机器人已经融入到了我们生活的方方面面,现在酒店、餐饮、娱乐、工业、汽车自动驾驶等各个领域都有机器人在为我们服务。机器人越来越智能,应用场景也越来越多。 6月29日,由Aspencore与深圳市新一代信息通信产业集群联合主办的AIOT 2022国际生态发展大会-智慧机器人分论坛上,毕业于中山大学和荷兰代尔夫特理工大学,曾是光刻巨头ASML光刻过程控制算法的创始团队成员,现任深圳阜时科技有限公司CTO王李冬子先生分享了SPAD芯片在机器人LiDAR领域的应用。

机器人已经融入到了我们生活的方方面面,现在酒店、餐饮、娱乐、工业、汽车自动驾驶等各个领域都有机器人在为我们服务。机器人越来越智能,应用场景也越来越多。

6月29日,由Aspencore与深圳市新一代信息通信产业集群联合主办的AIOT 2022国际生态发展大会-智慧机器人分论坛上,毕业于中山大学和荷兰代尔夫特理工大学,曾是光刻巨头ASML光刻过程控制算法的创始团队成员,现任深圳阜时科技有限公司CTO王李冬子先生分享了SPAD芯片在机器人LiDAR领域的应用。

当前,很多雷达厂商需要将传统的雷达进行一定程度的升级或者融合,有的厂家需要在汽车上再增加更多的激光雷达,有的是需要降成本,有的是需要缩小体积。针对这些需求,主要做光电接收芯片的阜时科技目前主推AGV和汽车市场的芯片。

机器人市场特点

“在推广汽车和机器人的市场中,我有一些自己的心得体会,不一定完全代表市场需求,但从我们的角度来说,提供光电接收芯片给我们的一级或二级厂商客户,所提供的的产品解决方案大部分是他们的需求痛点。” 阜时科技CTO王李冬子表示。

“比汽车要难的是这个领域的机器人并不需要人工接入,同时FOV都非常大。我们原本认为厂家需要小体积、固态雷达或者扫描方案,最终发现市场还是对大广角的机械式雷达的需求最旺盛。我们在提供光电接收芯片时,主要也针对机械式的客户进行适配。我们只做接收端,发射激光器部分,大部分国产厂家都在做。我们的芯片有多款不同规格,有车规、工规也有消费类级别,对应的高中低都有。但这个市场上大部分客户对工规的需求比较明确。车规成本相对偏高,目前对这个市场不会有太多冲击。我们大部分的工作在广角机械式雷达上,给客户提供低成本、高可靠性的芯片方案。”

在距离方面,阜时科的机器人客户有主流的消费类,也有工业机器人和物流机器人,大部分要求都是在40米内必须完整掌握障碍物信息,最好能到100米。

最新的市场需求是在100米里能够发现比较粗糙的东西,可以满足要求。但在22米范围内,所有的东西都要看得清清楚楚。

从这个角度来看,摄像头和激光雷达的融合或许是一个解决方案,纯激光雷达,可以在角分辨率上达到1度,在水平分辨率上可以做到0.2。0.2的意义主要还是在20米范围内,一个人侧着站时能看见它。

一个普通的成年人正着站能看得到。但当侧过身时,很多雷达就发现不了这个人。

对于市场需求来说,一旦用到光电类型的芯片而不是更长波段的毫米波或者电磁波,需要在精度上、分辨率上做出不可妥协的结果。客户对分辨率要求比较高,无论是高中低都要有。在导航方面,都需要一个全角度360度的导航,

目前车载雷达的绝大多数工作方式,最多的是安装在顶部用于导航,对美观要求没有汽车明确,大部分厂家都倾向于用三颗避障,但实际芯片的需求需要四颗,一颗是全角雷达,三颗是三个近距离的接近避障。

阜时科技的接收芯片既能接收半固态的雷达、全固态的雷达,也能支持dToF检测方式和iToF检测方式,不会在技术路线上有偏向性,主要取决于市场的主流需求。

目前的激光雷达上游或者下游市场需求,大部分都集中在32线以下。原因是机器人虽然身高可能有1米左右,但它的运动速度比较慢,绝大部分在40公里甚至20公里/小时,所以雷达的精度比汽车要低,成本也低了很多。

32线和16线是目前市场上的主流,分辨率0.1最佳,能够分辨出1.7米的成年人,也能分辨出一个侧着站的成年人。

帧率要求方面,机器人要求相对比较低,汽车上所有的客户都要求25帧甚至更高,但很多机器人5帧也可以接受,原因是其运动速度比较慢,尤其是近距离。

100米是目前市场上比较高配的要求,客户希望在运动时检测到大概10秒钟后它能到达的位置是不是有干扰。阜时科技为客户提供的技术解决方案中也支持这种100和200米(简化)方案,包括从成本和体积上都可以做简化。

传统雷达架构

传统雷达架构

传统的激光雷达在机器人上使用时主要有两大模块比较重要,如上图,一是SOC1,它是整体的接收+控制模块,有4-5颗芯片,从电源到ADC、放大器、信号降噪处理。SOC2是目前市面上最常见的,一个FPGA搭配存储,FPGA市场上暂时还没有一个厂家能完整的推出一颗高集成度的处理器。

