走向全面自研：Waymo自动驾驶传感器10年演进史

Waymo 的自动驾驶技术做到全球领先，很大程度上得益于其在硬件自研上的持续投入。

与市面上大多数自动驾驶企业相比，Waymo 不但拥有自己的自动驾驶车辆生产线，而且在关键传感器（激光雷达、毫米波雷达、摄像头）方面也能自力更生、自给自足。

这样做的好处：一方面，车辆的软硬件系统集成度更高，整体性能得以提升；另一方面， Waymo 可以对车辆硬件成本进行把控，以削减自动驾驶车辆的整体成本。

今年 3 月，Waymo 宣布推出其第五代自动驾驶系统，在传感器层面进行了一轮大迭代，包括全新自研的激光雷达、毫米波雷达、摄像头等。

这一轮迭代帮助 Waymo 的系统感知性能实现了飞跃，能精确读取 500 米外的交通标识，同时整体成本较前代缩减 50%。

相比于这一次的更新，我们更好奇：在以往 10 多年的发展过程中，Waymo 自动驾驶车辆上的传感器配置是如何演进的？

我们选择以「Waymo 自动驾驶车型演变史」为坐标，来追溯其传感器配置的变化历史。

丰田普锐斯：第一代传感器主要靠采购

Waymo 在 2016 年 12 月之前一直以「谷歌无人车项目」的名号示人。

最早在 2009 年启动自动驾驶车辆的研发，当时选择的车型是丰田普锐斯（Prius）混动版。

谷歌第一代无人车

之所以基于这款车进行研发，其实很大程度上跟一个工程师有关，他就是日后在自动驾驶圈内大家耳熟能详的人物 Anthony Levandowski。

他所创办的自动驾驶公司 510 Systems 被谷歌收购后，其团队也成为了谷歌无人车项目的重要组成部分。

510 Systems 最早就是基于丰田普锐斯车型进行改装，其团队进入谷歌后，自然而然将这款车作为主力车型。

另外，这款车在美国加州是随处可见的街车，是丰田在美国市场卖得非常好的车型。

作为谷歌第一代自动驾驶原型车，谷歌无人车团队为其准备的传感器配置是：

车辆顶部设计了一个支架，其上搭载的是 Velodyne 的 64 线机械旋转式激光雷达，能够对车身 360 度方向进行扫描。

车顶的后部还安装有 GPS 天线，协助车辆进行自定位。4 颗毫米波雷达分别安装在车辆的前后保险杠以及车头的两侧，前雷达主要用于检测距离和速度。

因为这时候谷歌无人车刚刚开启研发不久，自研传感器还为时尚早，所以这些雷达产品是向大陆/博世采购的。

在车内的后视镜位置安装了一颗前视摄像头，主要用于识别车辆、行人以及骑行者，而且这颗摄像头还能将红绿灯信息传输给车载计算单元，辅助车辆决策。

车内为现任 Waymo CTO Dmitri Dolgov，摄于 2012 年

另外，谷歌团队还在普锐斯原型车的左后轮安装了车轮编码器（Wheel Encoder），用来跟踪车辆的运动轨迹并不断更新其在地图上的位置。

当时，这辆车的核心计算和处理单元都放在了后备箱，这其实和前几年自动驾驶创业热潮期很多公司搭出来的原型车的做法类似。

谷歌第一代无人车后备箱，罗列的部件信息清晰可见

2012 年 5 月，谷歌凭借丰田普锐斯自动驾驶原型车，拿到了全美第一张自动驾驶路测牌照，由美国内华达州交管局颁发。

当年，谷歌的自动驾驶车开到了拉斯维加斯的街头。

当时，整套系统配下来，其成本在 15 万美金左右，而车顶的那颗激光雷达就要价 75000 美金。

但是当时的谷歌没得选，因为激光雷达传感器太关键，而且当时能供应这类性能产品的企业只有 Velodyne。

所以谷歌后来选择自研激光雷达传感器，有两方面原因：

一是因为 Velodyne 要价太高，致使打造自动驾驶车辆的成本居高不下；

二是因为其激光雷达产品的可选类型很少，而且当时 Veldoyne 都是手工打造，产能非常低，严重拖慢了谷歌的自动驾驶车辆部署进度。

为了不受制于人，谷歌下定决心要自己研发这一自动驾驶车辆的关键传感器。

这里有一个背景：谷歌无人车项目团队很多都有 DARPA 无人车挑战赛的经历，当时参赛车辆大部分使用的是 Velodyne 的「大花盆」式激光雷达。

所以谷歌的自动驾驶车辆一开始自然而然也采用了 Velodyne 的产品。

有意思的是，Anthony Levandowski 职业生涯早期在 Veldoyne 从事过销售工作，在谷歌无人车项目组做的也是与激光雷达感知相关的技术工作，可谓渊源不浅。

也是这一层渊源，为后来谷歌自研激光雷达传感器打下了一定的技术基础。

雷克萨斯 RX450h：开始采用自研传感器

2012 年时，谷歌扩大了自动驾驶原型车的数量，超过 10 台自动驾驶原型车跑在旧金山的街道上。

其中，有 6 辆以上的丰田普锐斯车型，还有 1 辆奥迪 TT 改装的自动驾驶车辆，另有 3 辆是新引入的雷克萨斯 RX450h SUV 车型（苹果现役自动驾驶原型车就是这款车型）。

