阜時科技：SPAD芯片在機器人LiDAR領域的應用

機器人已經融入到了我們生活的方方面面，現在酒店、餐飲、娛樂、工業、汽車自動駕駛等各個領域都有機器人在為我們服務。機器人越來越智能，應用場景也越來越多。

6月29日，由Aspencore與深圳市新一代信息通信產業集群聯合主辦的AIOT 2022國際生態發展大會-智慧機器人分論壇上，畢業于中山大學和荷蘭代爾夫特理工大學，曾是光刻巨頭ASML光刻過程控制算法的創始團隊成員，現任深圳阜時科技有限公司CTO王李冬子先生分享了SPAD芯片在機器人LiDAR領域的應用。

當前，很多雷達廠商需要將傳統的雷達進行一定程度的升級或者融合，有的廠家需要在汽車上再增加更多的激光雷達，有的是需要降成本，有的是需要縮小體積。針對這些需求，主要做光電接收芯片的阜時科技目前主推AGV和汽車市場的芯片。

機器人市場特點

“在推廣汽車和機器人的市場中，我有一些自己的心得體會，不一定完全代表市場需求，但從我們的角度來說，提供光電接收芯片給我們的一級或二級廠商客戶，所提供的的產品解決方案大部分是他們的需求痛點。” 阜時科技CTO王李冬子表示。

“比汽車要難的是這個領域的機器人并不需要人工接入，同時FOV都非常大。我們原本認為廠家需要小體積、固態雷達或者掃描方案，最終發現市場還是對大廣角的機械式雷達的需求最旺盛。我們在提供光電接收芯片時，主要也針對機械式的客戶進行適配。我們只做接收端，發射激光器部分，大部分國產廠家都在做。我們的芯片有多款不同規格，有車規、工規也有消費類級別，對應的高中低都有。但這個市場上大部分客戶對工規的需求比較明確。車規成本相對偏高，目前對這個市場不會有太多沖擊。我們大部分的工作在廣角機械式雷達上，給客戶提供低成本、高可靠性的芯片方案。”

在距離方面，阜時科的機器人客戶有主流的消費類，也有工業機器人和物流機器人，大部分要求都是在40米內必須完整掌握障礙物信息，最好能到100米。

最新的市場需求是在100米里能夠發現比較粗糙的東西，可以滿足要求。但在22米范圍內，所有的東西都要看得清清楚楚。

從這個角度來看，攝像頭和激光雷達的融合或許是一個解決方案，純激光雷達，可以在角分辨率上達到1度，在水平分辨率上可以做到0.2。0.2的意義主要還是在20米范圍內，一個人側著站時能看見它。

一個普通的成年人正著站能看得到。但當側過身時，很多雷達就發現不了這個人。

對于市場需求來說，一旦用到光電類型的芯片而不是更長波段的毫米波或者電磁波，需要在精度上、分辨率上做出不可妥協的結果。客戶對分辨率要求比較高，無論是高中低都要有。在導航方面，都需要一個全角度360度的導航，

目前車載雷達的絕大多數工作方式，最多的是安裝在頂部用于導航，對美觀要求沒有汽車明確，大部分廠家都傾向于用三顆避障，但實際芯片的需求需要四顆，一顆是全角雷達，三顆是三個近距離的接近避障。

阜時科技的接收芯片既能接收半固態的雷達、全固態的雷達，也能支持dToF檢測方式和iToF檢測方式，不會在技術路線上有偏向性，主要取決于市場的主流需求。

目前的激光雷達上游或者下游市場需求，大部分都集中在32線以下。原因是機器人雖然身高可能有1米左右，但它的運動速度比較慢，絕大部分在40公里甚至20公里/小時，所以雷達的精度比汽車要低，成本也低了很多。

32線和16線是目前市場上的主流，分辨率0.1最佳，能夠分辨出1.7米的成年人，也能分辨出一個側著站的成年人。

幀率要求方面，機器人要求相對比較低，汽車上所有的客戶都要求25幀甚至更高，但很多機器人5幀也可以接受，原因是其運動速度比較慢，尤其是近距離。

100米是目前市場上比較高配的要求，客戶希望在運動時檢測到大概10秒鐘后它能到達的位置是不是有干擾。阜時科技為客戶提供的技術解決方案中也支持這種100和200米（簡化）方案，包括從成本和體積上都可以做簡化。

傳統雷達架構

傳統雷達架構

傳統的激光雷達在機器人上使用時主要有兩大模塊比較重要，如上圖，一是SOC1，它是整體的接收+控制模塊，有4-5顆芯片，從電源到ADC、放大器、信號降噪處理。SOC2是目前市面上最常見的，一個FPGA搭配存儲，FPGA市場上暫時還沒有一個廠家能完整的推出一顆高集成度的處理器。

