Arbe雷達(dá)的自由空間映射是何方黑科技？

如果你在百度上搜索“雷達(dá)自由空間映射”，相信你只會(huì)看到一家相關(guān)的公司名字：Arbe。是的，這家以色列雷達(dá)公司的感知成像雷達(dá)能夠在所有環(huán)境條件提供有效感知，創(chuàng)建完整且精準(zhǔn)的自由空間映射，進(jìn)一步確保自動(dòng)駕駛的安全性。

2023 CES電子消費(fèi)展上，Arbe展示了感知成像雷達(dá)的自由空間映射技術(shù)，并憑借其360°環(huán)繞式雷達(dá)感知技術(shù)榮獲CES2023創(chuàng)新獎(jiǎng)。Arbe感知成像雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率環(huán)境感知，在車輛周圍創(chuàng)建精準(zhǔn)的自由空間映射，為自動(dòng)駕駛的安全性鋪平道路。由此可見，這家新一代感知成像雷達(dá)芯片組解決方案領(lǐng)軍企業(yè)正在引領(lǐng)一場(chǎng)雷達(dá)革命。

Arbe的感知成像雷達(dá)是自由空間映射的關(guān)鍵，那么到底什么是自由空間映射，自由空間映射能夠?yàn)檐囕v帶來什么，這篇文章將深入進(jìn)行探索。

何為自由空間映射技術(shù)？

自由空間映射（FSM，F(xiàn)ree Space Mapping）是通過對(duì)目標(biāo)的位置、距離和高度等信息的綜合考量構(gòu)建出精確的環(huán)境地圖，給出可行駛區(qū)域（Free Space）的技術(shù)。它利用數(shù)據(jù)可視化處理，將自由空間映射結(jié)果直觀呈現(xiàn)給駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)、道路邊緣檢測(cè)、車道保持輔助等智能駕駛功能。

要支持自動(dòng)駕駛的自主決策，首要條件是能夠區(qū)分即時(shí)駕駛環(huán)境中的可駕駛和不可駕駛區(qū)域。而自由空間映射恰恰是將4D成像感知雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)信息繪制在三維空間中的過程，其實(shí)現(xiàn)的對(duì)車輛環(huán)境的可靠估計(jì)是導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和避障的基礎(chǔ)。

自由空間映射給車輛帶來了什么？

自由空間映射是成像雷達(dá)的核心能力之一，它可以通過多目標(biāo)檢測(cè)和追蹤、三維環(huán)境感知以及精確目標(biāo)識(shí)別等實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中物體準(zhǔn)確、全面的感知，為自動(dòng)駕駛、智能交通和其他應(yīng)用領(lǐng)域提供重要的支撐。

當(dāng)前自由空間映射的局限性

自由空間映射是一個(gè)為駕駛環(huán)境提供鳥瞰圖的2D地圖，也是一張距離方位圖。地圖上的每個(gè)像素代表著可以行駛的相應(yīng)的距離和方位角。事實(shí)上，區(qū)分與駕駛無關(guān)的障礙物（如突起路標(biāo)）和應(yīng)該避讓的障礙物（如路上的輪胎）取決于仰角分辨率，這也使成像雷達(dá)對(duì)自由空間的測(cè)繪變得至關(guān)重要。

盡管光學(xué)傳感器提供了足夠的方位角和仰角映射，也是自由空間映射的常用傳感器，但它缺乏可靠的遠(yuǎn)距離分辨率和足夠的深度感知，無法準(zhǔn)確測(cè)量路徑規(guī)劃所必需的目標(biāo)距離。光學(xué)傳感器還會(huì)受極端天氣和光線條件的影響。因此，為了保證車輛安全，需要由能夠在所有天氣和照明條件下正常運(yùn)行的雷達(dá)來提供高度準(zhǔn)確的目標(biāo)距離映射，這使成像雷達(dá)成為光學(xué)傳感器的理想（也是唯一必要的）補(bǔ)充。

自由空間映射是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵功能之一。為了保證極高的準(zhǔn)確性，自由空間映射不能只由光學(xué)傳感器來實(shí)現(xiàn)，還需要具備冗余性。將雷達(dá)傳感器和攝像頭傳感器進(jìn)行融合創(chuàng)建自由空間映射，不僅可實(shí)現(xiàn)冗余，提供故障安全機(jī)制，還可以利用不同傳感器的優(yōu)勢(shì)覆蓋更大的范圍。

