Waymo 的自動駕駛技術(shù)做到全球領(lǐng)先，很大程度上得益于其在硬件自研上的持續(xù)投入。

與市面上大多數(shù)自動駕駛企業(yè)相比，Waymo 不但擁有自己的自動駕駛車輛生產(chǎn)線，而且在關(guān)鍵傳感器（激光雷達、毫米波雷達、攝像頭）方面也能自力更生、自給自足。

這樣做的好處：一方面，車輛的軟硬件系統(tǒng)集成度更高，整體性能得以提升；另一方面， Waymo 可以對車輛硬件成本進行把控，以削減自動駕駛車輛的整體成本。

今年 3 月，Waymo 宣布推出其第五代自動駕駛系統(tǒng)，在傳感器層面進行了一輪大迭代，包括全新自研的激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等。

這一輪迭代幫助 Waymo 的系統(tǒng)感知性能實現(xiàn)了飛躍，能精確讀取 500 米外的交通標(biāo)識，同時整體成本較前代縮減 50%。

相比于這一次的更新，我們更好奇：在以往 10 多年的發(fā)展過程中，Waymo 自動駕駛車輛上的傳感器配置是如何演進的？

我們選擇以「Waymo 自動駕駛車型演變史」為坐標(biāo)，來追溯其傳感器配置的變化歷史。

1.豐田普銳斯：第一代傳感器主要靠采購

Waymo 在 2016 年 12 月之前一直以「谷歌無人車項目」的名號示人。

最早在 2009 年啟動自動駕駛車輛的研發(fā)，當(dāng)時選擇的車型是豐田普銳斯（Prius）混動版。

谷歌第一代無人車

之所以基于這款車進行研發(fā)，其實很大程度上跟一個工程師有關(guān)，他就是日后在自動駕駛?cè)?nèi)大家耳熟能詳?shù)娜宋?Anthony Levandowski。

他所創(chuàng)辦的自動駕駛公司 510 Systems 被谷歌收購后，其團隊也成為了谷歌無人車項目的重要組成部分。

510 Systems 最早就是基于豐田普銳斯車型進行改裝，其團隊進入谷歌后，自然而然將這款車作為主力車型。

另外，這款車在美國加州是隨處可見的街車，是豐田在美國市場賣得非常好的車型。

作為谷歌第一代自動駕駛原型車，谷歌無人車團隊為其準(zhǔn)備的傳感器配置是：

車輛頂部設(shè)計了一個支架，其上搭載的是 Velodyne 的 64 線機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達，能夠?qū)嚿?360 度方向進行掃描。

車頂?shù)暮蟛窟€安裝有 GPS 天線，協(xié)助車輛進行自定位。4 顆毫米波雷達分別安裝在車輛的前后保險杠以及車頭的兩側(cè)，前雷達主要用于檢測距離和速度。

因為這時候谷歌無人車剛剛開啟研發(fā)不久，自研傳感器還為時尚早，所以這些雷達產(chǎn)品是向大陸/博世采購的。

在車內(nèi)的后視鏡位置安裝了一顆前視攝像頭，主要用于識別車輛、行人以及騎行者，而且這顆攝像頭還能將紅綠燈信息傳輸給車載計算單元，輔助車輛決策。

車內(nèi)為現(xiàn)任 Waymo CTO Dmitri Dolgov，攝于 2012 年

另外，谷歌團隊還在普銳斯原型車的左后輪安裝了車輪編碼器（Wheel Encoder），用來跟蹤車輛的運動軌跡并不斷更新其在地圖上的位置。

當(dāng)時，這輛車的核心計算和處理單元都放在了后備箱，這其實和前幾年自動駕駛創(chuàng)業(yè)熱潮期很多公司搭出來的原型車的做法類似。

谷歌第一代無人車后備箱，羅列的部件信息清晰可見

2012 年 5 月，谷歌憑借豐田普銳斯自動駕駛原型車，拿到了全美第一張自動駕駛路測牌照，由美國內(nèi)華達州交管局頒發(fā)。

當(dāng)年，谷歌的自動駕駛車開到了拉斯維加斯的街頭。

當(dāng)時，整套系統(tǒng)配下來，其成本在 15 萬美金左右，而車頂?shù)哪穷w激光雷達就要價 75000 美金。

但是當(dāng)時的谷歌沒得選，因為激光雷達傳感器太關(guān)鍵，而且當(dāng)時能供應(yīng)這類性能產(chǎn)品的企業(yè)只有 Velodyne。

