聚焦激光雷达(一)——扫描器

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度素告 发表于 2023-3-17 12:08:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
之前撰写过相机硬件的系列文章,从滤镜、镜头、快门、 CMOS 到 ISP 芯片,几年前写过一篇激光雷达入门介绍  Yvon Shong:走进自动驾驶传感器(一)——激光雷达,当时只是初步提及了激光雷达的一些基本性质。
而这几年激光雷达作为逐渐成熟的自动驾驶/高阶辅助驾驶传感器,价格逐步下降,产品也层出不穷,笔者于去年入职了中国激光雷达第一股,禾赛科技(内推禾赛科技自动驾驶、光电芯片等岗位),伴随着制造商和供应链逐渐成熟的进程,激光雷达有了更繁复的分类和功能,所以也想对激光雷达进行一次系统性的大拆解,撰写激光雷达系列文章。
本系列文章将从扫描器,发射器,探测器到处理模块,从硬件到软件算法等模块,来介绍激光雷达。欢迎关注本专栏,您的帮助从点赞本文章开始 ヽ(゚▽゚)ノ。

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之前的文章 , 在之前的文章中,我们粗略的提及了激光雷达扫描结构的不同,激光雷达的扫描结构主要分为: 机械式、混合固态(MEMS振镜式、转镜式、棱镜式)、纯固态(FLASH、OPA)。本章节将详细介绍激光雷达细分的扫描结构和原理,以及一些新型的技术。
<hr/>机械式

机械式激光雷达是指其发射系统和接收系统一起随着转轴进行肉眼可见的转动,也就是将多个激光点在垂直方向上排布形成扫描竖线,由电机控制旋转,形成扫描面,长时间内保持转速稳定,便可以进行稳定周期的 360 度扫描。因为带有机械旋转机构,所以机械激光雷达外表上最大的特点就是个头较大自己会转。

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如今机械激光雷达技术相对成熟,但价格高昂,性能的提升依靠增加收发模块来实现高线束,导致了整套系统元器件成本非常高,体积大,量产可能性低,光路调试装配复杂,生产周期漫长,机械旋转部件在行车环境下的可靠性不高,平均失效时间 1000h-3000h,远低于车规要求的 13000h。
<hr/>半固态

MEMS

Micro Electro Mechanical System 激光雷达其本质是一种硅基半导体元器件,在硅基芯片上集成了微振镜,通过电流控制小尺寸的悬臂梁结构,使微振镜悬浮在前后左右各一对扭杆之间,通过使微振镜结构产生平动或扭转,偏转激光光束而实现平面的扫描。

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该模块将光束扫描所需的微型反射镜、MEMS 驱动器、MEMS 传感器进行集成于微小的 MEMS 振镜模块,优势显而易见,运动部件少可靠性提升、体积小、扫描频率快、无机械组件、可量产,摆脱了笨重的旋转电机和扫描镜等机械运动装置,减少激光发射单元的数量,毫米级尺寸的微振镜大大减小了激光雷达的尺寸。同时 MEMS 模块可采用半导体工艺规模化生产进而降低成本。并且减少了机械结构部件,在光学素质、功耗等方面都有优势。

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在悬臂梁上的微振镜

而 MEMS 式结构的问题也比较明显,硅基 MEMS 悬臂梁振镜结构非常脆弱,在耐久性、抗冲击上存在不足,容易失效。受限于 MEMS 微振镜的镜面尺寸, 接收端的收光孔径远小于机械激光雷达,而光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比,导致功率进一步下降,信噪比降低,有效探测距离缩短。同时由于几何尺寸限制了其震荡幅度, 振镜转角有限,限制了激光雷达的视场角,需要激光雷达厂商采用光源扩束、多个激光器拼接,甚至采用多个 MEMS 振镜等特殊的结构来扩大 FOV,这对点云拼接算法和点云稳定度,对产品的结构和光路设计、安装调试的要求都比较高。

