一種新型掃描系統在無人駕駛激光雷達上的應用

江南雨

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

隨著無人駕駛技術的快速發展，開發一整套成熟的車載傳感系統來感知車輛周圍環境，并根據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的技術路線仍存在爭議，所采用的傳感器組合方式也各有側重。但是，對于未來的發展趨勢，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同使用是實現一整套成熟車載傳感系統的必經之路。

在環境感知中，目前每一種車載傳感器均存在各自的優勢和劣勢：毫米波雷達具備成本優勢，擁有低分辨率測距能力，用以應付惡劣天氣；而車載攝像頭能夠感知環境色彩，在分辨率較高的情況下，對于細節分辨表現更為優異；激光雷達則能夠實現對周圍環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勢，其對環境的三維構建能力更強。可見，從技術和成本的適用性出發，采取多種傳感器的協同使用，將能提供車輛周圍環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，則是通往多傳感器融合技術方案乃至自動駕駛的重要障礙。

對于激光雷達，如果從結構上看，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激光雷達。我們可以用硬盤行業作為類比，早期的機械式硬盤其內部是通過磁臂、磁頭和磁盤等部件之間的機械轉動來進行數據存儲，而新一代的固態硬盤則是通過存儲器內部半導體單元的通斷電進行數據的讀取和寫入，在取代了傳統機械轉動部件后，其無論在體積、質量、可靠性上都有著顯著提升。這些優勢同樣也體現在固態激光雷達上，在去除可視性機械轉動部件后，單次掃描效率提高，單位時間內可獲得更多點數據云；減少運動部件，降低設備故障率，提高運行可靠性；固態器件體積小、質量輕，可以集成到車身內部，減少對整車外形與安全影響。

對于固態激光雷達，目前已經被行業認可的技術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激光雷達，而Flash 方案則可歸為非掃描式固態激光雷達。它們既有各自的優點，同時也存在相應不足。

MEMS（微機電系統），也叫作微電子機械系統、微系統、微機械等，通俗來說就是將原方案中體積較大的機械結構通過改變設計方案進行微型化處理。傳統的機械式激光雷達為了實現掃描，必須使激光發射器轉動，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），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，形成穩定的強弱分布現象），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，產生偏轉，通過控制偏轉方向，使激光光束實現對不同方向的掃描。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。

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 方式會對探測環境進行掃描，而是對探測區域發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。

對于未來固態激光雷達發展方向，美國Velodyne 公司作為激光雷達的開創者，給出了它的答案。其在推出了32線、64 線傳統機械式激光雷達后，又推出了新款16 線混合固態激光雷達。而該方式的激光雷達則為Velodyne 公司在行業內首次提出。是指外形上不存在可視旋轉部件，但為了滿足探測視角需求，將機械掃描部件設計得十分精巧，可內置于激光雷達內部而已。這種混合固態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 型激光雷達只能發射小功率激光光束、探測距離過近等問題，又同時擁有固態激光雷達相較于機械式激光雷達的各類優勢。

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

1 混合型固態激光雷達動態掃描器件的設計方案

1.1 系統總體設計思路

結合混合型固態激光雷達掃描需求，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角度，來反射激光器發出激光光束，從而實現大角度掃描需求的系統設計方案。

在發射端，可以根據需求，利用多個激光發射器在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，其中的每個激光發射器都可以當做1 線，使用多少個激光發射器便可稱為多少線激光雷達，線數越多，采集的環境數據越精準。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軸方向上轉動掃描，每轉動一個固定角度，發射一次激光，從而實現對周圍環境的二維廣角掃射，并通過對出射激光反射回來形成的點狀云數據進行解析，從而完成對周圍環境的測量與描繪。

對于系統控制部分而言，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射電路、電機驅動電路、電機偏轉角度監測電路等相關電路，而芯片外圍電路則包含SDRAM 電路、時鐘電路、供電電路、復位電路、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），專為電機高級閉環控制應用而設計，支持全新的雙核C28x 架構，每個內核均可提供200 MHz 的數據處理能力，允許設計人員整合控制架構，實現高端系統對多處理器的需求。雙C28x+CLA 架構則可以在多系統任務之間實現并行運行，例如，一個C28x+CLA 內核可用于處理實時反饋數據，而另一個C28x+CLA 內核則可用于速度與位置的閉環控制。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 實時控制協處理器，該CLA 協處理器可以對外設觸發器作出快速響應，并與其對應的主CPU 同步執行代碼，這種并行的處理數據功能可以有效加快實時控制系統中的運算能力，更加有利于實現對振鏡電機偏轉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控。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 振鏡電機及反射鏡片組件設計

在振鏡電機與反射鏡片的組件設計上，我們采用CTI公司的6240HM50A 型電機，其最大機械偏轉角度為±30°，對應的最大光學偏轉角度為±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最快信號階躍響應時間為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 內完成，如果我們將等分的份數減少，其甚至最快可以實現在4 ms 內完成120°水平輻射角度的全掃描。

1.2.2 電機驅動模塊設計

該驅動模塊配套6240HM50A 型電機設計，根據其負載情況與小信號階躍響應要求，我們采用全模擬電路設計，以確保電機偏轉角度的可連續性與響應速度。驅動模塊包含輸入信號放大電路、實時響應比較電路、PI 調節電路、過載過溫保護電路等，并特別設計有工況模擬電路，可利用示波器與信號發生器模擬實際工況，對振鏡電機在不同負載下的信號響應速度與大小信號階躍時間進行調整，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，以便控制系統能確保振鏡電機在各個激光光束組出射位置穩定停留，減少電機偏轉抖動帶來的環境描繪誤差。

1.2.3 控制系統設計

利用DSP芯片TMS320F28377D作為主控芯片的數字控制系統來實現電機偏轉角度與激光光束組出射時間的閉環聯動，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，提高整套系統的響應時間，更高效地完成對周圍環境的動態掃描與立體描繪。

1.3 系統軟件設計

對于整套系統軟件部分來說，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據的同步運算，以確保系統的實時性與數據的準確性。借用主控芯片的雙核運算能力，CPU1 用于協調并記錄出射端激光器的激光光束出射時間、振鏡電機的偏轉角度與偏轉時間以及接收端接收到反射激光的時間差，并將這些數據分類處理后儲存于片外SDRAM 內；而CPU2 則是需要通過數據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據進行綜合分析運算，形成大量點狀數據云，通過CAN 總線方式傳輸給車載中央CPU，以便中央CPU 能同步實現對整車不同位置搭載的多個混合型固態激光雷達數據并行分析處理，提升系統響應速度，同時結合視覺雷達、毫米波雷達以及環境大數據進行綜合處理后，最終形成自動駕駛過程中的整套環境數據，以便自動駕駛過程能夠安全可靠地高效進行。

2 結論

通過以上研究可以發現，在設計混合型固態激光雷達掃描系統的過程中，既要強調振鏡電機自身快速掃描的實效性與偏轉角度的精準性，還要確保振鏡電機與整套系統，無論在每線激光的光學夾角上，還是在電機偏轉的時間契合度上，都需要與整套系統完美融合，才能實現混合型固態激光雷達的正常運轉。因此在每一個設計環節當中，不僅要考慮到該環節的可靠性，還要充分認識到其在整套系統當中的協同性，只有經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激光雷達掃描系統，使自動駕駛汽車安全可靠地行駛在道路上。