所以谷歌后來選擇自研激光雷達傳感器，有兩方面原因：

一是因為 Velodyne 要價太高，致使打造自動駕駛車輛的成本居高不下；

二是因為其激光雷達產(chǎn)品的可選類型很少，而且當(dāng)時 Veldoyne 都是手工打造，產(chǎn)能非常低，嚴(yán)重拖慢了谷歌的自動駕駛車輛部署進度。

為了不受制于人，谷歌下定決心要自己研發(fā)這一自動駕駛車輛的關(guān)鍵傳感器。

這里有一個背景：谷歌無人車項目團隊很多都有 DARPA 無人車挑戰(zhàn)賽的經(jīng)歷，當(dāng)時參賽車輛大部分使用的是 Velodyne 的「大花盆」式激光雷達。

所以谷歌的自動駕駛車輛一開始自然而然也采用了 Velodyne 的產(chǎn)品。

有意思的是，Anthony Levandowski 職業(yè)生涯早期在 Veldoyne 從事過銷售工作，在谷歌無人車項目組做的也是與激光雷達感知相關(guān)的技術(shù)工作，可謂淵源不淺。

也是這一層淵源，為后來谷歌自研激光雷達傳感器打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.雷克薩斯 RX450h：開始采用自研傳感器

2012 年時，谷歌擴大了自動駕駛原型車的數(shù)量，超過 10 臺自動駕駛原型車跑在舊金山的街道上。

其中，有 6 輛以上的豐田普銳斯車型，還有 1 輛奧迪 TT 改裝的自動駕駛車輛，另有 3 輛是新引入的雷克薩斯 RX450h SUV 車型（蘋果現(xiàn)役自動駕駛原型車就是這款車型）。

這款原型車最早于 2012 年 4 月份在舊金山開跑。

2012 年 4 月在硅谷測試的谷歌無人車，基于雷克薩斯 RX450h 打造

這款車型的傳感器版本經(jīng)歷過幾次迭代，外觀也有變化。

其早期版本和豐田普銳斯很像，車頂都是 Velodyne 的激光雷達，異常醒目。

大概在 2015 年 5 月的時候，這款車型的自動駕駛傳感器配置開始發(fā)生變化，最大的變化發(fā)生在車頂。

因為這一時期，谷歌已經(jīng)自主研發(fā)出了可以替代 Veldoyne 激光雷達的產(chǎn)品。

2015 年 5 月攝于硅谷，谷歌雷克薩斯原型車車型傳感器配置

攝于 2015 年 8 月，德州奧斯汀

改款后的車輛頂部變得復(fù)雜了，因為上面不光有谷歌自研的激光雷達，還有一圈攝像頭產(chǎn)品，大概率也是谷歌自研的產(chǎn)品。

激光雷達和攝像頭在這輛車的車頂上實現(xiàn)了一種巧妙的融合，兩種傳感器疊加在一起，并且設(shè)計了保護罩，美觀度上更高，感知性能也得以提升。

這一時期，這款車的車頭、車尾以及兩側(cè)后視鏡處還加裝了谷歌自研的另外一類激光雷達產(chǎn)品，根據(jù) Waymo 后來公布的設(shè)計方案，這種激光雷達主要用于盲區(qū)檢測。