  • 驱动方式
目前市场上主流的 MEMS 振镜驱动方式可分为电磁驱动、静电驱动。
电磁驱动具有较大的驱动力和驱动位移,由于需要制作外围线圈,通常尺寸较大,便于提高激光雷达性能,但在严苛环境下可靠性风险也会增加,同时对温度比较敏感。
静电驱动则利用带电导体之间的静电作用实现驱动,功耗低、速度快、兼容性好,但摆角较小。
其他方式电热驱动响应较慢,压电驱动对温度敏感,均不适合用于激光雷达。

  • 扫描维度
MEMS 振镜从扫描维度上也区分为一维和二维扫描。一维转镜产品的扫描角度通常可以达到 60°,镜面直径可以达到 3mm,而二维转镜产品的扫描角度仅为快轴 30°,慢轴 24°,且镜面直径为 1mm,考虑到线光斑自身的形态, 要满足一维扫描要求,MEMS 振镜的尺寸通常也需要做到更大。
驱动方式和扫描维度的技术路线上,没有绝对的优劣,激光雷达厂商通常会根据零部件的特性设计自己的光源数量和光路结构实现扬长避短。对激光雷达厂商来说,振镜的尺寸、摆角、以及扫描频率、稳定性以及成本都是需要考量的重要指标。

  • 收发光路
同轴方案具有相同的输入输出光路,收发模块集成于一处,发出的激光触达被测物体后返回并再次通过 MEMS 振镜被探测器接收,优点在于只接收沿着原光路返回的光信号,因而有较好的日光抑制性,信噪比高;同时接收器采用单颗 APD 即可,成本可控;如果采用多个激光收发模组拼接,不同模组之间相对独立,可以同时进行扫描互不干扰。但同轴方案中由于微振镜口径大小直接决定接收器能收到多少反射回来的激光能量进而影响探测效果,所以通常尽可能的将微振镜尺寸做大,而大尺寸的 MEMS 振镜在稳定性、抗冲击性、震动频率以及成本上表现不佳,除此之外,同轴方案需要精密光学对准,工艺、成本和生产效率也面临挑战。
非同轴方案即收发模块分开部署,返回的激光不经过 MEMS 振镜直接进入到探测器中,可采用小尺寸 MEMS 振镜,同时光学对准调试的要求相对较低。但该方案会面临外部环境的光干扰,通常需要阵列化的 APD 或者 SPAD 来实现好的探测效果,定制化的接收芯片对技术要求高,同时也可能会产生较高的成本。

双 MEMS 振镜

AEye 公司采用双 MEMS 振镜扫描,发射与接收光路分离设计。

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AEye激光雷达专利中的双MEMS振镜扫描


双MEMS的根本原理是采用点光源,用两个振镜分解水平方向和垂直方向上的扫描。


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Luminar专利中用两个电机带动的多边形扫描器(多边形镜16和平面镜14)

而一排激光器组成线光源可通过一维扫描实现面扫描,搭配一块转镜即可,转动模块进一步精简,便是接下来要介绍的转镜式。
转镜式

转镜方案是最早实现前装量产上车的技术方案,在性能和稳定性上具备优势。相比机械式的整体旋转,转镜方式使收发模组固定,电机带动反射镜或棱镜转动,从而将激光反射至空间的一定范围,进而实现光束的扫描。

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转镜方案的优势在于结构更紧凑,稳定性高,功耗低,安装难度相比机械式显著减小。早在 2017年 Ibeo 和法雷奥发布首个车规级激光雷达,即基于转镜架构的 4 线激光雷达 Scala。而禾赛的 AT128 已成为国内前装量产的畅销产品。
激光发射和接收装置固定,仍有旋转模块但比较小,可以减少产品体积,并且降低成本;旋转模块只有反射镜,重量轻,电机轴承的负荷小,系统运行起来更稳定,寿命更长,符合车规。

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AT128 内部构造

然而转镜式激光雷达在运行中要求光学转镜实现连续高速旋转,对于电机的高温耐久稳定性、可靠性、寿命、磨损,光学系统控制机制和转轴精度,高转速对轴承及油脂的选择,需要大量的耐久试验及超高的工艺水准,转镜的配重等均提出了较高的要求。同时由于仍然存在较大的机械转动部件,扫描频率上限偏低,对恶劣环境的承受能力以及耐久性有限,扫描件也无法通过半导体工艺大批量出货实现降本。

