安装特殊设备实现港口自动化，例如Quanergy激光雷达，是全球港口码头运营中一个日益增长的发展趋势。山东港口散货码头的LiDAR安装取得了非凡的效果，证明了LiDAR可以加速港口自动化，并为广泛的工业应用提供切实的好处！”对于移动机器人或崎岖地形中的施工设备，Quanergy的目标是利用固态LiDAR在严重冲击和振动情况下提供高可靠性3D感知解决方案，并扩大避障和机动范围。
Cepton业务发展重点是为汽车ADAS开发LiDAR，而自动驾驶是自然的延伸。在ADAS和自动驾驶之外，该公司在智慧城市、智能空间和智能工业领域拥有强大且不断增长的影响力。根据Cepton首席营销官T. R. Ramachandran介绍：“智能工业领域的应用包括受控空间中的自动导引车（AGV）、人行道运送机器人、建筑和农业自动化以及仓库机器人。在许多情况下，LiDAR应用于避障、引导和精确定位。我们的客户意识到集成感知套件的Cepton的LiDAR（核心专利技术——MMT（微动技术））比传统机械旋转式激光雷达工作得更好。”
Cepton利用ADAS的规模经济效应使LiDAR价格变得“亲民”。近期，Cepton刚公布与一家总部位于美国底特律的世界顶级汽车制造商达成合作伙伴关系，并赢得业内截至目前最大的ADAS LiDAR量产订单。该ADAS将于2023年起被部署于多款不同车型之中，不仅局限于高端车型。这标志着汽车行业首次实现将LiDAR技术大规模应用于汽车ADAS大众消费市场。帕斯卡研究所（CRPP）高级研究员Ahmad Kamal Aijazi博士表示：“最近开发的汽车级LiDAR非常适合部署在工业自动化任务中，无论是在灰尘、化学品，还是污染物和有害物质，都使得人类操作变得危险和困难。在需要高精度组装的情况下，利用汽车级LiDAR的性能和成本轨迹将使工业机器人更容易提高自动化率和生产效率。”
总部位于德国汉诺威的Goetting公司，自1965年以来一直致力于开发自动化解决方案。他们专门使用传感器系统为AGV配备足够的导航和避障能力，从而实现在受控工业环境中的运行。欧洲每年部署大约5000辆新的AGV。通过使用引导（光学或感应）技术、光学传感器和其他位置感知技术，已对此类AGV的室内运行进行了充分验证与管理。而过去二十年来出现的真正挑战是室外运行。LiDAR已与前保险杠组件结合使用以检测障碍物，速度限制为6公里/小时。这主要是因为工人安全标准要求感知系统能够检测反射率非常低（1.5%）的小物体（3 cm）。在天气良好的情况下，激光雷达可以在5 m的范围内完成这项工作。
在阳光明媚和倾盆大雨的情况下，通过集成更高性能LiDAR可将AGV的速度提升，并消除对定制、制造、组装和维护成本高昂的保险杠组件的需求。Goetting首席执行官Hans Goetting表示：“Cepton LiDAR提供3 cm测距精度，并且能够在20 m范围内对1.5%反射率目标进行成像——这使我们能够将AGV速度提高3倍，显着提高资本利用率。但挑战在于在不牺牲任何安全性的情况下做到这一点——这款LiDAR使我们的产品能够实现这一目标。展望未来，我们的解决方案将逐渐渗透到公共驾驶空间，因为它可与基于人工智能（AI）的感知和驾驶堆栈相结合。”
在周边监测、安全和安防应用方面，Cepton与顶尖的周边安全解决方案提供商Barrier1 Systems建立合作伙伴关系。通过使用Cepton的Helius™智能激光雷达系统，Barrier1 Systems将为其物理屏障系统增加新的智能层，使下一代早期预警入侵检测和现场安全应用成为可能。此次合作将展现Cepton LiDAR技术的多用途性，以及LiDAR解决方案如何提高各类公共和私有商业空间和设施的安全性。
此外，Cepton还与领先的车辆识别和分类解决方案设计和开发企业Red Fox ID合作，利用LiDAR解决方案实现无障碍高速收费。双方开发出一套名为Quantum的多车道自由流收费系统，该系统能够在高速路上准确地对任何尺寸或类型的车辆进行检测、跟踪和分类，让集成商和道路运营商能够进行高度精确的客户实时计费，同时实现自由流无障碍收费。Quantum在所有交通条件下的车辆检测精度已经达到了99.96%，在所有交通条件下的车轴分类精度达到了99.9%，车辆长度精度为±5%。