另外，這輛車的毫米波雷達的安裝位置也有變化，安裝位置更高，被放在了車輛尾燈以及后視鏡的位置。

這些毫米波雷達很大可能也是谷歌自研的產(chǎn)品。

如果將這款車的傳感器配置與如今 Waymo 全新一代的傳感器配置進行對比，我們可以看到里面有一種延續(xù)性。

雖然沒有官方證實，我們可以大膽判斷：這款車上的配置，就是谷歌進行傳感器全面自研后拿出的第一代方案。

除了自研的激光雷達，谷歌還對攝像頭、毫米波雷達進行了改造。

再往后走，這款基于雷克薩斯 RX450h 的自動駕駛原型車的外觀又發(fā)生了變化。

圖源自 GoogleX 實驗室官網(wǎng)，車頂傳感器集成度更高

其整體的集成度更高，傳感器的配置也更加復(fù)雜，這樣做的目的應(yīng)該是為了實現(xiàn)感知冗余。

因為很多傳感器包裹得比較嚴(yán)密，所以從外觀上很難判斷各個位置具體安裝的是哪一種感知設(shè)備。

從這一點也可以看出，谷歌那時候已經(jīng)開始對車輛的知識產(chǎn)權(quán)進行更周全的保護。

這款雷克薩斯原型車后來逐漸淡出了大家的視野，取而代之的是谷歌內(nèi)部自研的無方向盤和制動踏板的「螢火蟲」（Firefly）車型。

3.「螢火蟲」車型：全面采用自研傳感器

圖源自 GoogleX 實驗室官網(wǎng)，第一代「螢火蟲」外觀設(shè)計

2014 年 5 月，谷歌無人車團隊正式發(fā)布了一款去掉了方向盤和制動踏板的「螢火蟲」車型。

這款車型在當(dāng)時被團隊寄予厚望，因為它是谷歌想自己造車的特殊產(chǎn)物。

當(dāng)時，谷歌還邀請了一批用戶來體驗這款車，這一次試乘并未駛?cè)牍_道路，而是在加州山景城的一個封閉的停車場里。

谷歌的老朋友 Steve Mahan——一位失明的老人，很早之前就乘坐過谷歌的豐田普銳斯車型。

這一次又體驗了一把「螢火蟲」車型。

截圖自谷歌發(fā)布的官方視頻，上圖攝于 2012 年；下圖攝于 2014 年。

「螢火蟲」剛推出時，一個最大的特點就是其車頂依然使用的是從 Velodyne 定制的激光雷達。

但是這顆激光雷達不久后就被谷歌自研的激光雷達取代了。

和前代車型雷克薩斯 RX450h 一樣，「螢火蟲」車型也經(jīng)歷了傳感器配置的變化，也是發(fā)生在 2015 年，主要是替換了頂部的激光雷達。

Steve Mahan 乘坐「螢火蟲」車型，德州奧斯汀

這個版本的「螢火蟲」車型在工業(yè)設(shè)計上追求極簡風(fēng)格，而且整體的集成度更高。

在傳感器配置方面，車頂安裝有谷歌自研的激光雷達和多攝像頭的組合，能夠?qū)崿F(xiàn) 360 度環(huán)境感知，感知距離超過 200 米。

車輛前后各有一顆小型的激光雷達，與此前安裝在雷克薩斯 RX450h 上的前后激光雷達應(yīng)該是一個類別。

前視攝像頭則安裝在車輛的風(fēng)擋處，用于識別行人、騎行者、道路標(biāo)識牌以及路口的紅綠燈等。

車輛的 4 顆毫米波雷達安裝在前后保險杠位置；車尾部還安裝有 GPS 定位裝置，配合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)助車輛自我定位。

「螢火蟲」上還加裝了超聲波傳感器，主要是用于倒車輔助。

另外，這款車內(nèi)部還有高度計、陀螺儀和測速儀，它們通過測量各種參數(shù)來確定汽車精確的位置，為車輛的安全運行提供保障。

這款車代表的是谷歌在自動駕駛領(lǐng)域超前的理念。

2015 年，時任谷歌無人車 CTO 的 Chris Urmson 曾在一次演講中透露要找供應(yīng)商一起來生產(chǎn)這款車，包括和博世、大陸、采埃孚進行合作，但后來并未成行。