双楔形棱镜

采用空间激光通信领域的旋转双楔形棱镜方案(或称旋转双光楔)方案,激光雷达的收发模块固定,通过电机带动双棱镜进行高速旋转,激光在通过第一个楔形棱镜后发生第一次偏转,通过第二个楔形棱镜后发生第二次偏转,只要控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光的扫描形态,产生不同角度的折射光线,从而实现FOV范围内,更高线束的覆盖。
大疆是国内唯一一家选择双楔形棱镜方案的公司,旗下 Mid 系列、Horizon 系列和 Tele 系列均采用这种方案。

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大疆双楔形棱镜方案结构图

该方案优点是,一,只要两个楔形棱镜的相对速度控制得当,那么在同一位置通过长时间扫描就可以几乎覆盖整个区域,分辨率也就几乎没有上限,适合像测绘这种对扫描精度要求高、时效要求低的应用场景。而大疆 Livox 最初的激光雷达产品就是主要面向测绘、工业、安防等市场。二,激光收发器数量减少,相对于机械式成本相应大幅降低。三,收发模块固定,电机只需带动双棱镜旋转即可,避免了类似传统机械旋转式激光雷达的多次装调问题,量产能力也相应得到提高。

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扫描时间越长点云密度越高

此外,双楔形棱镜方案扫描出来的点云图呈现花瓣型,属于非线性扫描,点云数据离散度高,属于非结构性数据。对于自动驾驶公司以及车企来说,这种非线性扫描方式有两大缺点:一是点云图示中心的位置密度大,而在周边较稀疏,直接导致信息的收集以及成像会在边缘的积淀,很难通过算法去补偿。二是每次扫描后成像范围不一样,会导致雷达在高速移动中成像不连续,影响可靠性。
对于使用神经网络等 AI 技术的自动驾驶公司来说,使用这种雷达需要使用新算法。如果某自动驾驶公司此前使用机械激光雷达已经积累了几万公里的数据,并以此训练了神经网络,在新雷达上并不能使用,需要重新积累感知数据,研发感知算法。并且处理这种非线性扫描也需要更大的算力。
从应用来说,双棱镜的方案更适合静态场景,比如扫描静态物体,V2X,测绘,低速机器人等,在车载领域存在软硬件层面的难点。

MMT

Micro Motion Technology 由赛瞳科技 Cepton提出并使用,是在收发光学系统后端通过磁场变化精确控制金属摆臂的位移,通过改变电磁场实现微振动,从而控制收发系统的扫描方向,即采用类似扬声器的音圈技术,专有的光学阵列会连接到音圈,当音圈通电时会产生微动,在不降低功率密度的前提下实现大视场扫描,无物理摩擦,保障了扫描组件的长期可靠性。

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MMT 专利图

光源与探测器都是从镜头直出直入,无需任何扫描镜,不像微振镜或者旋转镜会反射光,从而产生衰减和偏振现象,可靠性有保证。收发共轭的设计极大程度上简化了空间光路,能够在保证测距性能的前提下,实现小型化低成本和高可靠性的解决方案。这种设计具有最简单的光路,可产生最高的效率和最少的组件数量。MMT 兼具横向和纵向分辨率,垂直方向分辨率可以达到市面上激光雷达的 4 到 5 倍。

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这种独特的成像方法有以下优点:借鉴了相对成熟的喇叭技术,它不像电机和轴承,不产摩擦、没有部件损耗;光源与探测器都是从镜头直出直入的,没有镜子,避免产生衰减和偏振,可靠度高、可实现大视场角扫描、功率低、体积小;收发光路对称以及没有空间光路转折的设计,保障耦合效率的同时,进一步降低光学组件成本,不存在摆进漏光反射等常见光学问题。
<hr/>固态

