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據(jù)悉，中國(guó)香港城市大學(xué)、日本千葉工業(yè)大學(xué)研究人員對(duì)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(cè)和測(cè)距(雷達(dá))已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如機(jī)器人導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛汽車、無人駕駛飛機(jī)、土地測(cè)量等。多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)具有較大的視場(chǎng)(FoV)，在自動(dòng)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(dòng)駕駛汽車中最昂貴的組件）。另一方面，微機(jī)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(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了360°× 8.6°(水平×垂直)視場(chǎng)。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(bào)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(jì)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(shí)現(xiàn)二維掃描，將一維MEMS反射鏡與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相結(jié)合。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是一種獨(dú)立于MEMS反射鏡的成熟且易于控制的裝置。此外，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以實(shí)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(jì)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(tái)可以顯著降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)提供360°視場(chǎng)。

在研究中，MEMS反射鏡放置在研究人員自行設(shè)計(jì)的單收發(fā)模塊中，與360°旋轉(zhuǎn)平臺(tái)集成，實(shí)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(chǎng)。通過這種配置，360°視場(chǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以以合理的價(jià)格(1700美元)實(shí)現(xiàn)。研究人員還開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)處理程序，將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維點(diǎn)云圖，生成的圖像驗(yàn)證了基于MEMS鏡像的激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整功能。

設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)

測(cè)量是在室內(nèi)進(jìn)行的，在360°激光雷達(dá)系統(tǒng)周圍放置了兩個(gè)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(gè)濾光片，只允許905 nm波長(zhǎng)的光通過。在激光雷達(dá)系統(tǒng)周圍2 m處放置兩個(gè)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(diǎn)云正面視圖如圖5b所示，可以看到兩個(gè)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(diǎn)云提取的深度圖，其中不同顏色表示點(diǎn)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(diǎn)云圖。(c)靠墊深度圖。(d)耳機(jī)盒深度圖。

在更大的空間內(nèi)進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了360°掃描性能。實(shí)驗(yàn)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(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)P2進(jìn)行同樣的掃描過程，并在P3和P4進(jìn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的視場(chǎng)(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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的全景掃描，為自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、室內(nèi)測(cè)量等提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。