一種新型掃描系統(tǒng)在無人駕駛激光雷達上的應(yīng)用

江南雨

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

隨著無人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，開發(fā)一整套成熟的車載傳感系統(tǒng)來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的車輛位置信息、道路信息和障礙物信息，自動控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛顯得尤為重要。

目前，對于自動駕駛車載傳感系統(tǒng)的技術(shù)路線仍存在爭議，所采用的傳感器組合方式也各有側(cè)重。但是，對于未來的發(fā)展趨勢，主流觀點趨同，認為毫米波雷達、激光雷達和視覺攝像頭等多種類傳感器的協(xié)同使用是實現(xiàn)一整套成熟車載傳感系統(tǒng)的必經(jīng)之路。

在環(huán)境感知中，目前每一種車載傳感器均存在各自的優(yōu)勢和劣勢：毫米波雷達具備成本優(yōu)勢，擁有低分辨率測距能力，用以應(yīng)付惡劣天氣；而車載攝像頭能夠感知環(huán)境色彩，在分辨率較高的情況下，對于細節(jié)分辨表現(xiàn)更為優(yōu)異；激光雷達則能夠?qū)崿F(xiàn)對周圍環(huán)境三維尺度信息的感知，其在探測距離、夜景模式、高可靠性上均有著不可取代的重要優(yōu)勢，其對環(huán)境的三維構(gòu)建能力更強。可見，從技術(shù)和成本的適用性出發(fā)，采取多種傳感器的協(xié)同使用，將能提供車輛周圍環(huán)境更加立體的繪圖信息。就目前而言，如何完成高性能激光雷達的成本控制和實用化量產(chǎn)，則是通往多傳感器融合技術(shù)方案乃至自動駕駛的重要障礙。

對于激光雷達，如果從結(jié)構(gòu)上看，主要有兩種形式，早期的機械式激光雷達以及近年來逐漸被重視的固態(tài)激光雷達。我們可以用硬盤行業(yè)作為類比，早期的機械式硬盤其內(nèi)部是通過磁臂、磁頭和磁盤等部件之間的機械轉(zhuǎn)動來進行數(shù)據(jù)存儲，而新一代的固態(tài)硬盤則是通過存儲器內(nèi)部半導體單元的通斷電進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，在取代了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)動部件后，其無論在體積、質(zhì)量、可靠性上都有著顯著提升。這些優(yōu)勢同樣也體現(xiàn)在固態(tài)激光雷達上，在去除可視性機械轉(zhuǎn)動部件后，單次掃描效率提高，單位時間內(nèi)可獲得更多點數(shù)據(jù)云；減少運動部件，降低設(shè)備故障率，提高運行可靠性；固態(tài)器件體積小、質(zhì)量輕，可以集成到車身內(nèi)部，減少對整車外形與安全影響。

對于固態(tài)激光雷達，目前已經(jīng)被行業(yè)認可的技術(shù)方案可歸類為三種方式：MEMS、OPA 和Flash。其中MEMS 和OPA 可以將其歸為掃描式固態(tài)激光雷達，而Flash 方案則可歸為非掃描式固態(tài)激光雷達。它們既有各自的優(yōu)點，同時也存在相應(yīng)不足。

MEMS（微機電系統(tǒng)），也叫作微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，通俗來說就是將原方案中體積較大的機械結(jié)構(gòu)通過改變設(shè)計方案進行微型化處理。傳統(tǒng)的機械式激光雷達為了實現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動，而MEMS 方式則可以在激光雷達中集成體積精密的微型振鏡，由可以快速跳動的微型振鏡來多角度改變激光光束方向，從而實現(xiàn)掃描。但由于微振鏡存在一定激光光束功率限制，明顯地影響了其探測障礙物的距離。

OPA（光學相控陣技術(shù)），運用干涉原理（光波在空間相遇時，在等相位始終加強，在非等相位則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布現(xiàn)象），使用多個光源組成光學相控陣列，通過控制各光源的相位差，使等相位面不再垂直于波導方向，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，通過控制偏轉(zhuǎn)方向，使激光光束實現(xiàn)對不同方向的掃描。然而，光學相控陣芯片加工難度較大，要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，而激光雷達多使用近紅外光波（波長一般為950 nm 左右），也就意味著所有陣列單元的尺寸在500 nm 以內(nèi)。

Flash，原本的意思為閃耀、閃光，而Flash 方式的激光雷達原理也是類似。它不同于MEMS 方式或OPA 方式會對探測環(huán)境進行掃描，而是對探測區(qū)域發(fā)射出一大片全面覆蓋的紅外光波，再配以高精度感光器件來接收反射光束，通過對探測到的光束時間差進行計算和分析，從而完成對周圍環(huán)境的繪制。但其同樣也存在探測距離較近、可靠性不高等重要缺陷。