Flash

Flash 路线类似于照相机,在特定时间发射出覆盖整片探测区域的激光,通过面阵化的接收器计算每个发射器的光对应的距离信息,完成对周围的探测。该技术路线消除了所有运动部件,容易通过车规,且可以采用芯片级工艺,成本相对较低,此外扫描速度快。

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禾赛 FLASH 激光雷达产品  FT120

缺点在于面光源能量分散,视场角和探测距离此消彼长,难以实现远距离探测。由于 Flash 激光雷达激光单点面积比扫描型激光单点大,难以控制发热,因此不得不降低其功率密度,进而影响到 Flash 激光雷达的探测精度和探测距离;抗干扰能力不佳,环境适应性相对差。所以难以满足远距离探测的要求,通常在补盲场景下使用。
另外一类 Flash 路线厂商采用逐点/逐行扫描 VCSEL+SPAD 阵列实现 Flash 方式探测,并通过控制光束形状或激光发射阵列的开关方式等改进,来提升 VCSEL 的发射功率,同时配以其他技术提升探测距离。
如以色列激光雷达公司 Opsys Tech 推出 Micro-Flash 技术,采用可寻址的 VCSEL 阵列,让 VCSEL 以极高的频率逐个发光,每个发光点发射的激光经过一系列透镜后返回照亮特定的 SPAD 阵列像素,通过 TOF 方式感知距离,进而实现类似扫描的探测效果。技术方案发展方向,集中在提高 VCSEL 激光器功率,通过 SPAD, SiPM 提升光子探测能力,提升探测距离。

OPA

Optical Phased Array,实现光学相控阵的方法有很多,目前以硅基光子集成技术为主,还有采用液晶、锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)、铌酸锂、纳米天线等的空间光调制(Spatial Light Modulator,SLM)。

  • 硅光波导
该方案通常将激光直接输入至光波导芯片,经过分光器构成的功分网络将光束分散到各个移相器中,利用介质材料的热光效应或载流子色散的电光效应对经过每个移相器的光进行调制,再传导至波导光栅形成的天线阵列对外发射。利用光的干涉在空间远场相干叠加合成具有特定光特定方向的较强能量主光束,然后再通过调制阵列相位差即可控制激光光束的方向实现扫描,相比传统机械是没有任何机械结构,雷达扫描速度快,精度高,可控性好。

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基于热光效应的相位调制器原理较为简单,在波导过程中对每根光波导进行加热,从而通过硅的热光效应产生相位差。此方法原理虽然简单,且响应时间基本达到微秒级,但是存在功耗的问题,目前看每个波导需要 10mW 左右的功耗,考虑到 1000 个天线以上的阵列设计,整个 OPA 需要 10W 左右的功耗,继而产生发热问题,同时硅材料在 -20~40 度的区间范围内会存在体积的膨胀,温度补偿也会存在一定困难。
基于电光效应即通过载流子浓度的变化改变材料折射率,调制输出光波的相位和幅值从而实现电光调制。但电光效应也会使光打在光栅上会出现偏离,耦合的损耗较大,光进入波导时会损失 50% 的能量效率,出光时又会损失 20% 左右,整体光使用率比较低。