SPDA方案

针对上面的情况,王李冬子对传统雷达的架构进行了这样的分析和预测:“我们认为有两个障碍,一是客户的开发,他们可能需要比较容易使用的完备工具,FPGA在市场上能找到比较全面的资源。二是这个市场体量没有大到一个芯片公司专门开发一个SOC2的程度。开发一个CPU,至少需要有300-400K/月的销量才可行。如果机器人产品一个月只出货5000-5万台,那它大部分还在用FPGA,它虽然性能很好,开发很易用,但实际上成本很难降下来。我们认为客户对这个市场的需求就是用一颗通用SOC去覆盖后面的运算和存储。还有一颗是现在做的芯片。我们现在把数字处理等做到一起,未来我们愿意为客户提供的SOC1就是一颗芯片。” 

目前的传统雷达产品方案有PIN/SPD/SiPM,本质上这三种芯片都是比较好的基础方案,但它们是模拟芯片,而模拟芯片后面需要用到信号链,信号链主要是以TI、ADI等大厂为主,带来的代价是都是分立模块,成本不好控制。

阜时科技的一个全数字的接收方案可以对这种情况进行处理,一颗芯片就代替掉左边这一片东西(如上图)。接下来客户也可以尝试IPCAM,唯一的难处是用IPCAM芯片开发起来门槛比用FPGA麻烦一些,这有赖于SoC厂商推出一个完整的方案。目前从这个场景看,芯片成本、复杂度包括可靠性会高很多。

用高灵敏度光电接收有两个好处

第一,以后的机器人会越来越多,汽车也一样。如果有100台汽车对着人(群)发射激光,现有的激光雷达安全指标一定要调整。现在一台车可能不会伤到人,但未来如果有100台车对着人发射激光时,就一定要调整。未来激光雷达接收端必须要不断地降低功耗,发射端也要提高安全门槛,因为激光设备太多了。

第二,理论上,在100公里、1000公里外发一个信号也能接收,但仅仅这样是没有意义的。首先要考虑上面说的安全性,同时要考虑精度。假如1000公里发射一个信号,精度是500公里,也没有意义。

因此接收必须有两个前提条件:对人是安全、可靠的,精度是有保障的。

“阜时科技希望在市场上推出一个完整的接收芯片,这个芯片既满足了光电的接收,也满足了摄像头的兼容,同时还能满足基础的底层信号处理。交给SOC2时,这个信号基本上是完整的,由客户进行简单的建模处理。民用化产品,比如扫地机,用一个MCU就可以获取数据,如果是机器人,可能需要一个NPU进行3D建模,再进行摄像头的融合。无论哪种模式,阜时科技都可以支持。”王李冬子表示。

上图是阜时科技的一些产品,标红的指标在目前比较有竞争力。

左边很多扫地机器人厂家在用,是近距离的避障,右边一款15m,另一款50m。

50米已经到车用边界,很多做汽车的客户用了盲区检测雷达就在50米的范围。

15米对于很多激光雷达的近距离应用来说是足够导航用的。

有的车厂希望更远,要求70米或者100米。因为盲区检测时,尤其是穿黑衣服的人在盲区上打了折扣。

阜时科技的芯片是单个输出,针对转圈式的带马达的雷达完全没有问题。这款芯片最大的抗阳光在100Klux,午后3点钟户外正常光照,既不对着太阳也不刻意回避太阳。比如户外除草机在草地上工作或者一个机器人在正午送外卖,都会考虑这个指标,在这种环境下性能将下降到70-80%。

在正午的阳光下,阜时科技目前的算法和标准能做到70-80%的水平。50米下能保证40米左右的工作距离。

工作波段,目前推荐905nm,激光器在户外用得比较多,940nm滤光片相对高一些,但技术上上阜时科技的产品都兼容各种技术路线。

总结

从2019年到现在的2022年,阜时科技做的一直都是光电接收芯片,所有技术人员没有停下研发脚步,研发人员有近200人的规模,在深圳、北京、杭州、成都、武汉都有各自的研发中心和客户支持团队。

目前,阜时科技的研发重心和客户支持的重心都在汽车和机器人相关的领域,其芯片会为目前国内主流的激光雷达厂家或者汽车主机厂提供他们需要的激光雷达接收端。

同时由于机器人市场对成本要求更苛刻,对技术需求、可靠性要求与汽车也不一样,阜时科技没有简单的把汽车芯片照搬到机器人领域,因此单独迭代了一个产品序列。

“今年8月底第一款车规级芯片即将发布,在这个市场里我们会加大投入。可能大家以往看到我们在手机市场里做得比较多,包括IoT市场。没错,我们以前在光电接收上布局了非常多系列产品,但这两年我们的产品都跟汽车领域相关,我们希在这个行业的传感领域做成一个优秀的工程化团队。”阜时科技CTO王李冬子总结道。

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