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(cè)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(cè)量對(duì)象可以將傳感器分為檢測(cè)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(cè)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。

目前，國(guó)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(cè)量程寬、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)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。

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唯一的自主式輸入，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(cè)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)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，用來檢測(cè)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(cè)量血壓、體溫等，環(huán)境傳感器可以測(cè)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。

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。在第一階段中，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)。

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(cè)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(cè)距技術(shù)是3D激光雷達(dá)的基礎(chǔ)。最早激光測(cè)距儀的出現(xiàn)，解決了點(diǎn)到點(diǎn)一維距離測(cè)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(cè)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(cè)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)品按性能最高到底的售價(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(cè)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(cè)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%。

研發(fā)趨勢(shì)二：成本隨應(yīng)用降低

經(jīng)過了研發(fā)第一階段技術(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PuckAuto和Quanergy的S3與之前相比都是小型化的改良產(chǎn)品。

Velodyne公司的PuckAuto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)PuckAuto，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。“固態(tài)”意味著不能360度轉(zhuǎn)動(dòng)，只能探測(cè)前方，但探測(cè)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(guó)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(cè)試階段的冗余硬件配置后，成本有望大幅降低。

傳感器應(yīng)用趨勢(shì)：同類結(jié)合、多種組合、場(chǎng)景創(chuàng)新

傳感器作為智能裝備除人工設(shè)置參數(shù)以外的唯一輸入，其重要性不言而喻。傳感器感知外界環(huán)境的能力，決定了智能裝備信息輸入的準(zhǔn)確性和豐富性。對(duì)于傳感器的有效應(yīng)用的創(chuàng)新，往往也是智能裝備功能創(chuàng)新的基礎(chǔ)。智能裝備對(duì)于傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用主要有以下三種趨勢(shì)：

同類傳感器結(jié)合使用，單一功能上的縱向深度結(jié)合

這種情況下，系統(tǒng)在單一功能上往往有著極高的需求，為滿足系統(tǒng)在單一功能上的高復(fù)雜需求，同類傳感器有機(jī)結(jié)合，形成的冗余結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)在該功能上的安全性。如無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)，多種視覺、位置覺傳感器的有機(jī)結(jié)合，形成了相互補(bǔ)充的冗余結(jié)構(gòu)，從而保證了系統(tǒng)能夠正確、高效地實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境，做出正確駕駛決策。

此時(shí)，傳感器之間在功能上往往有著主導(dǎo)和輔助的區(qū)別和聯(lián)系，起主導(dǎo)作用的傳感器是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)壁壘。

多種傳感器組合使用，多種功能上的橫向廣度組合

為滿足系統(tǒng)多類型、多層次的輸入輸出需求，多種類型的傳感器創(chuàng)新組合，形成智能裝備的多種感覺，根據(jù)多種感覺形成智能反饋。如情感交互性機(jī)器人Pepper以及其他陪護(hù)型、早教型機(jī)器人等，多種感官的組合形成了視覺、位置覺、聽覺等情感感知系統(tǒng)，再通過內(nèi)部的人工智能算法形成智能反饋。

此時(shí)，硬件之間不存在主次之分，系統(tǒng)和算法芯片也同樣發(fā)揮重要作用。

新型傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，賦予設(shè)備智能化的生命力

新型智能傳感器應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)備，賦予傳統(tǒng)設(shè)備“感覺”，從而升級(jí)為智能設(shè)備。如激光雷達(dá)與掃地機(jī)器人的結(jié)合，形成了路徑規(guī)劃式的掃地機(jī)器人;血壓傳感器、心率傳感器、位置傳感器和手表、手環(huán)的結(jié)合，形成了集各種健康監(jiān)控功能于一身的可穿戴式設(shè)備等。

這種情況下，由于傳統(tǒng)設(shè)備本身具備需求，因此是主要一種存量市場(chǎng)的滲透替換現(xiàn)象，而新型傳感器應(yīng)用帶來的效果改進(jìn)具有明顯的消費(fèi)者基礎(chǔ)。

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