这款原型车最早于 2012 年 4 月份在旧金山开跑。

2012 年 4 月在硅谷测试的谷歌无人车，基于雷克萨斯 RX450h 打造

这款车型的传感器版本经历过几次迭代，外观也有变化。

其早期版本和丰田普锐斯很像，车顶都是 Velodyne 的激光雷达，异常醒目。

大概在 2015 年 5 月的时候，这款车型的自动驾驶传感器配置开始发生变化，最大的变化发生在车顶。

因为这一时期，谷歌已经自主研发出了可以替代 Veldoyne 激光雷达的产品。

2015 年 5 月摄于硅谷，谷歌雷克萨斯原型车车型传感器配置

摄于 2015 年 8 月，德州奥斯汀

改款后的车辆顶部变得复杂了，因为上面不光有谷歌自研的激光雷达，还有一圈摄像头产品，大概率也是谷歌自研的产品。

激光雷达和摄像头在这辆车的车顶上实现了一种巧妙的融合，两种传感器叠加在一起，并且设计了保护罩，美观度上更高，感知性能也得以提升。

这一时期，这款车的车头、车尾以及两侧后视镜处还加装了谷歌自研的另外一类激光雷达产品，根据 Waymo 后来公布的设计方案，这种激光雷达主要用于盲区检测。

另外，这辆车的毫米波雷达的安装位置也有变化，安装位置更高，被放在了车辆尾灯以及后视镜的位置。

这些毫米波雷达很大可能也是谷歌自研的产品。

如果将这款车的传感器配置与如今 Waymo 全新一代的传感器配置进行对比，我们可以看到里面有一种延续性。

虽然没有官方证实，我们可以大胆判断：这款车上的配置，就是谷歌进行传感器全面自研后拿出的第一代方案。

除了自研的激光雷达，谷歌还对摄像头、毫米波雷达进行了改造。

再往后走，这款基于雷克萨斯 RX450h 的自动驾驶原型车的外观又发生了变化。

图源自 GoogleX 实验室官网，车顶传感器集成度更高

其整体的集成度更高，传感器的配置也更加复杂，这样做的目的应该是为了实现感知冗余。

因为很多传感器包裹得比较严密，所以从外观上很难判断各个位置具体安装的是哪一种感知设备。

从这一点也可以看出，谷歌那时候已经开始对车辆的知识产权进行更周全的保护。

这款雷克萨斯原型车后来逐渐淡出了大家的视野，取而代之的是谷歌内部自研的无方向盘和制动踏板的「萤火虫」（Firefly）车型。

「萤火虫」车型：全面采用自研传感器

图源自 GoogleX 实验室官网，第一代「萤火虫」外观设计

2014 年 5 月，谷歌无人车团队正式发布了一款去掉了方向盘和制动踏板的「萤火虫」车型。

这款车型在当时被团队寄予厚望，因为它是谷歌想自己造车的特殊产物。

当时，谷歌还邀请了一批用户来体验这款车，这一次试乘并未驶入公开道路，而是在加州山景城的一个封闭的停车场里。

谷歌的老朋友 Steve Mahan——一位失明的老人，很早之前就乘坐过谷歌的丰田普锐斯车型。

这一次又体验了一把「萤火虫」车型。

