基于扫描MEMS反射镜的高角度分辨率360激光雷达的研制

　　长三角G60激光联盟导读
　　据悉，中国香港城市大学、日本千叶工业大学研究人员对高角度分辨率360激光雷达的最新研究发表在《ScientificReports》上。
　　光探测和测距（雷达）已应用于许多领域，如机器人导航、自动驾驶汽车、无人驾驶飞机、土地测量等。多通道激光雷达系统具有较大的视场（FoV），在自动驾驶领域具有重要意义。然而，收发器的数量限制了多通道激光雷达系统的垂直角度分辨率，并使其成本高昂（成本高达7。5万美元，是自动驾驶汽车中最昂贵的组件）。另一方面，微机电系统（MEMS）反射镜的出现可能为低成本、高角度分辨率的激光雷达系统提供一种非常有前景的解决方案。本文展示了一种基于MEMS反射镜的高角度分辨率360激光雷达系统。采用MEMS反射镜与激光雷达旋转平台相结合，实现了3608。6（水平垂直）视场。与现有的商用多通道360激光雷达系统相比，该系统的角度分辨率是VelodyneHDL64激光雷达传感器的13。8倍。
　　本文报道的二维MEMS反射镜最大可达90，反射面为64mm2。为了提高分辨率，设计减小了反射镜面积，使反射镜频率达到0。4kHz21。3kHz（水平垂直）。为了实现二维扫描，将一维MEMS反射镜与旋转平台相结合。旋转平台是一种独立于MEMS反射镜的成熟且易于控制的装置。此外，旋转平台可以实现激光雷达系统的360水平扫描。因此，与使用二维MEMS反射镜设计的激光雷达系统相比（后者需要更复杂的系统架构和光学组件），旋转平台可以显著降低整体系统复杂性，同时提供360视场。
　　在研究中，MEMS反射镜放置在研究人员自行设计的单收发模块中，与360旋转平台集成，实现全景扫描。与多通道激光雷达系统相比，本系统不受激光源和接收器数量的限制，能够实现0。070。027（水平垂直）的角度分辨率和3608。6（水平垂直）的视场。通过这种配置，360视场激光雷达系统可以以合理的价格（1700美元）实现。研究人员还开发了一个数据处理程序，将扫描数据转换为三维点云图，生成的图像验证了基于MEMS镜像的激光雷达系统的完整功能。
　　设计及原理
　　图1：基于MEMS反射镜的360激光雷达系统（a）激光雷达系统示意图。（b）激光雷达的研究场景和规格。
　　基于MEMS反射镜的360激光雷达系统
　　图2：MEMS反射镜结构。
　　发射器和接收器模块
　　图3：激光雷达系统布局。（a）360激光雷达系统双轴结构。（b）TX和RX模块示意图。
　　系统控制与通信
　　图4：激光雷达系统原理图。
　　实验
　　测量是在室内进行的，在360激光雷达系统周围放置了两个物体（图5a）。环境光的主要来源是荧光灯。因此，在APD前面应用了一个滤光片，只允许905nm波长的光通过。在激光雷达系统周围2m处放置两个不同材质和几何形状的多平面目标。360雷达系统标定后得到的点云正面视图如图5b所示，可以看到两个物体形成的表面。角分辨率达到0。070。027（水平垂直）。图5c和图d是点云提取的深度图，其中不同颜色表示点到原中心的距离。
　　图5：扫描结果。（a）被扫描物体的照片。（b）扫描后的点云图。（c）靠垫深度图。（d）耳机盒深度图。
　　在更大的空间内进行扫描实验，进一步验证了360扫描性能。实验流程如下：首先，激光雷达系统在完成360扫描过程后位于P1（图6a），移动到下一个点P2进行同样的扫描过程，并在P3和P4进行同样的扫描过程。
　　图6：空间扫描结果。（a）房间及走廊的三维结构。（b）合并点云的等距视图。（c）扫描结果比较。左为VelodyneHDL64仿真结果；目前的研究结果更密集，角分辨率更高，可以在相同的壁面积和距离下显示更多的细节。
　　结论
　　在本研究中，展示了一种基于MEMS反射镜的具有高垂直扫描分辨率的360激光雷达系统。实验结果表明，该系统具有较好的视场（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）。该功能可进一步实现高质量的全景扫描，为自动驾驶、机器人导航、室内测量等提供经济实惠的解决方案。
　　文章来源：
　　https：www。nature。comarticless41598022263946
　　长三角G60激光联盟陈长军转载