時任谷歌無人車項目 CTO Chris Urmson 的演講 PPT

無法量產(chǎn)的原因很多，一個是法律法規(guī)問題，另一個則是谷歌內(nèi)部在無人駕駛商業(yè)化方面存在著分歧。

后來我們看到谷歌無人車團隊很多人出走，領(lǐng)導(dǎo)層經(jīng)歷了大換血。

2016 年 5 月，谷歌找到了 FCA，準(zhǔn)備聯(lián)手打造可量產(chǎn)的自動駕駛車輛。

而后，「螢火蟲」車型逐漸失寵并最終在 2017 年 8 月正式宣告退役。

從雷克薩斯 RX450h 和「螢火蟲」的傳感器變化來看，可以確定的是，谷歌在 2015 年 5 月之前就已經(jīng)自研出了激光雷達產(chǎn)品，而且不止一款。

在這個時間點上，全球的自動駕駛、激光雷達創(chuàng)業(yè)熱潮還沒有到來，可見谷歌在技術(shù)上的前瞻性。

4.FCA 大捷龍：自研傳感器的量產(chǎn)化

「螢火蟲」的戰(zhàn)略地位發(fā)生變化之后，谷歌的主力自動駕駛車型變成了 FCA 的大捷龍車型。

2016 年 12 月，Waymo 正式分拆成為 Alphabet 的子公司，在 John Krafcik 的帶領(lǐng)下，谷歌無人車開啟了新的征程。

2017 年初，John Krafcik 正式對外解讀了大捷龍車型上的自動駕駛傳感器配置，同時對外宣稱通過自研可將激光雷達的價格降至 7500 美元——Velodyne 64 線產(chǎn)品的十分之一。

Waymo 自動駕駛車輛的傳感器包括激光雷達系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和補充傳感系統(tǒng)。

在激光雷達系統(tǒng)方面，這款車配備了覆蓋短、中、長距離共計 6 個激光雷達——安裝于車輛正前正后及兩側(cè)的近程激光雷達、360 度環(huán)視激光雷達及遠程前向激光雷達。

短距離的激光雷達主要用于盲區(qū)監(jiān)測，也就是后來 Waymo 決定公開售賣的 Laser Bear Honeycomb 激光雷達。

與 Velodyne 推出的 VelaDome 產(chǎn)品類似，專注于近距離檢測。

車頂整流罩中則包含了兩顆激光雷達：一顆用于環(huán)視，一顆用于前向。

有業(yè)內(nèi)人士猜測，這顆前向激光雷達是固態(tài)產(chǎn)品，搭載的是 1550nm 激光器，點云分辨率更高。

在視覺系統(tǒng)方面，車輛頂部的整流罩里集成了一圈立體攝像頭，還有 8 個熱成像相機。

車輛的前擋風(fēng)玻璃處也有一組前視攝像頭，但目前并不清楚是單目還是雙目。

車上有 6 個毫米波雷達，4 個安裝在車頂位置，與車身成 45 度夾角；左右兩側(cè)的 2 個毫米波雷達，與車身平行。

兩側(cè)的毫米波雷達可以探測十字路口側(cè)向來車的情況，也可以探測側(cè)向車道的車輛和行人，以便于變道決策。

有分析認為，Waymo 自研的毫米波雷達采用的是 77GHz 的頻段，因為探測距離要求足夠遠。

Waymo 的硬件工程師曾在一次訪談中也提到，他們正在研發(fā)合成孔徑雷達技術(shù)。

大捷龍車型的車頂前方還開了一組小孔，這是麥克風(fēng)陣列，也就是 Waymo 所謂的補充傳感系統(tǒng)。

這組麥克風(fēng)可以聽到很遠處的救護車、警車等這類需要應(yīng)急避讓的車輛。從這組傳感器的設(shè)置來看，Waymo 的團隊足夠注重細節(jié)。

除這些之外，車上應(yīng)該還有 GPS 定位、IMU 慣導(dǎo)這類傳感器，幫助車輛更加安全、穩(wěn)定地運行。

Waymo 的大捷龍車型目前已經(jīng)在全美多地進行無人駕駛出行服務(wù)，而且整體性能比較穩(wěn)定。

通過幾年的運行，這套傳感器配置也充分證明了自己的感知能力。

但 Waymo 并不想就此止步，在大捷龍之后，Waymo 再一次更新傳感器配置，并且將這套配置做成了可移植的模式——可在大捷龍、捷豹 I-Pace 以及貨運車輛這些不同車型平臺之間移植。