光学相控阵扫描方式通常被认为是激光雷达终极目标。该种方案优势显著:(1)纯固态,体积小,易过车规,去掉了所有的机械扫描部件甚至光学元器件,标定简单,安装校准成本几乎可以忽略不计;集成度高,信噪比高;对温度和振动的适应性更强,成本更低。(2)扫描频率高,一般可达到 MHz 甚至 GHz 的扫描频率,扫描精度高,可以达到千分之一度量级以上;探测灵活,目前对感兴趣的目标区域可以进行高密度扫描,安全性提高,节约算力,可利用通信领域的多波段分束/合束技术,OPA 方式还可实现多波段同时扫描,进一步提升点云密度和探测效果。(3)降本潜力大,可以采用半导体工艺规模化生产,同时结合硅光技术可以很容易和芯片化的收发部件结合,替代复杂的光路、透镜、收发模组等,进一步降低成本。OPA 硅光在技术上与 FMCW 具有非常好的共通性,可进行进一步集成。
优点之外,该方案的挑战也较为明显:
光学损耗:由于光在从外部光纤/激光器进入到光芯片、在光芯片中传输、以及照射到光栅上扭转方向垂直向外发射的过程中都会产生较大的损耗。损失掉的光会转化成热,容易烧损精密的光栅结构。做大光栅天线阵列的过程中,芯片中的总线光波导能承受的功率亦经受考验,对光芯片材料的选择和结构的设计提出了更高的要求;
视场角(旁瓣干扰):相控阵芯片发射的光束经过互相干涉后除形成主方向的探测光束(主瓣)之外,易形成阵列干扰,使得激光能量被分散,形成其他方向的光束(旁瓣:光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹),这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣,分散激光的能量,OPA 激光雷达在减少旁瓣效应,加工工艺、探测距离等技术难题上还不成熟,仍需要底层材料体系和芯片的工艺的突破。通常情况下,使用 OPA 芯片探测过程中会将旁瓣遮挡来保证主瓣不受干扰,因此主瓣和旁瓣之间的角度也决定了该 OPA 激光雷达的视场角。而光学相控阵中的天线阵列(小光源)的密度越高,旁瓣和主瓣之间的夹角越大,意味着激光雷达的视场角也越大。但天线阵列的密集分布将伴随着信号串扰、散热、以及移相器的布置等问题,考验开发者的设计和工艺制造能力;
工艺和集成:发射器端:相控阵由紧密排列的间距约为 1μm 光学天线阵列组成,并在宽角度范围内发射相干光,通过调整每根光线发出的光的相相对相位,可改变生成的干涉图,若要在 100m 处分辨尺寸为 10cm 的物体,需要一个工作波长为 1μm 的 OPA,并具备有至少 1000 根天线组成的电路,其中每根天线的间距为 1μm,OPA 的其中一个关键指标就是提高天线通道数。接收器端:硅光芯片技术可以和相机 CMOS 工艺完全兼容,但仍然需要一些特色工艺的开发,难度高于传统 CMOS 工艺。而如果想激光器芯片要将电信号转化为光信号产生激光,和传输光子的光波导通常采用不同的材料。


  • 液晶相控阵 Liquid Crystal (LA)
通过外加电压改变液晶的取向,实现不同阵元的相位调节,可以获得远场光束的偏转效果。液晶的光学相控阵有驱动电压较小、易于大面积阵列集成的优点。
液晶实现相控阵存在很多工艺,如液晶包覆平面波导 LC Clad Waveguide、液晶覆硅 LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、液晶超表面 LC Metasurface、液晶偏振光栅 LCPG 等。

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液晶光学相控阵结构原理

液晶光学相控阵的最大扫描角度大约±10°,扫描速度在毫秒量级。使用铁电液晶材料的空间光调制器,增大了液晶的响应速度, 响应时间可达到 200 μs。 液晶光学相控阵激光雷达具有很多优势,不需要机械扫描部件,有很大的潜力应用于现代新型激光雷达,但是液晶光学相控阵的扫描角度、扫描速度有待进一步提升,以使满足激光雷达在人工智能领域对于高速、大角度扫描的需求。

Spectrum Scan

光谱扫描技术是由澳大利亚激光雷达公司 Baraja 推出,利用不同波长的光在介质中折射率的不同,在红外波段快速切换光的波长实现扫描效果。该方案没有运动部件,成本低廉,更容易适应恶劣的环境。

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光谱扫描技术:利用光的折射原理,可实现固态化扫描

Baraja的随机调制连续波(Random Modulation Continuous Wave, RMCW)技术实现了业界领先的抗干扰性能和瞬时速度测量性能。不过该方案中的多光谱激光器加工难度大成本高,且想实现大范围视场角具有一定难度。