傳統(tǒng)汽車?yán)走_(dá)以距離、方位角和多普勒三個(gè)維度測(cè)量物體，在實(shí)現(xiàn)自由空間映射方面往往力不從心。在分辨率方面，5度（或以下）的雷達(dá)無法為駕駛場(chǎng)景提供足夠詳細(xì)的占位柵格（occupancy grid），它所看到的物體似乎比實(shí)際大得多，不能感知其邊界和確切位置。傳統(tǒng)雷達(dá)除了方位角分辨率較低，還缺少仰角分辨率，會(huì)將所有靜止物體都視為障礙物，僅限于緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制等移動(dòng)車輛的檢測(cè)。盡管基于雷達(dá)的后處理算法可提高檢測(cè)閾值，卻使靈敏度降低，誤報(bào)率很高，有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)情況甚至事故。

另外，大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)都無法提供所需的冗余級(jí)別。特別是在L2+級(jí)和NCAP安全性方面，現(xiàn)有的雷達(dá)也有潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如角度分辨率非常有限，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)過行人和騎行者等弱勢(shì)道路使用者。此外，現(xiàn)有雷達(dá)依賴多普勒分辨率檢測(cè)物體，可能導(dǎo)致無法檢測(cè)靜態(tài)物體。如果缺少高仰角分辨率就無法測(cè)量高度，也無法確定物體的位置，更無法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。低仰角分辨率無法支持感知算法，也無法實(shí)現(xiàn)自由空間映射。此外，傳統(tǒng)雷達(dá)的計(jì)算能力和內(nèi)存大小也限制了同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)的能力。

激光雷達(dá)（LiDAR）可以為中程感知提供令人滿意的自由空間解決方案。它不直接測(cè)量多普勒，而是依靠跟蹤來確定哪些物體是靜止的。一些激光雷達(dá)具有0.1°的超高分辨率，比雷達(dá)的1°高很多；但是，這對(duì)自由空間映射并沒有太大意義，因?yàn)轳{駛決策需要寬安全裕度，且不能在0.1°分隔率上執(zhí)行。考慮到激光雷達(dá)的成本和惡劣天氣條件下的有限功能，它更適合作為成像雷達(dá)和攝像頭傳感器套件的備用傳感器。

不言而喻，自由空間映射的關(guān)鍵傳感器是成像雷達(dá)。Arbe的成像雷達(dá)是第一個(gè)解決了上述問題并為車輛自由空間映射和增強(qiáng)安全性帶來高價(jià)值的成像雷達(dá)。它具有高靈敏度、高分辨率、全空間傳感（包括仰角）和全天候全可視性能，是解決基于對(duì)比度的自由空間映射的光學(xué)傳感器的完美補(bǔ)充。

Arbe的成像雷達(dá)給車輛帶來了什么？

Arbe的4D成像感知雷達(dá)首次在汽車?yán)走_(dá)中實(shí)現(xiàn)了基于雷達(dá)的實(shí)時(shí)自由空間映射，通過對(duì)道路上的物體進(jìn)行分類，再結(jié)合時(shí)間信息以四維（三維空間+速度）點(diǎn)云形式展示在環(huán)境地圖中，實(shí)現(xiàn)精確的環(huán)境感知和動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤，有助于智能駕駛做出正確的決策。

在檢測(cè)靜止物體、確定道路形狀和曲率方面，Arbe的4D成像感知雷達(dá)也非常有效，能夠繪制出需要避開的護(hù)欄、混凝土墻、停在車道內(nèi)的車輛等物體。其較多的通道數(shù)可改善成像中的空間分離，先進(jìn)的后處理功能可減少虛警，消除虛警情況，誤報(bào)接近于零，從而生成車輛可以依賴的自由空間映射。

Arbe成像雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

實(shí)現(xiàn)自由空間映射需要高精度雷達(dá)，這就需要使用大量天線通道陣列的助力。這看起來并不復(fù)雜，但實(shí)現(xiàn)起來并不容易。傳統(tǒng)雷達(dá)由接收和發(fā)射通道有限的小通道陣列組成，市面上的雷達(dá)多由12個(gè)虛擬通道升級(jí)至192個(gè)虛擬通道。而Arbe的高分辨率成像雷達(dá)有2304個(gè)虛擬通道，由48個(gè)接收通道和48個(gè)發(fā)射通道以及雷達(dá)芯片組中包含的處理器芯片組成。通道數(shù)量的增加無疑會(huì)提高感知能力，但處理能力是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。通常處理192個(gè)通道需要使用FPGA，Arbe則使用了專用處理器來加載多達(dá)2304個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