5.捷豹 I-Pace：自研傳感器性能的全面提升

Waymo 采用第五代傳感器配置的代表車型則是捷豹 I-Pace，這款純電動的豪華車型即將開啟無人駕駛出行服務(wù)。

可以看到，這款車與前一代車相比，車頂?shù)恼髡纸Y(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

在傳感器配置層面，I-Pace 車頂只用了一臺全新的高性能激光雷達，完全能探測中遠程距離的目標(biāo)物。

移除一臺激光雷達則意味著成本的下降。

車輛前、后以及兩側(cè)的激光雷達也進行了重新設(shè)計，而且新加了一組攝像頭與其進行配合。

這款新的側(cè)邊盲區(qū)檢測激光雷達與其前一代 Laser Bear Honeycomb 相比，采取了斜面設(shè)計，這種設(shè)計有利于甩掉泥水。

而且盲區(qū)激光雷達主要檢測下方和側(cè)面，所以斜面設(shè)計效果更好。

車頂依然有提供 360 度視野的立體攝像頭組合，與激光雷達整合在同一個整流罩下。

I-Pace 全車共搭載了 29 顆攝像頭，能最大程度降低光照條件和極端天氣的影響，輪拱處新增的攝像頭更是能緊盯那些靠近車輛的異物。

這些攝像頭的增加，也體現(xiàn)了 Waymo 對于視覺感知的重視。

在毫米波雷達層面，Waymo 自研了天線罩、天線、電路板、機械外殼、固件、軟件等。車上 6 顆毫米波雷達的位置也有了微調(diào)，車輛尾部的 2 顆毫米波雷達被移到了尾燈下方。

以上這些改變，構(gòu)成了 Waymo 第五代自動駕駛系統(tǒng)傳感器硬件的更新。

經(jīng)過這些年的發(fā)展，Waymo 自動駕駛原型車的外觀已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，歷經(jīng) 5 代車型的變遷，傳感器的性能也不斷在提升，整個自動駕駛系統(tǒng)的運行能力有了長足的進步。

在這些變化的背后，是 Waymo 團隊數(shù)十年如一日的潛心研發(fā)。

6.Waymo 自研全套傳感器的實力

從激光雷達、毫米波雷達、攝像頭這三大主要傳感器的研發(fā)來看，Waymo 之所以能取得今天的成就，既離不開谷歌的技術(shù)支援，也離不開十年磨一劍的投入。

在激光雷達層面，Waymo 最早用的是 Velodyne 的產(chǎn)品，在使用過程中，Waymo 的團隊也逐漸掌握了激光雷達的相關(guān)技術(shù)。

后來，Waymo 還與 Velodyne 展開了聯(lián)合研發(fā)，這幫助 Waymo 得到了部分激光雷達專利的授權(quán)。

這些技術(shù)的積累，幫助 Waymo 在后來另立門戶，結(jié)束了向 Velodyne 采購昂貴激光雷達日子。

2017 年 2 月狀告 Uber 時，Waymo 在其起訴文件中表示自身在激光雷達領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗接近 7 年，以這個時間來算，Waymo 在 2011 年左右就開始了激光雷達產(chǎn)品的研發(fā)。

Waymo 2017 年起訴 Uber 時的官方文件

2014 年，Waymo 拿到了激光雷達系統(tǒng)技術(shù)的「922 專利」（具有共享發(fā)射/接收路徑的旋轉(zhuǎn)激光雷達平臺的設(shè)備和方法），是一種將激光發(fā)射器和接收器集成在一起的專利技術(shù)，這種技術(shù)能大大提高產(chǎn)品性能，同時降低整體成本。

2015 年和 2016 年，Waymo 又相繼拿到了激光雷達系統(tǒng)技術(shù)的「273 專利」（激光束與發(fā)射通道結(jié)合的微壓縮技術(shù)）和「936 專利」（激光二極管點火系統(tǒng)）。

