激光雷達掃描反射鏡結構有限元分析*

張文博

(蘇州旭創(chuàng)科技有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 引 言

激光雷達是利用特定波長的激光信號對障礙物表面進行主動式掃描來獲取障礙物表面信息[1]，其不易受環(huán)境光的影響，抗干擾能力強，具有良好方向性以及相干性，可以實現(xiàn)高精度測量，因此激光雷達技術在障礙探測以及環(huán)境重建方面具有明顯的優(yōu)勢[2-3]。根據(jù)掃描方式類型不同，激光雷達可以分為機械旋轉激光雷達、混合固態(tài)激光雷達和固態(tài)激光雷達。作為無人駕駛車障礙物探測的主要傳感器，目前應用較多的是機械旋轉激光雷達，對車輛周圍360°環(huán)境進行掃描測量[4]。

近年來隨著無人駕駛技術的迅速發(fā)展，國內外眾多科研機構、公司等對此都展開了較為深入的研究。就國外而言，美國Velodyne公司開發(fā)的產品HDL-64E、HDL-32E、VLP-16分別為64線、32線及16線的360°全景激光雷達，掃描方式均為機械旋轉式，即將激光器、探測器和信號處理單元作為上端運動部件進行整體旋轉[5]。德國IBeo公司的LUX系列4線和8線激光雷達產品掃描方式也為機械旋轉式，但旋轉掃描采用一定范圍掃描而非360°掃描，其激光器和探測器均設置為固定部件，旋轉部件只需要采用輕質的轉鏡，使得光束滿足一定范圍內的掃描[6]。以色列Innoviz公司開發(fā)的激光雷達利用MEMS微振鏡，即采用半導體生成工藝把微光反射鏡與MEMS驅動器集成到單個芯片進行掃描，屬于混合固態(tài)激光雷達[7]。美國Quanergy公司S3激光雷達采用了光波導相控陣激光雷達技術，通過調節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差改變激光的出射角度，屬于固態(tài)激光雷達[8]。

國內一些科研院校和公司在激光雷達方面也有一定的研究積累。西安電子科技大學沈辰弋等人通過俯仰鏡片掃描實現(xiàn)了空間二維掃描[9]。南京理工大學陳懷波等人基于45°轉鏡掃描方式提出了一種車載線陣激光雷達全新的周向掃描成像體制[10]。國防科學技術大學胡春生等人研制了一種三維高速掃描激光雷達[11]。西安理工大學蔣猛等人研究了一種機械旋轉激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)對障礙物的水平掃描[12]。上海技術物理研究所陳育偉等人提出了一種機載用的線掃描激光雷達[13]。還有北京北科天繪、深圳速騰聚創(chuàng)和深圳鐳神智能等企業(yè)已經量產機械旋轉16線和32線激光雷達。

目前，機械旋轉激光雷達根據(jù)轉鏡掃描方式有擺鏡掃描、45°轉鏡掃描、雙(單)面鏡掃描和旋轉多面鏡掃描四種方式。擺鏡掃描的優(yōu)點是掃描效率高，但缺點是掃描幅寬窄，如果掃描角度偏大或使用雙向掃描，尺寸過大，穩(wěn)定性也差。45°轉鏡掃描的優(yōu)點是掃描鏡尺寸小，總視場大，但缺點是焦平面會出現(xiàn)像旋現(xiàn)象，若不消除像旋現(xiàn)象，則不能應用于陣列探測器。雙(單)面鏡掃描的優(yōu)點是沒有像旋，適合在線列、面陣探測器中使用，但缺點是掃描效率低。當掃描角度較大時，鏡面體積龐大，當系統(tǒng)瞬時視場較小時，對雙面鏡的面平行度及面形精度有較高要求[14]。因此，本文采用的是旋轉多面鏡掃描方式，它的優(yōu)勢在于掃描范圍大、掃描速度快、分辨率高且技術應用成熟。

機械旋轉激光雷達是通過一定的軸系來維持整個系統(tǒng)的運轉，掃描結構作為機械旋轉激光雷達中的關鍵結構之一，高速旋轉或受到外界沖擊會直接引起測距和測角誤差，故掃描結構的工作精度直接影響系統(tǒng)的測量精度[15]，而反射鏡結構的高剛強度和高穩(wěn)定性直接與掃描結構的工作精度有關，故本文以激光雷達掃描反射鏡為主要研究對象進行分析。

1 有限元建模

本文中激光雷達的掃描結構包括軸、反射鏡、磁鋼、硅鋼片、軸承等，裝配后的二維剖視圖如圖1所示，其中反射鏡采用的是掃描三面棱鏡，三個反射面以垂直軸為中心軸掃描，以實現(xiàn)掃描視場大和角度精度高等目的。為便于分析計算，硅鋼片和軸承作簡化處理。其中主要掃描結構具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 掃描結構材料參數(shù)

