2016-03-22     摘自廣發(fā)機(jī)械

核心觀點(diǎn)：

1.傳感器是智能裝備重要感官，其研發(fā)過程往往分為兩個(gè)階段：從技術(shù)創(chuàng)新到成本降低。

      傳感器作為智能裝備的自主輸入裝置，相當(dāng)于人的各種感覺器官。智能裝備對(duì)于外界環(huán)境的感覺主要有視覺、位置覺、速度覺、力覺、觸覺等。智能傳感器是智能裝備獲取外界環(huán)境信息的窗口，其研發(fā)過程可以分為兩個(gè)階段：{dy}階段，探索需求，從未滿足的需求中誕生出新型傳感器；第二階段，為更貼合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，研發(fā)焦點(diǎn) 向控制成本轉(zhuǎn)變。以3D激光雷達(dá)為例，已經(jīng)開始進(jìn)入第二階段，未來成本有望下降。

2. 智能裝備應(yīng)用傳感器具有三種趨勢(shì)：同類傳感器結(jié)合、多種傳感器組合、引用場景創(chuàng)新。

      在傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備向智能化、信息化方向演進(jìn)的過程中，傳感器扮演發(fā)揮了感知外部信息的作用，其應(yīng)用過程呈現(xiàn)三大趨勢(shì)。

      一、同類傳感器疊加，單一功能上的縱向深度結(jié)合。這 種情況下傳感器之間在功能上有主導(dǎo)和輔助之分，先進(jìn)傳感器往往發(fā)揮著縱深作用，負(fù)責(zé)核心功能的實(shí)現(xiàn)。以無人駕駛汽車為例，3D激光雷達(dá)在感知系統(tǒng)中起主導(dǎo) 作用。由于無人駕駛的高安全性需求，其感知系統(tǒng)需要多種傳感器形成相互配合的冗余結(jié)構(gòu)，3D激光雷達(dá)在感知系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，是無人車測距“三重保障”中 的{dy}重。3D激光雷達(dá)的效果和成本牽動(dòng)著無人駕駛汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

      二、多種傳感器搭配，多種功能上的橫向廣度組合。每種硬件需要完成獨(dú)立的功能模塊，因此后臺(tái)系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)更加重要。以Pepper機(jī)器人為例，人工智能算法是其核心技術(shù)。Pepper機(jī)器人使用了多種傳感器，各種硬件在功能上并無主次，技術(shù)核心是識(shí)別表情、語言的人工智能算法。

      三、新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，硬件升級(jí)萌發(fā)新生命力。傳感器與傳統(tǒng)設(shè)備結(jié)合后發(fā)展出新的應(yīng)用場景，帶來硬件組合的升級(jí)。以掃地機(jī)器人為例， 2D激光雷達(dá)應(yīng)用于掃地機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了激光導(dǎo)航式的路徑規(guī)劃，此類產(chǎn)品效果與其傳統(tǒng)掃地機(jī)在使用上有著顯著的優(yōu)勢(shì)，帶來了應(yīng)用場景上的擴(kuò)展和工作效率上的升級(jí)。

一、傳感器

1、傳感器的分類與發(fā)展歷程

      傳感器指能夠感受規(guī)定的物理量并按一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是設(shè)備感受外界環(huán)境的重要硬件，決定了裝備與外界環(huán)境 交互的能力，是設(shè)備智能化的硬件基礎(chǔ)，尤其在很多智能設(shè)備中，傳感器決定著設(shè)備的核心能力。一個(gè)典型的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路組成。敏感元 件用于直接感受被測量，轉(zhuǎn)換元件用于轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)。

      傳感器用途廣泛、種類繁多。按照測量對(duì)象可以將傳感器分為檢測光、放射線、聲信號(hào)、磁信號(hào)、力、位置信息、溫度、濕度、溶液流量流速等類型的傳感器。每一種檢測同樣對(duì)象的傳感器又有多種應(yīng)用和不同的實(shí)現(xiàn)路徑。

      傳感器的發(fā)展大體可分三個(gè)階段：{dy}階段是20世紀(jì)50年代伊始，結(jié)構(gòu)型傳感器出現(xiàn)，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。第二階段是20世紀(jì)70年dk始，固體型傳感器逐漸發(fā)展起來，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如：利用材料的熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。第三階段是20世紀(jì)末開始，智能型傳感器出現(xiàn)并得到快速發(fā)展。智能型傳感器是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有人工智能的特性。