截图自谷歌发布的官方视频，上图摄于 2012 年；下图摄于 2014 年。

「萤火虫」刚推出时，一个最大的特点就是其车顶依然使用的是从 Velodyne 定制的激光雷达。

但是这颗激光雷达不久后就被谷歌自研的激光雷达取代了。

和前代车型雷克萨斯 RX450h 一样，「萤火虫」车型也经历了传感器配置的变化，也是发生在 2015 年，主要是替换了顶部的激光雷达。

Steve Mahan 乘坐「萤火虫」车型，德州奥斯汀 

这个版本的「萤火虫」车型在工业设计上追求极简风格，而且整体的集成度更高。

在传感器配置方面，车顶安装有谷歌自研的激光雷达和多摄像头的组合，能够实现 360 度环境感知，感知距离超过 200 米。

车辆前后各有一颗小型的激光雷达，与此前安装在雷克萨斯 RX450h 上的前后激光雷达应该是一个类别。

前视摄像头则安装在车辆的风挡处，用于识别行人、骑行者、道路标识牌以及路口的红绿灯等。

车辆的 4 颗毫米波雷达安装在前后保险杠位置；车尾部还安装有 GPS 定位装置，配合惯性导航系统协助车辆自我定位。

「萤火虫」上还加装了超声波传感器，主要是用于倒车辅助。

另外，这款车内部还有高度计、陀螺仪和测速仪，它们通过测量各种参数来确定汽车精确的位置，为车辆的安全运行提供保障。

这款车代表的是谷歌在自动驾驶领域超前的理念。

2015 年，时任谷歌无人车 CTO 的 Chris Urmson 曾在一次演讲中透露要找供应商一起来生产这款车，包括和博世、大陆、采埃孚进行合作，但后来并未成行。

时任谷歌无人车项目 CTO Chris Urmson 的演讲 PPT

无法量产的原因很多，一个是法律法规问题，另一个则是谷歌内部在无人驾驶商业化方面存在着分歧。

后来我们看到谷歌无人车团队很多人出走，领导层经历了大换血。

2016 年 5 月，谷歌找到了 FCA，准备联手打造可量产的自动驾驶车辆。

而后，「萤火虫」车型逐渐失宠并最终在 2017 年 8 月正式宣告退役。

从雷克萨斯 RX450h 和「萤火虫」的传感器变化来看，可以确定的是，谷歌在 2015 年 5 月之前就已经自研出了激光雷达产品，而且不止一款。

在这个时间点上，全球的自动驾驶、激光雷达创业热潮还没有到来，可见谷歌在技术上的前瞻性。

FCA 大捷龙：自研传感器的量产化

「萤火虫」的战略地位发生变化之后，谷歌的主力自动驾驶车型变成了 FCA 的大捷龙车型。

2016 年 12 月，Waymo 正式分拆成为 Alphabet 的子公司，在 John Krafcik 的带领下，谷歌无人车开启了新的征程。

2017 年初，John Krafcik 正式对外解读了大捷龙车型上的自动驾驶传感器配置，同时对外宣称通过自研可将激光雷达的价格降至 7500 美元——Velodyne 64 线产品的十分之一。

