據悉，中國香港城市大學、日本千葉工業(ye) 大學研究人員對高角度分辨率360°激光雷達的最新研究發表在《Scientific Reports》上。

光探測和測距(雷達)已應用於(yu) 許多領域，如機器人導航、自動駕駛汽車、無人駕駛飛機、土地測量等。多通道激光雷達係統具有較大的視場(FoV)，在自動駕駛領域具有重要意義(yi) 。然而，收發器的數量限製了多通道激光雷達係統的垂直角度分辨率，並使其成本高昂（成本高達7.5萬(wan) 美元，是自動駕駛汽車中最昂貴的組件）。另一方麵，微機電係統(MEMS)反射鏡的出現可能為(wei) 低成本、高角度分辨率的激光雷達係統提供一種非常有前景的解決(jue) 方案。本文展示了一種基於(yu) MEMS反射鏡的高角度分辨率360°激光雷達係統。采用MEMS反射鏡與(yu) 激光雷達旋轉平台相結合，實現了360°× 8.6°(水平×垂直)視場。與(yu) 現有的商用多通道360°激光雷達係統相比，該係統的角度分辨率是Velodyne HDL-64激光雷達傳(chuan) 感器的13.8倍。

本文報道的二維MEMS反射鏡最大可達90°，反射麵為(wei) 64 mm2。為(wei) 了提高分辨率，設計減小了反射鏡麵積，使反射鏡頻率達到0.4 kHz × 21.3 kHz(水平×垂直)。為(wei) 了實現二維掃描，將一維MEMS反射鏡與(yu) 旋轉平台相結合。旋轉平台是一種獨立於(yu) MEMS反射鏡的成熟且易於(yu) 控製的裝置。此外，旋轉平台可以實現激光雷達係統的360°水平掃描。因此，與(yu) 使用二維MEMS反射鏡設計的激光雷達係統相比(後者需要更複雜的係統架構和光學組件)，旋轉平台可以顯著降低整體(ti) 係統複雜性，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計的單收發模塊中，與(yu) 360°旋轉平台集成，實現全景掃描。與(yu) 多通道激光雷達係統相比，本係統不受激光源和接收器數量的限製，能夠實現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°視場激光雷達係統可以以合理的價(jia) 格(1700美元)實現。研究人員還開發了一個(ge) 數據處理程序，將掃描數據轉換為(wei) 三維點雲(yun) 圖，生成的圖像驗證了基於(yu) MEMS鏡像的激光雷達係統的完整功能。

設計及原理

圖1:基於(yu) MEMS反射鏡的360°激光雷達係統(a)激光雷達係統示意圖。(b)激光雷達的研究場景和規格。

基於(yu) MEMS反射鏡的360°激光雷達係統

圖2:MEMS反射鏡結構。

發射器和接收器模塊

圖3:激光雷達係統布局。(a) 360°激光雷達係統雙軸結構。(b) TX和RX模塊示意圖。

係統控製與(yu) 通信

圖4:激光雷達係統原理圖。

實驗

測量是在室內(nei) 進行的，在360°激光雷達係統周圍放置了兩(liang) 個(ge) 物體(ti) (圖5a)。環境光的主要來源是熒光燈。因此，在APD前麵應用了一個(ge) 濾光片，隻允許905 nm波長的光通過。在激光雷達係統周圍2 m處放置兩(liang) 個(ge) 不同材質和幾何形狀的多平麵目標。360°雷達係統標定後得到的點雲(yun) 正麵視圖如圖5b所示，可以看到兩(liang) 個(ge) 物體(ti) 形成的表麵。角分辨率達到0.07°× 0.027°(水平×垂直)。圖5c和圖d是點雲(yun) 提取的深度圖，其中不同顏色表示點到原中心的距離。

圖5:掃描結果。(a)被掃描物體(ti) 的照片。(b)掃描後的點雲(yun) 圖。(c)靠墊深度圖。(d)耳機盒深度圖。

在更大的空間內(nei) 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，激光雷達係統在完成360°掃描過程後位於(yu) P1(圖6a)，移動到下一個(ge) 點P2進行同樣的掃描過程，並在P3和P4進行同樣的掃描過程。

圖6:空間掃描結果。(a)房間及走廊的三維結構。(b)合並點雲(yun) 的等距視圖。(c)掃描結果比較。左為(wei) Velodyne HDL-64仿真結果; 目前的研究結果更密集，角分辨率更高，可以在相同的壁麵積和距離下顯示更多的細節。

結論

在本研究中，展示了一種基於(yu) MEMS反射鏡的具有高垂直掃描分辨率的360°激光雷達係統。實驗結果表明，該係統具有較好的視場(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高質量的全景掃描，為(wei) 自動駕駛、機器人導航、室內(nei) 測量等提供經濟實惠的解決(jue) 方案。