      目前，國內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點(diǎn)在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn)3個(gè)方面：敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展；性能向檢測量程寬、檢測精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長久方向發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)傳感技術(shù)又提出了新的要求，產(chǎn)品正逐漸向MEMS技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、紅外技術(shù)、新材料技術(shù)、納米技術(shù)、陶瓷技術(shù)、薄膜技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、復(fù)合傳感器技術(shù)、多學(xué)科交叉融合的方向發(fā)展。

2、傳感器在國內(nèi)外的市場情況

     目前，傳感器的四大應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)、汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品等。其中，在國內(nèi)，工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品用傳感器占比約42%左右，而發(fā)展最快的是汽車電子和通信電子應(yīng)用市場。此外，醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、油氣管道、智能電網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用將成為新熱點(diǎn)，有望在未來創(chuàng)造更多的市場需求。

      近年來，國內(nèi)傳感器市場持續(xù)快速增長，年均增長速度超過20%，2011年傳感器市場規(guī)模為480億元，2012年達(dá)到513億元，2013年則超過640億元。

      我國傳感器產(chǎn)業(yè)已由仿制、引進(jìn)逐步走向自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新發(fā)展階段，國內(nèi)傳感器及芯片廠商快速發(fā)展，基本掌握了中低端傳感器研發(fā)的技術(shù)，并向gd領(lǐng)域拓展， 產(chǎn)生了包括華工科技、大立科技、歌爾聲學(xué)、瑞聲聲學(xué)、廣陸數(shù)測、漢威電子、航天機(jī)電、美新半導(dǎo)體、中航電測、格科微電子、昆侖海岸、青鳥元芯、華潤半導(dǎo)體等一批傳感器ltqy，已開始在中g(shù)d傳感器上取得一定進(jìn)展。

      國際市場方面，目前全世界約40個(gè)國家從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)，研發(fā)機(jī)構(gòu)6000 余家。其中美、日、德等國家實(shí)力較強(qiáng)，產(chǎn)品門類繁多，各種產(chǎn)品累計(jì)2萬余種。全球zm的公司包括美國霍尼韋爾公司、?？怂共_公司、美國恩德福克公司，荷蘭飛利浦公司，德國英飛凌公司，英國Bell&Howell公司等。

      醫(yī)療機(jī)器人作為一種特殊的新興科技產(chǎn)品，醫(yī)療機(jī)器人超越了傳統(tǒng)意義上的醫(yī)療裝備范疇，該市場由產(chǎn)品效果和剛性需求共同推動(dòng)。市場對(duì)價(jià)格、營銷手段等因素敏感性較低，而對(duì)機(jī)器人的zl、恢復(fù)、使用效果敏感性極高，這些效果直接決定了產(chǎn)品的受歡迎程度。

二、智能裝備上的傳感器概覽

1、智能傳感器是智能裝備感知外界重要輸入

      智能裝備能夠感知外界環(huán)境，自主分析判斷并制定決策，并實(shí)現(xiàn)自主反饋或行動(dòng)。上述功能的實(shí)現(xiàn)總體上通過三個(gè)功能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：輸入系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)。

      一般而言，智能裝備的輸入系統(tǒng)有兩個(gè)來源：一個(gè)是人工輸入的設(shè)置參數(shù)，一個(gè)是通過自身的傳感器感知外界環(huán)境獲得的信息。人工輸入的參數(shù)反映著使用者基于自身 使用目的和預(yù)期，對(duì)于智能設(shè)備的設(shè)置；傳感器輸入的數(shù)據(jù)反映著智能設(shè)備通過感知外界環(huán)境獲得的有利于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的信息。因此，傳感器是智能設(shè)備除人工干預(yù)以 外的{wy}輸入，也是智能設(shè)備能夠自主獲得信息、自主判斷、自主行動(dòng)的基礎(chǔ)。

2、智能傳感器讓智能裝備擁有多種“感覺”