Waymo 自动驾驶车辆的传感器包括激光雷达系统、视觉系统、雷达系统和补充传感系统。

在激光雷达系统方面，这款车配备了覆盖短、中、长距离共计 6 个激光雷达——安装于车辆正前正后及两侧的近程激光雷达、360 度环视激光雷达及远程前向激光雷达。

短距离的激光雷达主要用于盲区监测，也就是后来 Waymo 决定公开售卖的 Laser Bear Honeycomb 激光雷达。

与 Velodyne 推出的 VelaDome 产品类似，专注于近距离检测。

车顶整流罩中则包含了两颗激光雷达：一颗用于环视，一颗用于前向。

有业内人士猜测，这颗前向激光雷达是固态产品，搭载的是 1550nm 激光器，点云分辨率更高。

在视觉系统方面，车辆顶部的整流罩里集成了一圈立体摄像头，还有 8 个热成像相机。

车辆的前挡风玻璃处也有一组前视摄像头，但目前并不清楚是单目还是双目。

车上有 6 个毫米波雷达，4 个安装在车顶位置，与车身成 45 度夹角；左右两侧的 2 个毫米波雷达，与车身平行。

两侧的毫米波雷达可以探测十字路口侧向来车的情况，也可以探测侧向车道的车辆和行人，以便于变道决策。

有分析认为，Waymo 自研的毫米波雷达采用的是 77GHz 的频段，因为探测距离要求足够远。

Waymo 的硬件工程师曾在一次访谈中也提到，他们正在研发合成孔径雷达技术。

大捷龙车型的车顶前方还开了一组小孔，这是麦克风阵列，也就是 Waymo 所谓的补充传感系统。

这组麦克风可以听到很远处的救护车、警车等这类需要应急避让的车辆。从这组传感器的设置来看，Waymo 的团队足够注重细节。

除这些之外，车上应该还有 GPS 定位、IMU 惯导这类传感器，帮助车辆更加安全、稳定地运行。

Waymo 的大捷龙车型目前已经在全美多地进行无人驾驶出行服务，而且整体性能比较稳定。

通过几年的运行，这套传感器配置也充分证明了自己的感知能力。

但 Waymo 并不想就此止步，在大捷龙之后，Waymo 再一次更新传感器配置，并且将这套配置做成了可移植的模式——可在大捷龙、捷豹 I-Pace 以及货运车辆这些不同车型平台之间移植。

捷豹 I-Pace：自研传感器性能的全面提升

Waymo 采用第五代传感器配置的代表车型则是捷豹 I-Pace，这款纯电动的豪华车型即将开启无人驾驶出行服务。

可以看到，这款车与前一代车相比，车顶的整流罩结构发生了明显变化。

在传感器配置层面，I-Pace 车顶只用了一台全新的高性能激光雷达，完全能探测中远程距离的目标物。

移除一台激光雷达则意味着成本的下降。

车辆前、后以及两侧的激光雷达也进行了重新设计，而且新加了一组摄像头与其进行配合。

这款新的侧边盲区检测激光雷达与其前一代 Laser Bear Honeycomb 相比，采取了斜面设计，这种设计有利于甩掉泥水。

而且盲区激光雷达主要检测下方和侧面，所以斜面设计效果更好。

车顶依然有提供 360 度视野的立体摄像头组合，与激光雷达整合在同一个整流罩下。

I-Pace 全车共搭载了 29 颗摄像头，能最大程度降低光照条件和极端天气的影响，轮拱处新增的摄像头更是能紧盯那些靠近车辆的异物。

这些摄像头的增加，也体现了 Waymo 对于视觉感知的重视。

在毫米波雷达层面，Waymo 自研了天线罩、天线、电路板、机械外壳、固件、软件等。车上 6 颗毫米波雷达的位置也有了微调，车辆尾部的 2 颗毫米波雷达被移到了尾灯下方。

以上这些改变，构成了 Waymo 第五代自动驾驶系统传感器硬件的更新。

经过这些年的发展，Waymo 自动驾驶原型车的外观已经发生了巨大的变化，历经 5 代车型的变迁，传感器的性能也不断在提升，整个自动驾驶系统的运行能力有了长足的进步。

在这些变化的背后，是 Waymo 团队数十年如一日的潜心研发。

Waymo 自研全套传感器的实力

从激光雷达、毫米波雷达、摄像头这三大主要传感器的研发来看，Waymo 之所以能取得今天的成就，既离不开谷歌的技术支援，也离不开十年磨一剑的投入。

在激光雷达层面，Waymo 最早用的是 Velodyne 的产品，在使用过程中，Waymo 的团队也逐渐掌握了激光雷达的相关技术。

后来，Waymo 还与 Velodyne 展开了联合研发，这帮助 Waymo 得到了部分激光雷达专利的授权。

这些技术的积累，帮助 Waymo 在后来另立门户，结束了向 Velodyne 采购昂贵激光雷达日子。

2017 年 2 月状告 Uber 时，Waymo 在其起诉文件中表示自身在激光雷达领域的研发经验接近 7 年，以这个时间来算，Waymo 在 2011 年左右就开始了激光雷达产品的研发。

