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據(jù)悉，中國香港城市大學(xué)、日本千葉工業(yè)大學(xué)研究人員對高角度分辨率360°激光雷達(dá)的最新研究發(fā)表在《Scientific Reports》上。

光探測和測距(雷達(dá))已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如機器人導(dǎo)航、自動駕駛汽車、無人駕駛飛機、土地測量等。多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)具有較大的視場(FoV)，在自動駕駛領(lǐng)域具有重要意義。然而，收發(fā)器的數(shù)量限制了多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)的垂直角度分辨率，并使其成本高昂（成本高達(dá)7.5萬美元，是自動駕駛汽車中最昂貴的組件）。另一方面，微機電系統(tǒng)(MEMS)反射鏡的出現(xiàn)可能為低成本、高角度分辨率的激光雷達(dá)系統(tǒng)提供一種非常有前景的解決方案。本文展示了一種基于MEMS反射鏡的高角度分辨率360°激光雷達(dá)系統(tǒng)。采用MEMS反射鏡與激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)平臺相結(jié)合，實現(xiàn)了360°× 8.6°(水平×垂直)視場。與現(xiàn)有的商用多通道360°激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的角度分辨率是Velodyne HDL-64激光雷達(dá)傳感器的13.8倍。

本文報道的二維MEMS反射鏡最大可達(dá)90°，反射面為64 mm2。為了提高分辨率，設(shè)計減小了反射鏡面積，使反射鏡頻率達(dá)到0.4 kHz × 21.3 kHz(水平×垂直)。為了實現(xiàn)二維掃描，將一維MEMS反射鏡與旋轉(zhuǎn)平臺相結(jié)合。旋轉(zhuǎn)平臺是一種獨立于MEMS反射鏡的成熟且易于控制的裝置。此外，旋轉(zhuǎn)平臺可以實現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的360°水平掃描。因此，與使用二維MEMS反射鏡設(shè)計的激光雷達(dá)系統(tǒng)相比(后者需要更復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和光學(xué)組件)，旋轉(zhuǎn)平臺可以顯著降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性，同時提供360°視場。

在研究中，MEMS反射鏡放置在研究人員自行設(shè)計的單收發(fā)模塊中，與360°旋轉(zhuǎn)平臺集成，實現(xiàn)全景掃描。與多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)不受激光源和接收器數(shù)量的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)0.07°× 0.027°(水平×垂直)的角度分辨率和360°× 8.6°(水平×垂直)的視場。通過這種配置，360°視場激光雷達(dá)系統(tǒng)可以以合理的價格(1700美元)實現(xiàn)。研究人員還開發(fā)了一個數(shù)據(jù)處理程序，將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維點云圖，生成的圖像驗證了基于MEMS鏡像的激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整功能。

設(shè)計及原理

圖1:基于MEMS反射鏡的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)(a)激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖。(b)激光雷達(dá)的研究場景和規(guī)格。

基于MEMS反射鏡的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖2:MEMS反射鏡結(jié)構(gòu)。

發(fā)射器和接收器模塊

圖3:激光雷達(dá)系統(tǒng)布局。(a) 360°激光雷達(dá)系統(tǒng)雙軸結(jié)構(gòu)。(b) TX和RX模塊示意圖。

系統(tǒng)控制與通信

圖4:激光雷達(dá)系統(tǒng)原理圖。

實驗

測量是在室內(nèi)進行的，在360°激光雷達(dá)系統(tǒng)周圍放置了兩個物體(圖5a)。環(huán)境光的主要來源是熒光燈。因此，在APD前面應(yīng)用了一個濾光片，只允許905 nm波長的光通過。在激光雷達(dá)系統(tǒng)周圍2 m處放置兩個不同材質(zhì)和幾何形狀的多平面目標(biāo)。360°雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定后得到的點云正面視圖如圖5b所示，可以看到兩個物體形成的表面。角分辨率達(dá)到0.07°× 0.027°(水平×垂直)。圖5c和圖d是點云提取的深度圖，其中不同顏色表示點到原中心的距離。

圖5:掃描結(jié)果。(a)被掃描物體的照片。(b)掃描后的點云圖。(c)靠墊深度圖。(d)耳機盒深度圖。

在更大的空間內(nèi)進行掃描實驗，進一步驗證了360°掃描性能。實驗流程如下:首先，激光雷達(dá)系統(tǒng)在完成360°掃描過程后位于P1(圖6a)，移動到下一個點P2進行同樣的掃描過程，并在P3和P4進行同樣的掃描過程。

圖6:空間掃描結(jié)果。(a)房間及走廊的三維結(jié)構(gòu)。(b)合并點云的等距視圖。(c)掃描結(jié)果比較。左為Velodyne HDL-64仿真結(jié)果; 目前的研究結(jié)果更密集，角分辨率更高，可以在相同的壁面積和距離下顯示更多的細(xì)節(jié)。

結(jié)論

在本研究中，展示了一種基于MEMS反射鏡的具有高垂直掃描分辨率的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的視場(水平方向360°，垂直方向8.6°)和角分辨率(水平方向0.07°，垂直方向0.027°)。該功能可進一步實現(xiàn)高質(zhì)量的全景掃描，為自動駕駛、機器人導(dǎo)航、室內(nèi)測量等提供經(jīng)濟實惠的解決方案。