Waymo 的自動駕駛技術做到全球領先，很大程度上得益於其在硬件自研上的持續投入。
與市面上大多數自動駕駛企業相比，Waymo 不但擁有自己的自動駕駛車輛生產線，而且在關鍵傳感器（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 宣佈推出其第五代自動駕駛系統，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 的系統感知性能實現了飛躍，能精確讀取 500 米外的交通標識，同時整體成本較前代縮減 50%。
相比於這一次的更新，我們更好奇：在以往 10 多年的發展過程中，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」為座標，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採購
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，當時選擇的車型是豐田普銳斯（Prius）混動版。
之所以基於這款車進行研發，其實很大程度上跟一個工程師有關，他就是日後在自動駕駛圈內大家耳熟能詳的人物 Anthony Levandowski。
他所創辦的自動駕駛公司 510 Systems 被谷歌收購後，其團隊也成為了谷歌無人車項目的重要組成部分。
510 Systems 最早就是基於豐田普銳斯車型進行改裝，其團隊進入谷歌後，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備的傳感器配置是：
車輛頂部設計了一個支架，其上搭載的是 Velodyne 的 64 線機械旋轉式激光雷達，能夠對車身 360 度方向進行掃描。
車頂的後部還安裝有 GPS 天線，協助車輛進行自定位。4 顆毫米波雷達分別安裝在車輛的前後保險槓以及車頭的兩側，前雷達主要用於檢測距離和速度。
因為這時候谷歌無人車剛剛開啟研發不久，自研傳感器還為時尚早，所以這些雷達產品是向大陸/博世採購的。
在車內的後視鏡位置安裝了一顆前視攝像頭，主要用於識別車輛、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。
另外，谷歌團隊還在普銳斯原型車的左後輪安裝了車輪編碼器（Wheel Encoder），用來跟蹤車輛的運動軌跡並不斷更新其在地圖上的位置。
當時，這輛車的核心計算和處理單元都放在了後備箱，這其實和前幾年自動駕駛創業熱潮期很多公司搭出來的原型車的做法類似。
2012 年 5 月，谷歌憑藉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，由美國內華達州交管局頒發。
當年，谷歌的自動駕駛車開到了拉斯維加斯的街頭。
當時，整套系統配下來，其成本在 15 萬美金左右，而車頂的那顆激光雷達就要價 75000 美金。
但是當時的谷歌沒得選，因為激光雷達傳感器太關鍵，而且當時能供應這類性能產品的企業只有 Velodyne。
所以谷歌後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品的可選類型很少，而且當時 Veldoyne 都是手工打造，產能非常低，嚴重拖慢了谷歌的自動駕駛車輛部署進度。
為了不受制於人，谷歌下定決心要自己研發這一自動駕駛車輛的關鍵傳感器。
這裡有一個背景：谷歌無人車項目團隊很多都有 DARPA 無人車挑戰賽的經歷，當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採用了 Velodyne 的產品。
有意思的是，Anthony Levandowski 職業生涯早期在 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的技術工作，可謂淵源不淺。
也是這一層淵源，為後來谷歌自研激光雷達傳感器打下了一定的技術基礎。
2.雷克薩斯 RX450h：開始採用自研傳感器
2012 年時，谷歌擴大了自動駕駛原型車的數量，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（蘋果現役自動駕駛原型車就是這款車型）。
這款原型車最早於 2012 年 4 月份在舊金山開跑。
這款車型的傳感器版本經歷過幾次迭代，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生變化，最大的變化發生在車頂。
因為這一時期，谷歌已經自主研發出了可以替代 Veldoyne 激光雷達的產品。
改款後的車輛頂部變得複雜了，因為上面不光有谷歌自研的激光雷達，還有一圈攝像頭產品，大概率也是谷歌自研的產品。
激光雷達和攝像頭在這輛車的車頂上實現了一種巧妙的融合，兩種傳感器疊加在一起，並且設計了保護罩，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、車尾以及兩側後視鏡處還加裝了谷歌自研的另外一類激光雷達產品，根據 Waymo 後來公佈的設計方案，這種激光雷達主要用於盲區檢測。
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後視鏡的位置。
這些毫米波雷達很大可能也是谷歌自研的產品。
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，我們可以看到裡面有一種延續性。
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後拿出的第一代方案。
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。
再往後走，這款基於雷克薩斯 RX450h 的自動駕駛原型車的外觀又發生了變化。