Waymo 2017 年起诉 Uber 时的官方文件

2014 年，Waymo 拿到了激光雷达系统技术的「922 专利」（具有共享发射/接收路径的旋转激光雷达平台的设备和方法），是一种将激光发射器和接收器集成在一起的专利技术，这种技术能大大提高产品性能，同时降低整体成本。

2015 年和 2016 年，Waymo 又相继拿到了激光雷达系统技术的「273 专利」（激光束与发射通道结合的微压缩技术）和「936 专利」（激光二极管点火系统）。

这些专利都帮助 Waymo 自研的激光雷达产品在性能、体积以及成本上实现了优化。

2015 年 12 月时，谷歌还发布了招人启事：招聘自动驾驶车辆激光技术领域的机械工程师。

当时谷歌在招聘信息中写道：工程师将会设计新型激光雷达系统，并负责打造光电子机械系统产品；工程师将与外部供应商以及谷歌内部团队合作，负责系统设计到生产的整个过程。

按照这个发展脉络，结合前文谷歌在 2015 年 5 月就已经用上了自研的激光雷达，可以确定的是，其团队已经研发了多代激光雷达产品，而且类型也很多样。

未来，Waymo 应该还会推出性价比更高的激光雷达产品，到那一天，或许激光雷达的成本在自动驾驶车辆的总成本里不会占太大的比重。

Waymo 的激光雷达系统开发团队目前由 Simon Verghese 领衔，此人出身自麻省理工学院林肯实验室，其前身是研制出雷达的「麻省理工辐射实验室」。

在毫米波雷达方面，谷歌本身是有设计雷达天线和芯片的技术积累的。

谷歌此前推出了 Project Soli 项目，主要是采用微型雷达捕获细微动作，为可穿戴设备带来精准的手势控制功能。

为了设计这款雷达，谷歌和英飞凌展开合作，设计雷达传感器芯片。

这些技术储备为后来谷歌设计车载毫米波雷达提供了帮助。

Waymo 独立开发了一个毫米波雷达新版本，也就是近年来行业内主流的下一代雷达——成像雷达，从天线罩、天线、电路板、机械外壳、固件、软件等等都是公司自主研发。

一般的雷达只能测距和测速，而 Waymo 自研的雷达能提供足够清晰的分辨率，让自动驾驶系统一眼就能分清前方到底是卡车还是轿车，是自行车还是行人。

现在，Waymo 的雷达研发负责人是 Matt Markel，在航空航天、卫星领域有很丰富的经验。

在摄像头设计和集成方面，Waymo 内部并没有透露太多信息，但是谷歌本身设计手机和笔记本，而且在计算机视觉、图像识别领域有强大技术积累，自研摄像头应该不是什么难事。

如今管理 Waymo 摄像头团队的负责人是 Lucian Ion。进入 Waymo 前，他在 IMAX 负责摄像头研发，后来又进入到苹果特殊项目组，同样从事的是摄像头以及视觉系统的开发。

去年 1 月，外媒梳理了一份 Waymo 的组织架构。

当时的数据显示，Waymo 有 950 名内部员工，其中 260 人从事硬件研发，包括激光雷达、雷达、摄像头、计算硬件等。一年过去了，这个数字应该会有大幅增加。

目前，Waymo 硬件工程团队的负责人是 Satish Jeyachandran，他之前在大陆和特斯拉任职，曾深度参与了 Autopilot 的硬件开发。

今年 3 月，这支拥有数百人的团队已经发布了 Waymo 的第五代自动驾驶传感器套件。

未来，他们还将继续潜心研发，致力于提高自动驾驶传感器的性价比，从硬件层面最终实现自动驾驶车辆的平民化。