這些專利都幫助 Waymo 自研的激光雷達產(chǎn)品在性能、體積以及成本上實現(xiàn)了優(yōu)化。

2015 年 12 月時，谷歌還發(fā)布了招人啟事：招聘自動駕駛車輛激光技術(shù)領(lǐng)域的機械工程師。

當(dāng)時谷歌在招聘信息中寫道：工程師將會設(shè)計新型激光雷達系統(tǒng)，并負責(zé)打造光電子機械系統(tǒng)產(chǎn)品；工程師將與外部供應(yīng)商以及谷歌內(nèi)部團隊合作，負責(zé)系統(tǒng)設(shè)計到生產(chǎn)的整個過程。

按照這個發(fā)展脈絡(luò)，結(jié)合前文谷歌在 2015 年 5 月就已經(jīng)用上了自研的激光雷達，可以確定的是，其團隊已經(jīng)研發(fā)了多代激光雷達產(chǎn)品，而且類型也很多樣。

未來，Waymo 應(yīng)該還會推出性價比更高的激光雷達產(chǎn)品，到那一天，或許激光雷達的成本在自動駕駛車輛的總成本里不會占太大的比重。

Waymo 的激光雷達系統(tǒng)開發(fā)團隊目前由 Simon Verghese領(lǐng)銜，此人出身自麻省理工學(xué)院林肯實驗室，其前身是研制出雷達的「麻省理工輻射實驗室」。

在毫米波雷達方面，谷歌本身是有設(shè)計雷達天線和芯片的技術(shù)積累的。

谷歌此前推出了 Project Soli 項目，主要是采用微型雷達捕獲細微動作，為可穿戴設(shè)備帶來精準(zhǔn)的手勢控制功能。

為了設(shè)計這款雷達，谷歌和英飛凌展開合作，設(shè)計雷達傳感器芯片。

這些技術(shù)儲備為后來谷歌設(shè)計車載毫米波雷達提供了幫助。

Waymo 獨立開發(fā)了一個毫米波雷達新版本，也就是近年來行業(yè)內(nèi)主流的下一代雷達——成像雷達，從天線罩、天線、電路板、機械外殼、固件、軟件等等都是公司自主研發(fā)。

一般的雷達只能測距和測速，而 Waymo 自研的雷達能提供足夠清晰的分辨率，讓自動駕駛系統(tǒng)一眼就能分清前方到底是卡車還是轎車，是自行車還是行人。

現(xiàn)在，Waymo 的雷達研發(fā)負責(zé)人是 Matt Markel，在航空航天、衛(wèi)星領(lǐng)域有很豐富的經(jīng)驗。

在攝像頭設(shè)計和集成方面，Waymo 內(nèi)部并沒有透露太多信息，但是谷歌本身設(shè)計手機和筆記本，而且在計算機視覺、圖像識別領(lǐng)域有強大技術(shù)積累，自研攝像頭應(yīng)該不是什么難事。

如今管理 Waymo 攝像頭團隊的負責(zé)人是 Lucian Ion。進入 Waymo 前，他在 IMAX 負責(zé)攝像頭研發(fā)，后來又進入到蘋果特殊項目組，同樣從事的是攝像頭以及視覺系統(tǒng)的開發(fā)。

去年 1 月，外媒梳理了一份 Waymo 的組織架構(gòu)。

當(dāng)時的數(shù)據(jù)顯示，Waymo 有 950 名內(nèi)部員工，其中 260 人從事硬件研發(fā)，包括激光雷達、雷達、攝像頭、計算硬件等。一年過去了，這個數(shù)字應(yīng)該會有大幅增加。

目前，Waymo 硬件工程團隊的負責(zé)人是 Satish Jeyachandran，他之前在大陸和特斯拉任職，曾深度參與了 Autopilot 的硬件開發(fā)。

今年 3 月，這支擁有數(shù)百人的團隊已經(jīng)發(fā)布了 Waymo 的第五代自動駕駛傳感器套件。

未來，他們還將繼續(xù)潛心研發(fā)，致力于提高自動駕駛傳感器的性價比，從硬件層面最終實現(xiàn)自動駕駛車輛的平民化。

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