圖源自 GoogleX 實驗室官網，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複雜，這樣做的目的應該是為了實現感知冗餘。
因為很多傳感器包裹得比較嚴密，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備。
從這一點也可以看出，谷歌那時候已經開始對車輛的知識產權進行更周全的保護。
這款雷克薩斯原型車後來逐漸淡出了大家的視野，取而代之的是谷歌內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：全面採用自研傳感器
圖源自 GoogleX 實驗室官網，第一代「螢火蟲」外觀設計
2014 年 5 月，谷歌無人車團隊正式發佈了一款去掉了方向盤和制動踏板的「螢火蟲」車型。
這款車型在當時被團隊寄予厚望，因為它是谷歌想自己造車的特殊產物。
當時，谷歌還邀請了一批用戶來體驗這款車，這一次試乘並未駛入公開道路，而是在加州山景城的一個封閉的停車場裡。
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。
截圖自谷歌發佈的官方視頻，上圖攝於 2012 年；下圖攝於 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 定製的激光雷達。
但是這顆激光雷達不久後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」車型也經歷了傳感器配置的變化，也是發生在 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」車型在工業設計上追求極簡風格，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，能夠實現 360 度環境感知，感知距離超過 200 米。
車輛前後各有一顆小型的激光雷達，與此前安裝在雷克薩斯 RX450h 上的前後激光雷達應該是一個類別。
前視攝像頭則安裝在車輛的風擋處，用於識別行人、騎行者、道路標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後保險槓位置；車尾部還安裝有 GPS 定位裝置，配合慣性導航系統協助車輛自我定位。
「螢火蟲」上還加裝了超聲波傳感器，主要是用於倒車輔助。
另外，這款車內部還有高度計、陀螺儀和測速儀，它們通過測量各種參數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商一起來生產這款車，包括和博世、大陸、採埃孚進行合作，但後來並未成行。
時任谷歌無人車項目 CTO Chris Urmson 的演講 PPT
無法量產的原因很多，一個是法律法規問題，另一個則是谷歌內部在無人駕駛商業化方面存在著分歧。
後來我們看到谷歌無人車團隊很多人出走，領導層經歷了大換血。
2016 年 5 月，谷歌找到了 FCA，準備聯手打造可量產的自動駕駛車輛。
而後，「螢火蟲」車型逐漸失寵並最終在 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 月之前就已經自研出了激光雷達產品，而且不止一款。
在這個時間點上，全球的自動駕駛、激光雷達創業熱潮還沒有到來，可見谷歌在技術上的前瞻性。
4.FCA 大捷龍：自研傳感器的量產化
「螢火蟲」的戰略地位發生變化之後，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、視覺系統、雷達系統和補充傳感系統。
在激光雷達系統方面，這款車配備了覆蓋短、中、長距離共計 6 個激光雷達——安裝於車輛正前正後及兩側的近程激光雷達、360 度環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於盲區監測，也就是後來 Waymo 決定公開售賣的 Laser Bear Honeycomb 激光雷達。
與 Velodyne 推出的 VelaDome 產品類似，專注於近距離檢測。
車頂整流罩中則包含了兩顆激光雷達：一顆用於環視，一顆用於前向。
有業內人士猜測，這顆前向激光雷達是固態產品，搭載的是 1550nm 激光器，點雲分辨率更高。
在視覺系統方面，車輛頂部的整流罩裡集成了一圈立體攝像頭，還有 8 個熱成像相機。
車輛的前擋風玻璃處也有一組前視攝像頭，但目前並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；左右兩側的 2 個毫米波雷達，與車身平行。
兩側的毫米波雷達可以探測十字路口側向來車的情況，也可以探測側向車道的車輛和行人，以便於變道決策。
有分析認為，Waymo 自研的毫米波雷達採用的是 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，他們正在研發合成孔徑雷達技術。
大捷龍車型的車頂前方還開了一組小孔，這是麥克風陣列，也就是 Waymo 所謂的補充傳感系統。
這組麥克風可以聽到很遠處的救護車、警車等這類需要應急避讓的車輛。從這組傳感器的設置來看，Waymo 的團隊足夠注重細節。
除這些之外，車上應該還有 GPS 定位、IMU 慣導這類傳感器，幫助車輛更加安全、穩定地運行。
Waymo 的大捷龍車型目前已經在全美多地進行無人駕駛出行服務，而且整體性能比較穩定。
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 並不想就此止步，在大捷龍之後，Waymo 再一次更新傳感器配置，並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 採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。