對于未來固態(tài)激光雷達發(fā)展方向，美國Velodyne 公司作為激光雷達的開創(chuàng)者，給出了它的答案。其在推出了32線、64 線傳統(tǒng)機械式激光雷達后，又推出了新款16 線混合固態(tài)激光雷達。而該方式的激光雷達則為Velodyne 公司在行業(yè)內(nèi)首次提出。是指外形上不存在可視旋轉(zhuǎn)部件，但為了滿足探測視角需求，將機械掃描部件設(shè)計得十分精巧，可內(nèi)置于激光雷達內(nèi)部而已。這種混合固態(tài)激光雷達我們可以近似地理解為一種改進型的MEMS，其解決了MEMS 型激光雷達只能發(fā)射小功率激光光束、探測距離過近等問題，又同時擁有固態(tài)激光雷達相較于機械式激光雷達的各類優(yōu)勢。

因此，混合固態(tài)激光雷達成為了當前市場主流發(fā)展方向，其組成總體上可分為激光發(fā)射端、反射光接收端、光學掃描器件和運算控制系統(tǒng)。其中光學掃描器件則是混合固態(tài)激光雷達中的核心組成部分，是區(qū)別于常規(guī)固態(tài)激光雷達的關(guān)鍵所在。

1 混合型固態(tài)激光雷達動態(tài)掃描器件的設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

結(jié)合混合型固態(tài)激光雷達掃描需求，可以采用DSP 芯片作為主控芯片，實時地高精度控制振鏡電機偏轉(zhuǎn)角度，來反射激光器發(fā)出激光光束，從而實現(xiàn)大角度掃描需求的系統(tǒng)設(shè)計方案。

在發(fā)射端，可以根據(jù)需求，利用多個激光發(fā)射器在Y軸方向上采用已知的固定角度排列組合，形成條狀探測光束組，其中的每個激光發(fā)射器都可以當做1 線，使用多少個激光發(fā)射器便可稱為多少線激光雷達，線數(shù)越多，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)越精準。將激光光束組照射到振鏡電機帶動的反射鏡片上，使激光光束組在X軸方向上轉(zhuǎn)動掃描，每轉(zhuǎn)動一個固定角度，發(fā)射一次激光，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的二維廣角掃射，并通過對出射激光反射回來形成的點狀云數(shù)據(jù)進行解析，從而完成對周圍環(huán)境的測量與描繪。

對于系統(tǒng)控制部分而言，其核心控制芯片為TI 公司近年來新推出的DSP 芯片TMS320F28377D，在其外部配套有激光發(fā)射電路、電機驅(qū)動電路、電機偏轉(zhuǎn)角度監(jiān)測電路等相關(guān)電路，而芯片外圍電路則包含SDRAM 電路、時鐘電路、供電電路、復(fù)位電路、DA 輸出與AD 采樣電路等。TMS320F28377D 為一款強大的 32 位浮點微控制單元（MCU），專為電機高級閉環(huán)控制應(yīng)用而設(shè)計，支持全新的雙核C28x 架構(gòu)，每個內(nèi)核均可提供200 MHz 的數(shù)據(jù)處理能力，允許設(shè)計人員整合控制架構(gòu)，實現(xiàn)高端系統(tǒng)對多處理器的需求。雙C28x+CLA 架構(gòu)則可以在多系統(tǒng)任務(wù)之間實現(xiàn)并行運行，例如，一個C28x+CLA 內(nèi)核可用于處理實時反饋數(shù)據(jù)，而另一個C28x+CLA 內(nèi)核則可用于速度與位置的閉環(huán)控制。并且該芯片通過新型TMU 加速器和VCU 加速器使信號處理能力得到進一步提高。其中TMU 加速器能夠快速執(zhí)行各類運算中常見的三角運算的算法；而VCU OP2004D 微控制器具有兩個CLA 實時控制協(xié)處理器，該CLA 協(xié)處理器可以對外設(shè)觸發(fā)器作出快速響應(yīng)，并與其對應(yīng)的主CPU 同步執(zhí)行代碼，這種并行的處理數(shù)據(jù)功能可以有效加快實時控制系統(tǒng)中的運算能力，更加有利于實現(xiàn)對振鏡電機偏轉(zhuǎn)角度進行高精度的實時控制和對激光反射鏡片位置信號的實時監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 振鏡電機及反射鏡片組件設(shè)計