在設定關聯(lián)中心為中等、全局單元尺寸為3 mm的提前下對掃描結構進行網格劃分，其中平滑設置為中等、過渡設置為緩慢，劃分后的模型如圖2所示，共計14 814個節(jié)點和68 428個單元。

圖1 二維剖視圖 圖2 網格模型

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是對掃描結構進行動力學分析的首要步驟，目的在于確定掃描結構的各階固有頻率和模態(tài)振型，是動力學分析的基礎。由于求解的是掃描結構的整體模態(tài)，所以必須在ANSYS Workbench中先用接觸對的方法將各個結構耦合在一起，否則求解的將是各個結構的單個模態(tài)。

由于在低階模態(tài)下對系統(tǒng)的振動有較大影響，故只計算掃描結構在自由模態(tài)下前六階固有頻率，表2所示是掃描結構第一階到第六階固有頻率。

表2 模態(tài)階數(shù)與頻率 /Hz

由于驅動電機旋轉產生的振動對掃描結構來說為外界激勵，最大轉速3 000 r/min對應的最大轉動頻率為50 Hz，遠小于掃描結構的第一階固有頻率1 777.2 Hz，故掃描結構不會發(fā)生共振。

3 動力學分析

ANSYS Workbench中通過定義接觸對傳遞動力來模擬真實傳動情況。軸底部對地設為固定約束，小軸承與反射鏡和大軸承與反射鏡間的接觸類型均設置為無摩擦接觸，其中反射鏡相對軸設置為轉動鉸鏈，在轉動鉸鏈上加載轉速為314 rad/s，加載后的有限元模型如圖3所示。

圖3 加載后的有限元模型

作用時間為0.04 s，其中0～0.01 s時間段采用漸變載荷，設置子步初始步數(shù)、最小步數(shù)、最大步數(shù)分別為800、100、1 000，求解分析反射鏡結構的位移和應力，提取的位移云圖和應力云圖分別如圖4、5所示。

圖4 位移云圖 圖5 應力云圖

由位移云圖可知，變形發(fā)生在整個反射鏡上，且離軸心越遠變形越大，最大位移值為103.97 mm，所以反射鏡最大變形為0.05 mm(反射鏡繞軸線的最大旋轉半徑為51.96 mm),此變形小于所允許的最大變形值0.1 mm，說明反射鏡結構在工作過程中剛度是足夠的。

由應力云圖可知，最大應力值為150.72 MPa，位于反射鏡與小軸承結合面處，應力值小于反射鏡材料AL6061-T6的屈服應力值210 MPa，說明反射鏡結構在工作過程中也具有足夠的強度。

4 沖擊分析

掃描結構需要滿足一定的沖擊條件，故在ANSYS workbench方向加速度公式里輸入500*sin(285.6*time)，即采用半正弦波沖擊，其中加速度大小為500 m/s2，持續(xù)時間為11 ms，其中軸對地設為鉸鏈約束，Z向即軸向為自由約束，提取的位移云圖和應力云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 位移云圖 圖7 應力云圖

由位移云圖可知，最大位移為0.019 163 mm，此值小于所允許的最大變形值0.1 mm，說明反射鏡結構在沖擊載荷下剛度是足夠的。

由應力云圖可知，最大應力為4.8524E-4 MPa，位于反射鏡大軸承臺階端，遠小于材料AL6061-T6的屈服應力210 MPa，說明反射鏡結構在沖擊載荷下也具有足夠的強度。

5 結 論

(1) 通過對激光雷達掃描反射鏡結構進行動力學分析得到其工作過程中的等效位移云圖和等效應力云圖。由位移云圖可知最大變形位于反射面邊緣處，而激光束照射在每個反射面發(fā)生漸暈現(xiàn)象的地方也在反射面邊緣處，為了保證反射鏡在水平方向有效的視場角，故可以適當增大反射鏡的旋轉半徑。由應力云圖可知最大應力位于反射鏡與軸承結合面處，為了減小反射鏡和軸承之間相對轉動，延長反射鏡的使用壽命，故在產品裝配時需保證反射鏡與軸承外圈相對固定。

(2) 沖擊載荷下的有限元分析結果也表明反射鏡結構具有足夠的剛度和強度，說明沖擊載荷引起反射鏡的抖動對垂直方向上的角度分辨率沒太大影響。

(3) 基于動力學和沖擊分析能有效地實現(xiàn)對掃描反射鏡在工作過程中和沖擊載荷下的真實模擬，合理地獲得反射鏡的位移和應力分布，可指導完成反射鏡結構及其系統(tǒng)的優(yōu)化設計。