SPDA方案

針對上面的情況，王李冬子對傳統雷達的架構進行了這樣的分析和預測：“我們認為有兩個障礙，一是客戶的開發，他們可能需要比較容易使用的完備工具，FPGA在市場上能找到比較全面的資源。二是這個市場體量沒有大到一個芯片公司專門開發一個SOC2的程度。開發一個CPU，至少需要有300-400K/月的銷量才可行。如果機器人產品一個月只出貨5000-5萬臺，那它大部分還在用FPGA，它雖然性能很好，開發很易用，但實際上成本很難降下來。我們認為客戶對這個市場的需求就是用一顆通用SOC去覆蓋后面的運算和存儲。還有一顆是現在做的芯片。我們現在把數字處理等做到一起，未來我們愿意為客戶提供的SOC1就是一顆芯片。” 

目前的傳統雷達產品方案有PIN/SPD/SiPM，本質上這三種芯片都是比較好的基礎方案，但它們是模擬芯片，而模擬芯片后面需要用到信號鏈，信號鏈主要是以TI、ADI等大廠為主，帶來的代價是都是分立模塊，成本不好控制。

阜時科技的一個全數字的接收方案可以對這種情況進行處理，一顆芯片就代替掉左邊這一片東西（如上圖）。接下來客戶也可以嘗試IPCAM，唯一的難處是用IPCAM芯片開發起來門檻比用FPGA麻煩一些，這有賴于SoC廠商推出一個完整的方案。目前從這個場景看，芯片成本、復雜度包括可靠性會高很多。

用高靈敏度光電接收有兩個好處。

第一，以后的機器人會越來越多，汽車也一樣。如果有100臺汽車對著人（群）發射激光，現有的激光雷達安全指標一定要調整。現在一臺車可能不會傷到人，但未來如果有100臺車對著人發射激光時，就一定要調整。未來激光雷達接收端必須要不斷地降低功耗，發射端也要提高安全門檻，因為激光設備太多了。

第二，理論上，在100公里、1000公里外發一個信號也能接收，但僅僅這樣是沒有意義的。首先要考慮上面說的安全性，同時要考慮精度。假如1000公里發射一個信號，精度是500公里，也沒有意義。

因此接收必須有兩個前提條件：對人是安全、可靠的，精度是有保障的。

“阜時科技希望在市場上推出一個完整的接收芯片，這個芯片既滿足了光電的接收，也滿足了攝像頭的兼容，同時還能滿足基礎的底層信號處理。交給SOC2時，這個信號基本上是完整的，由客戶進行簡單的建模處理。民用化產品，比如掃地機，用一個MCU就可以獲取數據，如果是機器人，可能需要一個NPU進行3D建模，再進行攝像頭的融合。無論哪種模式，阜時科技都可以支持。”王李冬子表示。

上圖是阜時科技的一些產品，標紅的指標在目前比較有競爭力。

左邊很多掃地機器人廠家在用，是近距離的避障，右邊一款15m，另一款50m。

50米已經到車用邊界，很多做汽車的客戶用了盲區檢測雷達就在50米的范圍。

15米對于很多激光雷達的近距離應用來說是足夠導航用的。

有的車廠希望更遠，要求70米或者100米。因為盲區檢測時，尤其是穿黑衣服的人在盲區上打了折扣。

阜時科技的芯片是單個輸出，針對轉圈式的帶馬達的雷達完全沒有問題。這款芯片最大的抗陽光在100Klux，午后3點鐘戶外正常光照，既不對著太陽也不刻意回避太陽。比如戶外除草機在草地上工作或者一個機器人在正午送外賣，都會考慮這個指標，在這種環境下性能將下降到70-80%。

在正午的陽光下，阜時科技目前的算法和標準能做到70-80%的水平。50米下能保證40米左右的工作距離。

工作波段，目前推薦905nm，激光器在戶外用得比較多，940nm濾光片相對高一些，但技術上上阜時科技的產品都兼容各種技術路線。

總結

從2019年到現在的2022年，阜時科技做的一直都是光電接收芯片，所有技術人員沒有停下研發腳步，研發人員有近200人的規模，在深圳、北京、杭州、成都、武漢都有各自的研發中心和客戶支持團隊。

目前，阜時科技的研發重心和客戶支持的重心都在汽車和機器人相關的領域，其芯片會為目前國內主流的激光雷達廠家或者汽車主機廠提供他們需要的激光雷達接收端。

同時由于機器人市場對成本要求更苛刻，對技術需求、可靠性要求與汽車也不一樣，阜時科技沒有簡單的把汽車芯片照搬到機器人領域，因此單獨迭代了一個產品序列。

“今年8月底第一款車規級芯片即將發布，在這個市場里我們會加大投入。可能大家以往看到我們在手機市場里做得比較多，包括IoT市場。沒錯，我們以前在光電接收上布局了非常多系列產品，但這兩年我們的產品都跟汽車領域相關，我們希在這個行業的傳感領域做成一個優秀的工程化團隊。”阜時科技CTO王李冬子總結道。