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其他


  • 电光传感器 Electro-Optical
电光传感器指利用电来调制光实现扫描的效果,分为克尔盒 Kerr Cell、泡克耳斯盒 Pockels Cell,分别利用的是以下效应。
泡克耳斯效应 Pockels effect 是指光介质在恒定或交变电场下产生光的双折射效应,这是一种线性电光效应,其折射率的变化和所加电场的大小成正比。德国物理学家弗里德里斯·泡克耳斯于1893年研究发现的。但这种效应只存在缺少反演对称性的晶体中,例如铌酸锂 LiNbO3,钽酸锂 LiTaO3,硼酸钡 BBO,和砷化镓 GaAs 等,或存在其它非中心对称的介质,例如在电场极化高分子和玻璃中出现。电场极化高分子中含有特别设计的有机分子,它们具有比高非线性晶体高 10 倍的非线系数。
克尔效应 Kerr effect,也称二次电光效应,是物质因响应外电场的作用而改变其折射率的一种效应。 克尔效应与泡克耳斯效应不同,前者感应出的折射率改变与外电场平方成正比,后者则与外电场成线性关系; 前者可以在液体或非晶物质出现,后者只出现于没有对称中心的晶体物质。 很多物质或多或少会出现克尔效应,但在某些液体会更显著。 这效应最先由苏格兰科学家约翰·克尔(John Kerr)在1878年发现。

  • 声光传感器 Acousto-Optical
声光调制器(AOM)也称为布拉格单元或声光偏转器(AOD),通常使用透明晶体或玻璃片作为光传播的介质,控制电信号驱动连接的换能器振动,从而在单元内产生声波。通过声波的振荡机械应变(光弹性效应)改变某些晶体或玻璃材料的折射率,从而引起折射率的周期性变化。我们可以将这些视为一种光栅,入射波将通过它传播并因此散射。当输入光束以正确的角度进入介质时,散射光将产生干涉并沿一定角度产生强烈的衍射光束,并承载与输入光束不同的强度。这种效应类似于X射线反射发生的布拉格散射。AOM还能够根据声波的速度适应各种带宽。研究人员能够通过操纵输入声波的强度、频率、相位、偏振和偏转来控制出射光束的特性。

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<hr/>Reference


  • Patens of Cepton: Optical designs using cylindrical lenses for improved resolution in lidar systems
  • Patents of Velodyne: Systems and methods for improving detection of a return signal in a light ranging and detection system
  • Patens of Baraja: Optical beam director
  • Patens of AEye: Ladar transmitter with optical field splitter/inverter
  • Patens of Luminar: Lidar system with polygon mirror
  • wikipedia: Pockels_effect
  • wikipedia: Kerr_effect
  • wikipedia: Acousto-optic_modulator
  • Acousto-Optic Modulator (AOM): Altering Light With Sound
  • 开源证券:激光雷达技术篇:百花齐放到量产落地
  • 华西证券:硅光:“超越摩尔”新路径,厚积薄发大未来
  • 车东西:大疆激光雷达,车厂为何不爱?
  • 九章智驾:远离参数之争,深度解读Livox 激光雷达车规之路
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追上前面的 发表于 2023-3-17 12:09:29 | 显示全部楼层
公司有代伟,上市有大腿
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123457010 发表于 2023-3-17 12:09:51 | 显示全部楼层
忝列其中罢了
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我放心你带套猛 发表于 2023-3-17 12:10:24 | 显示全部楼层
请问激光雷达公司里的slam算法工程师主要做哪些方面的工作呢
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雍不言弃 发表于 2023-3-17 12:11:04 | 显示全部楼层
对外交付产品会涉及到一些配套的标定等算法模块 对内作为自家产品的用户能够及时反馈
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江户川宇杰 发表于 2023-3-17 12:11:43 | 显示全部楼层
那么前辈觉得应届生去激光雷达公司做slam算法对个人能力的提升有好处吗,相比起去车企来说
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JDLMDJIA 发表于 2023-3-17 12:12:42 | 显示全部楼层
分情况 车企做自研的部门涉及的范围较广 当然水平也各有不同 做集成(对接供应商的交付物)的话可能不如来供应链厂商做项目
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