      傳感器作為智能裝備{wy}的自主式輸入，相當(dāng)于智能裝備、機(jī)器人的各種感覺器官，智能裝備對(duì)于外界環(huán)境的感覺主要有視覺、位置覺、速度覺、力覺、觸覺等。

      視覺是智能裝備最常用的輸入系統(tǒng)，并可以分為兩大類：一是直觀的視覺，數(shù)據(jù)類型是像素組成的圖片，典型的應(yīng)用如機(jī)器視覺、物體識(shí)別等，此類傳感器有高速相機(jī)、攝像機(jī)等；二是環(huán)境模型式的視覺，數(shù)據(jù)類型是點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間模型，典型的應(yīng)用是空間建模，此類傳感器有3D激光雷達(dá)、激光掃描儀等。

      位置覺是指通過感知周圍物體與自身的距離，從而判斷自身所處的環(huán)境位置，此類傳感器有激光測距儀、2D激光雷達(dá)、磁力計(jì)（判斷方向）、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等。

      速度覺是指智能裝備對(duì)于自身運(yùn)行的速度、加速度、角速度等信息的掌握，此類傳感器有速度編碼器、加速感應(yīng)器、陀螺儀等。

      力覺在智能裝備中用以感知外部接觸物體或內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)的力，典型的應(yīng)用如裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，用來實(shí)現(xiàn)力反饋；裝在機(jī)械手臂末端和機(jī)器人{(lán)zh1}一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，用來檢測物體施加的力等。

觸覺在智能裝備中可以進(jìn)一步分為接觸覺、壓覺、滑覺，此類傳感器有光學(xué)式觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、滑覺傳感器等，其中滑覺傳感器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓握功能的必備條件。

      除以上五種人體感覺以外，一些物理傳感器還具有超越人體的感覺，比如生物傳感器可以測量血壓、體溫等，環(huán)境傳感器可以測量溫濕度、空氣粉塵顆粒物含量、紫外線光照強(qiáng)度等。這些超越人體感官的傳感器如今被可穿戴設(shè)備搭配起來，可穿戴設(shè)備從而被賦予了擴(kuò)充人體感官的功能。

三、傳感器研發(fā)趨勢(shì)

      隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、激光技術(shù)、高科技材料等的技術(shù)進(jìn)步，傳感器的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，有的利用生物材料模擬人類皮膚，創(chuàng)新傳感器的觸覺；有的利用MEMS技術(shù)研發(fā)微型智能化傳感器，從而有利于復(fù)雜系統(tǒng)的集成；有的利用高精度的激光技術(shù)創(chuàng)造激光雷達(dá)，從而利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知周邊障礙物與環(huán)境等等。

      然而總體而言，傳感器的研發(fā)過程呈現(xiàn)兩階段的趨勢(shì)：一、技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)未能滿足的需求開發(fā)新產(chǎn)品。在{dy}階段中，傳感器研發(fā)創(chuàng)新的方向源于智能裝備、創(chuàng)新設(shè) 備的需求，研發(fā)人員根據(jù)使用需求，創(chuàng)新出新型傳感器。二、成本降低，應(yīng)用落地，產(chǎn)品逐步切合產(chǎn)業(yè)化需求。在第二階段中，在研發(fā)創(chuàng)新的過程中，為了滿足人們 對(duì)于智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的需求，研究人員從對(duì)技術(shù)開發(fā)的關(guān)注轉(zhuǎn)為對(duì)成本下降的關(guān)注，以實(shí)現(xiàn)傳感器大規(guī)模生產(chǎn)，智能裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的愿景。

      3D激光雷達(dá)就是這樣一種從功能創(chuàng)新中誕生，又開始進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)的傳感器。下面以激光雷達(dá)為例，梳理傳感器典型的發(fā)展趨勢(shì)。

1、研發(fā)趨勢(shì)一：技術(shù)向高階延展

      3D激光雷達(dá)的出現(xiàn)是為了滿足系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)空間感知的需求而出現(xiàn)的，無人駕駛汽車、無人機(jī)等自主移動(dòng)式機(jī)器人出于空間識(shí)別、自主避障、規(guī)劃路線的目的，需要一個(gè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)對(duì)于周邊環(huán)境進(jìn)行掃描，從而獲知周邊障礙物和道路的距離信息，由此3D激光雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。