在振鏡電機與反射鏡片的組件設(shè)計上，我們采用CTI公司的6240HM50A 型電機，其最大機械偏轉(zhuǎn)角度為±30°，對應(yīng)的最大光學偏轉(zhuǎn)角度為±60°，那么對于單個組件來說最大水平輻射角度便可以達到120°。如果我們將120°水平輻射角度按200 份等分的話，其帶動的反射鏡片可實現(xiàn)最快信號階躍響應(yīng)時間為0.5 ms，也就是說我們在水平掃射120°輻射角度的時候，最慢可以在100 ms 內(nèi)完成，如果我們將等分的份數(shù)減少，其甚至最快可以實現(xiàn)在4 ms 內(nèi)完成120°水平輻射角度的全掃描。

1.2.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

該驅(qū)動模塊配套6240HM50A 型電機設(shè)計，根據(jù)其負載情況與小信號階躍響應(yīng)要求，我們采用全模擬電路設(shè)計，以確保電機偏轉(zhuǎn)角度的可連續(xù)性與響應(yīng)速度。驅(qū)動模塊包含輸入信號放大電路、實時響應(yīng)比較電路、PI 調(diào)節(jié)電路、過載過溫保護電路等，并特別設(shè)計有工況模擬電路，可利用示波器與信號發(fā)生器模擬實際工況，對振鏡電機在不同負載下的信號響應(yīng)速度與大小信號階躍時間進行調(diào)整，以便振鏡電機能滿足不同工況的需求，還包含實時位置信號輸出電路，以便控制系統(tǒng)能確保振鏡電機在各個激光光束組出射位置穩(wěn)定停留，減少電機偏轉(zhuǎn)抖動帶來的環(huán)境描繪誤差。

1.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

利用DSP芯片TMS320F28377D作為主控芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)電機偏轉(zhuǎn)角度與激光光束組出射時間的閉環(huán)聯(lián)動，由于DSP28377D 集成有DA 輸出與AD 采樣單元，我們可以直接使用DA輸出單元作為振鏡電機的位置信號輸入接口，并在中間采用IS0122JU 芯片作為磁性隔離芯片，減少噪聲信號輸入帶來的電機抖動；利用DSP 芯片自帶的AD 采樣單元作為振鏡電機實時位置信號的監(jiān)控接口，同樣在傳輸過程中采用磁性隔離芯片IS0122JU 芯片作為模擬信號隔離芯片，以確保電機到位的第一時間完成激光光束組的出射過程，提高整套系統(tǒng)的響應(yīng)時間，更高效地完成對周圍環(huán)境的動態(tài)掃描與立體描繪。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于整套系統(tǒng)軟件部分來說，主要需要處理激光出射端、光學掃描、激光接收端的同步運行和數(shù)據(jù)的同步運算，以確保系統(tǒng)的實時性與數(shù)據(jù)的準確性。借用主控芯片的雙核運算能力，CPU1 用于協(xié)調(diào)并記錄出射端激光器的激光光束出射時間、振鏡電機的偏轉(zhuǎn)角度與偏轉(zhuǎn)時間以及接收端接收到反射激光的時間差，并將這些數(shù)據(jù)分類處理后儲存于片外SDRAM 內(nèi)；而CPU2 則是需要通過數(shù)據(jù)線與地址線快速訪問片外SDRAM，對其中分類存儲的出射激光發(fā)出時間與反射激光接收時間差、每條激光線出射角度差、激光光束組之間的水平出射間距與夾角等數(shù)據(jù)進行綜合分析運算，形成大量點狀數(shù)據(jù)云，通過CAN 總線方式傳輸給車載中央CPU，以便中央CPU 能同步實現(xiàn)對整車不同位置搭載的多個混合型固態(tài)激光雷達數(shù)據(jù)并行分析處理，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時結(jié)合視覺雷達、毫米波雷達以及環(huán)境大數(shù)據(jù)進行綜合處理后，最終形成自動駕駛過程中的整套環(huán)境數(shù)據(jù)，以便自動駕駛過程能夠安全可靠地高效進行。

2 結(jié)論

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計混合型固態(tài)激光雷達掃描系統(tǒng)的過程中，既要強調(diào)振鏡電機自身快速掃描的實效性與偏轉(zhuǎn)角度的精準性，還要確保振鏡電機與整套系統(tǒng)，無論在每線激光的光學夾角上，還是在電機偏轉(zhuǎn)的時間契合度上，都需要與整套系統(tǒng)完美融合，才能實現(xiàn)混合型固態(tài)激光雷達的正常運轉(zhuǎn)。因此在每一個設(shè)計環(huán)節(jié)當中，不僅要考慮到該環(huán)節(jié)的可靠性，還要充分認識到其在整套系統(tǒng)當中的協(xié)同性，只有經(jīng)過充分的理論認證與科學實踐，才能夠完全依賴這種混合型固態(tài)激光雷達掃描系統(tǒng)，使自動駕駛汽車安全可靠地行駛在道路上。