此外，傳統(tǒng)雷達(dá)難以檢測(cè)水平運(yùn)動(dòng)。Arbe 4D成像感知雷達(dá)能夠在遠(yuǎn)距離和寬視野下檢測(cè)多普勒（移動(dòng)物體的方向和速度），在高分辨率、全面感知和誤報(bào)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)，這是因?yàn)榻嵌确直媛实奶岣叽蟠髷U(kuò)展了汽車自由行駛區(qū)域的映射范圍。

Arbe 4D成像感知雷達(dá)還能夠提供高分辨率的仰角成像，其物理分辨率達(dá)到1°方位角和2°仰角，視野寬度達(dá)到100°方位角和30°仰角，可在350米范圍內(nèi)以每秒30幀（接近實(shí)時(shí)）的速度同時(shí)跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo)。它能夠區(qū)分行駛環(huán)境中的不同目標(biāo)，判斷是否需要避讓。在任何天氣和光照條件下，Arbe 4D成像感知雷達(dá)都可以識(shí)別關(guān)鍵目標(biāo)或障礙物（如坑洞或橋梁），引導(dǎo)汽車安全行駛。

值得一提的是，Arbe先進(jìn)的后處理算法結(jié)合了時(shí)域、頻域和空域處理方法，完全基于成像雷達(dá)，而不需要其他傳感器來測(cè)量速度、角度和其他參數(shù)。其后處理算法可以準(zhǔn)確識(shí)別和提取出目標(biāo)的位置、速度和形狀等特征信息。這些信息包括：實(shí)時(shí)計(jì)算自車行駛數(shù)據(jù)；追蹤和區(qū)分目標(biāo)，全面了解汽車周圍環(huán)境，感知車輛周圍環(huán)境中的無障礙空間；對(duì)動(dòng)靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行映射；以所有維度分析超高分辨率數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)可行駛區(qū)域。

合作開發(fā)新一代成像雷達(dá)系統(tǒng)

一年來，Arbe與國(guó)內(nèi)外廠商的合作可謂緊鑼密鼓。2022年Arbe與全球15家頭部整車廠中的12家展開了合作，與此同時(shí)，Arbe深耕中國(guó)市場(chǎng)，拓展在華業(yè)務(wù)，得到了中國(guó)合作伙伴的高度認(rèn)可。

2022年10月，Arbe攜手維寧爾(已被麥格納收購(gòu))為車規(guī)級(jí)安全和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)下一代雷達(dá)。Arbe提供的芯片解決方案包括48×48信道的高分辨率遠(yuǎn)程雷達(dá)及24×12信道的360°環(huán)繞式雷達(dá)。

2022年年底，Arbe獲得經(jīng)緯恒潤(rùn)首個(gè)商業(yè)訂單，為后者提供34萬個(gè)雷達(dá)芯片組，供2023年和2024年參與整車廠和自動(dòng)駕駛項(xiàng)目應(yīng)用，基于Arbe感知雷達(dá)芯片組開發(fā)的雷達(dá)解決方案將在2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

今年上海車展期間，Arbe又與威孚高科和滴滴自動(dòng)駕駛貨運(yùn)公司KargoBot達(dá)成戰(zhàn)略合作。三方將共同挖掘具有戰(zhàn)略意義的新產(chǎn)品、新技術(shù)，在中國(guó)建立品牌推廣、產(chǎn)品營(yíng)銷、技術(shù)提升、人才培養(yǎng)合作平臺(tái)，推進(jìn)4D成像雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的研發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用。

今年7月份，Arbe宣布獲得中國(guó)汽車市場(chǎng)知名一級(jí)供應(yīng)商威孚高科千萬美元訂單。Arbe與威孚高科自2019年以來就展開合作，為汽車行業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。基于Arbe的雷達(dá)芯片組，威孚高科專注于開發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)，為整車廠、卡車、商用車以及交通運(yùn)營(yíng)等提供定制化感知雷達(dá)系統(tǒng)。

總結(jié)

Arbe的成像雷達(dá)具有真實(shí)且準(zhǔn)確的環(huán)境感知能力，對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性和性能至關(guān)重要。它完美解決了傳統(tǒng)雷達(dá)的痛點(diǎn)，此外，性能意味著大量的通道，Arbe雷達(dá)芯片組也解決了這一挑戰(zhàn)。

Arbe的成像雷達(dá)可滿足自由空間映射的關(guān)鍵要求，無論照明或天氣條件如何，在遠(yuǎn)距離探測(cè)中都具有較高的可靠性，而且在所有維度都具有高空間分辨率。此外，其互補(bǔ)的高多普勒分辨率能夠有效區(qū)分靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。這些功能使成像雷達(dá)成為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自由空間映射必備的傳感器套件，也將為自動(dòng)駕駛感知和自主決策賦能。