可以看到，這款車與前一代車相比，車頂的整流罩結構發生了明顯變化。
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物。
移除一臺激光雷達則意味著成本的下降。
車輛前、後以及兩側的激光雷達也進行了重新設計，而且新加了一組攝像頭與其進行配合。
這款新的側邊盲區檢測激光雷達與其前一代 Laser Bear Honeycomb 相比，採取了斜面設計，這種設計有利於甩掉泥水。
而且盲區激光雷達主要檢測下方和側面，所以斜面設計效果更好。
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，也體現了 Waymo 對於視覺感知的重視。
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，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，構成了 Waymo 第五代自動駕駛系統傳感器硬件的更新。
經過這些年的發展，Waymo 自動駕駛原型車的外觀已經發生了巨大的變化，歷經 5 代車型的變遷，傳感器的性能也不斷在提升，整個自動駕駛系統的運行能力有了長足的進步。
在這些變化的背後，是 Waymo 團隊數十年如一日的潛心研發。
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來看，Waymo 之所以能取得今天的成就，既離不開谷歌的技術支援，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 的產品，在使用過程中，Waymo 的團隊也逐漸掌握了激光雷達的相關技術。
後來，Waymo 還與 Velodyne 展開了聯合研發，這幫助 Waymo 得到了部分激光雷達專利的授權。
這些技術的積累，幫助 Waymo 在後來另立門戶，結束了向 Velodyne 採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域的研發經驗接近 7 年，以這個時間來算，Waymo 在 2011 年左右就開始了激光雷達產品的研發。
Waymo 2017 年起訴 Uber 時的官方文件
2014 年，Waymo 拿到了激光雷達系統技術的「922 專利」（具有共享發射/接收路徑的旋轉激光雷達平臺的設備和方法），是一種將激光發射器和接收器集成在一起的專利技術，這種技術能大大提高產品性能，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技術的「273 專利」（激光束與發射通道結合的微壓縮技術）和「936 專利」（激光二極管點火系統）。
這些專利都幫助 Waymo 自研的激光雷達產品在性能、體積以及成本上實現了優化。
2015 年 12 月時，谷歌還發布了招人啟事：招聘自動駕駛車輛激光技術領域的機械工程師。
當時谷歌在招聘信息中寫道：工程師將會設計新型激光雷達系統，並負責打造光電子機械系統產品；工程師將與外部供應商以及谷歌內部團隊合作，負責系統設計到生產的整個過程。
按照這個發展脈絡，結合前文谷歌在 2015 年 5 月就已經用上了自研的激光雷達，可以確定的是，其團隊已經研發了多代激光雷達產品，而且類型也很多樣。
未來，Waymo 應該還會推出性價比更高的激光雷達產品，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佔太大的比重。
Waymo 的激光雷達系統開發團隊目前由 Simon Verghese 領銜，此人出身自麻省理工學院林肯實驗室，其前身是研製出雷達的「麻省理工輻射實驗室」。
在毫米波雷達方面，谷歌本身是有設計雷達天線和芯片的技術積累的。
谷歌此前推出了 Project Soli 項目，主要是採用微型雷達捕獲細微動作，為可穿戴設備帶來精準的手勢控制功能。
為了設計這款雷達，谷歌和英飛凌展開合作，設計雷達傳感器芯片。
這些技術儲備為後來谷歌設計車載毫米波雷達提供了幫助。
Waymo 獨立開發了一個毫米波雷達新版本，也就是近年來行業內主流的下一代雷達——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。
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。
現在，Waymo 的雷達研發負責人是 Matt Markel，在航空航天、衛星領域有很豐富的經驗。
在攝像頭設計和集成方面，Waymo 內部並沒有透露太多信息，但是谷歌本身設計手機和筆記本，而且在計算機視覺、圖像識別領域有強大技術積累，自研攝像頭應該不是什麼難事。
如今管理 Waymo 攝像頭團隊的負責人是 Lucian Ion。進入 Waymo 前，他在 IMAX 負責攝像頭研發，後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的開發。
去年 1 月，外媒梳理了一份 Waymo 的組織架構。
當時的數據顯示，Waymo 有 950 名內部員工，其中 260 人從事硬件研發，包括激光雷達、雷達、攝像頭、計算硬件等。一年過去了，這個數字應該會有大幅增加。
目前，Waymo 硬件工程團隊的負責人是 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。
今年 3 月，這支擁有數百人的團隊已經發布了 Waymo 的第五代自動駕駛傳感器套件。
未來，他們還將繼續潛心研發，致力於提高自動駕駛傳感器的性價比，從硬件層面最終實現自動駕駛車輛的平民化。
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