Ouster期望利用高分辨率LiDAR重塑各行各业。他们为全球500多家客户提供服务，涵盖范围从自动驾驶汽车和卡车运输到采矿、农业、建筑、物流、送货机器人、港口自动化和堆场自动化。近期，Ouster宣布与Danfoss合作加速LiDAR在非公路车辆和机器中的应用。Danfoss是世界一流的移动液压和电气化产品和解决方案提供商，为建筑、农业和其他公路和非公路车辆市场提供支持与服务。Ouster LiDAR将成为Danfoss PLUS+1®合作伙伴计划提供的第一款LiDAR硬件，该计划旨在加快开发过程并将更高质量的机器更快地推向市场。这种集成用于远程机器管理、操作员辅助、跟随、避障和任务自动化。Ouster现场运营总裁Nate Dickerman表示：“Ouster很高兴与Danfoss展开合作，因为我们寻求通过我们的数字式LiDAR在整个工业化经济中实现更高水平的自动化。Danfoss PLUS +1®平台的控制界面使OEM和其他客户可以轻松地在机器上采用我们的传感器，无论是室内仓库机器人还是现场自动拖拉机。”
在自动驾驶卡车方面，Ouster与全球领先的自动驾驶卡车技术开发商智加科技（Plus）联合宣布：双方已经签署战略合作协议，Ouster为Plus自动驾驶系统提供数字式LiDAR，以支持Plus自动驾驶卡车技术的全球持续部署计划。Plus是首家从今年开始批量生产自动驾驶系统的自动驾驶卡车技术开发商。该公司与包括世界上最大的重型卡车制造商“一汽解放”在内的知名卡车制造商合作，部署由其自动驾驶系统提供“安全保障”的自动驾驶卡车。根据双方协议，Ouster将在Plus首次部署自动驾驶系统时至少为Plus提供2000个数字式LiDAR，并已准备在未来五年内积极增加产品供应量，并且已经将其大部分产量转移至合同制造商Benchmark Electronics。此外，Ouster将提供工程支持，以实现Plus在多个大洲的自动驾驶系统部署工作。
此外，Ouster近期还宣布与总部位于加拿大卡尔加里的Lux Modus签署了一项长期供货协议，为加拿大石油和天然气行业提供开创性的LiDAR传感技术解决方案。在施工过程中，Lux Modus使用先进的LiDAR和成像技术勘测和绘制石油和天然气管道。利用这些详细的数据，施工经理和操作员能够识别和纠正施工问题，从而节省时间并降低成本，并支持长期的完整性和质量保证。Ouster联合创始人兼首席执行官Angus Pacala表示：“Lux Modus是一位极好的合作伙伴，我们很高兴能扩大与他们的合作关系。工业自动化在当今是一个巨大的机遇，我们预计到2030年该市场规模将增长到94亿美元。双方协议强调了Ouster数字式LiDAR技术可通过其尺寸、重量、功率、性能和可负担性的独特组合来满足广泛的应用需求。”
将LiDAR集成于智能眼镜以实现AoT应用也是一个不错的思路。专注于工业智能眼镜的公司Vuzix首席执行官Paul Travers看好这一思路：“一旦集成LiDAR的智能眼镜实现量产，就可以应用于许多需要知道物体空间位置的操作——从切除肿瘤到许多商业/工业自动化任务中的定位应用”。下图展示了Vuzix M400智能眼镜在膝关节骨科手术中的导航定位应用。
如果将LiDAR功能集成智能眼镜之中，则无需放置上图中的二维码，并减少准备工作，通过动态可视化实现更多功能，例如3D结构全息图的实时信息共享，用于医生协作、同行建议和医学生培训等。随着手术的进行，LiDAR还允许对插座、球和销位置进行实时测量，从而获得更有效的结果。
上述医疗手术中的LiDAR要求与汽车及其他恶劣环境应用非常不同——距离非常短且视野狭窄、角度和距离分辨率高、SWaP（尺寸、重量和功率）低以及热耗散小。虽然这一AoT应用还有较长路要走，但是要振作起来，LiDAR正照亮从“物联网（IoT）”到“物自主（AoT）”的发展之路！
延伸阅读：