長三角G60雷射聯盟導讀

據悉，香港城市大學、日本千葉工業大學研究人員對高角度解析度360°雷射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。多通道雷射雷達系統具有較大的視場(FoV)，在自動駕駛領域具有重要意義。然而，收發器的數量限制了多通道雷射雷達系統的垂直角度解析度，並使其成本高昂（成本高達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(MEMS)反射鏡的出現可能為低成本、高角度解析度的雷射雷達系統提供一種非常有前景的解決方案。本文展示了一種基於MEMS反射鏡的高角度解析度360°雷射雷達系統。採用MEMS反射鏡與雷射雷達旋轉平台相結合，實現了360°× 8.6°(水平×垂直)視場。與現有的商用多通道360°雷射雷達系統相比，該系統的角度解析度是Velodyne HDL-64雷射雷達傳感器的13.8倍。

本文報導的二維MEMS反射鏡最大可達90°，反射面為64 mm2。為了提高解析度，設計減小了反射鏡面積，使反射鏡頻率達到0.4 kHz × 21.3 kHz(水平×垂直)。為了實現二維掃描，將一維MEMS反射鏡與旋轉平台相結合。旋轉平台是一種獨立於MEMS反射鏡的成熟且易於控制的裝置。此外，旋轉平台可以實現雷射雷達系統的360°水平掃描。因此，與使用二維MEMS反射鏡設計的雷射雷達系統相比(後者需要更複雜的系統架構和光學組件)，旋轉平台可以顯著降低整體系統複雜性，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360°旋轉平台集成，實現全景掃描。與多通道雷射雷達系統相比，本系統不受雷射源和接收器數量的限制，能夠實現0.07°× 0.027°(水平×垂直)的角度解析度和360°× 8.6°(水平×垂直)的視場。通過這種配置，360°視場雷射雷達系統可以以合理的價格(1700美元)實現。研究人員還開發了一個數據處理程序，將掃描數據轉換為三維點雲圖，生成的圖像驗證了基於MEMS鏡像的雷射雷達系統的完整功能。

設計及原理

圖1:基於MEMS反射鏡的360°雷射雷達系統(a)雷射雷達系統示意圖。(b)雷射雷達的研究場景和規格。

基於MEMS反射鏡的360°雷射雷達系統

圖2:MEMS反射鏡結構。

發射器和接收器模塊

圖3:雷射雷達系統布局。(a) 360°雷射雷達系統雙軸結構。(b) TX和RX模塊示意圖。

系統控制與通信

圖4:雷射雷達系統原理圖。

實驗

測量是在室內進行的，在360°雷射雷達系統周圍放置了兩個物體(圖5a)。環境光的主要來源是螢光燈。因此，在APD前面應用了一個濾光片，只允許905 nm波長的光通過。在雷射雷達系統周圍2 m處放置兩個不同材質和幾何形狀的多平面目標。360°雷達系統標定後得到的點雲正面視圖如圖5b所示，可以看到兩個物體形成的表面。角解析度達到0.07°× 0.027°(水平×垂直)。圖5c和圖d是點雲提取的深度圖，其中不同顏色表示點到原中心的距離。

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

在更大的空間內進行掃描實驗，進一步驗證了360°掃描性能。實驗流程如下:首先，雷射雷達系統在完成360°掃描過程後位於P1(圖6a)，移動到下一個點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)合併點雲的等距視圖。(c)掃描結果比較。左為Velodyne HDL-64仿真結果; 目前的研究結果更密集，角解析度更高，可以在相同的壁面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MEMS反射鏡的具有高垂直掃描解析度的360°雷射雷達系統。實驗結果表明，該系統具有較好的視場(水平方向360°，垂直方向8.6°)和角解析度(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，為自動駕駛、機器人導航、室內測量等提供經濟實惠的解決方案。

文章來源：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-26394-6

長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載