      3D激光雷達(dá)的研發(fā)過程本質(zhì)上是激光測距技術(shù)的升維，和實(shí)現(xiàn)的需求逐步升級(jí)的過程，激光測距技術(shù)是3D激光雷達(dá)的基礎(chǔ)。最早激光測距儀的出現(xiàn)，解決了點(diǎn)到點(diǎn)一維距離測量的需求；然后2D激光雷達(dá)的出現(xiàn)，解決了在一個(gè)扇形平面內(nèi)感知接近物體的需求，測量的是平面內(nèi)的距離；如今3D激光雷達(dá)，通過高速變化激光投射角度，對(duì)周邊環(huán)境實(shí)時(shí)掃描獲取距離信息，解決了在三維空間內(nèi)的障礙物和環(huán)境識(shí)別需求，測量的是三維空間內(nèi)的距離。

      3D激光雷達(dá)應(yīng)用最熱門的領(lǐng)域莫過于無人駕駛汽車，以3D激光雷達(dá)為主導(dǎo)的無人駕駛感知系統(tǒng)是當(dāng)今無人駕駛領(lǐng)域采取的主流技術(shù)路線，但是3D激光雷達(dá)的成本一直是此技術(shù)路線的痛點(diǎn)。以生產(chǎn)3D激光雷達(dá)最為知名的Velodyne公司的產(chǎn)品為例，三款產(chǎn)品按性能{zg}到底的售價(jià)分別為8萬美元、2萬美元、8千美元。在無人駕駛汽車研發(fā)測試階段，包括谷歌、百度在內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)一直采用8萬美元的版本進(jìn)行測試，據(jù)了解，谷歌無人駕駛汽車的總成本約為30多萬美元，而該款64線型的3D激光雷達(dá)HDL-64占整車成本的25%。

2、研發(fā)趨勢(shì)二：成本隨應(yīng)用降低 

      經(jīng)過了研發(fā){dy}階段技術(shù)創(chuàng)新以后，成本過高是以3D激光雷達(dá)為主的無人駕駛感知系統(tǒng)的主要問題，傳感器生產(chǎn)公司對(duì)于激光雷達(dá)研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)從功能增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀究刂?，由此進(jìn)入了研發(fā)第二階段：降低成本以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

      在素有“電子消費(fèi)領(lǐng)域科技風(fēng)向標(biāo)”之稱的2016CES大會(huì)上，激光雷達(dá)科技企業(yè)Velodyne和Quanergy都展出了新型3D激光雷達(dá)。Velodyne的Puck Auto和Quanergy的S3與之前相比都是小型化的改良產(chǎn)品。

      Velodyne公司的Puck Auto采用32線激光，掃描范圍達(dá)200米，可以認(rèn)為是VLP-16的加強(qiáng)版，相比于VLP-16更加切合于無人駕駛汽車的使用需求，相比于另外兩款產(chǎn)品價(jià)格成本更低。該公司已與福特公司達(dá)成合作意向，未來福特公司的無人駕駛汽車Fusion將配置2臺(tái)Puck Auto，并且Velodyne公司負(fù)責(zé)人稱他們將進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本，目標(biāo)控制在1000美元以下。

      Quanergy公司的S3是與德爾福公司合作開發(fā)的固態(tài)激光雷達(dá)，采用8線激光，內(nèi)部無旋轉(zhuǎn)部件，可集成于整車內(nèi)。在此前的報(bào)道中，Quanergy公司的CTO表示每臺(tái)S3成本在200美元。價(jià)格極低的原因在于產(chǎn)品的配置，“8線”、“固態(tài)”這兩個(gè)特性決定了成本的有效控制?！肮虘B(tài)”意味著不能360度轉(zhuǎn)動(dòng)，只能探測前方，但探測范圍的不足，可以用數(shù)量來彌補(bǔ)，在車身四角布置四臺(tái)或六臺(tái)S3，是德爾福無人駕駛汽車所探索的方案。

      通過這兩個(gè)美國科技企業(yè)在2016CES上發(fā)布的新產(chǎn)品，我們可以得知激光雷達(dá)的技術(shù)特性正逐步切合無人駕駛領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求，去除測試階段的冗余硬件配置后，成本有望降低。

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