一种新型扫描系统在无人驾驶激光雷达上的应用

江南雨

（武汉理工大学，湖北 武汉 430000）

随着无人驾驶技术的快速发展，开发一整套成熟的车载传感系统来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的车辆位置信息、道路信息和障碍物信息，自动控制车辆的转向和速度，使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶显得尤为重要。

目前，对于自动驾驶车载传感系统的技术路线仍存在争议，所采用的传感器组合方式也各有侧重。但是，对于未来的发展趋势，主流观点趋同，认为毫米波雷达、激光雷达和视觉摄像头等多种类传感器的协同使用是实现一整套成熟车载传感系统的必经之路。

在环境感知中，目前每一种车载传感器均存在各自的优势和劣势：毫米波雷达具备成本优势，拥有低分辨率测距能力，用以应付恶劣天气；而车载摄像头能够感知环境色彩，在分辨率较高的情况下，对于细节分辨表现更为优异；激光雷达则能够实现对周围环境三维尺度信息的感知，其在探测距离、夜景模式、高可靠性上均有着不可取代的重要优势，其对环境的三维构建能力更强。可见，从技术和成本的适用性出发，采取多种传感器的协同使用，将能提供车辆周围环境更加立体的绘图信息。就目前而言，如何完成高性能激光雷达的成本控制和实用化量产，则是通往多传感器融合技术方案乃至自动驾驶的重要障碍。

对于激光雷达，如果从结构上看，主要有两种形式，早期的机械式激光雷达以及近年来逐渐被重视的固态激光雷达。我们可以用硬盘行业作为类比，早期的机械式硬盘其内部是通过磁臂、磁头和磁盘等部件之间的机械转动来进行数据存储，而新一代的固态硬盘则是通过存储器内部半导体单元的通断电进行数据的读取和写入，在取代了传统机械转动部件后，其无论在体积、质量、可靠性上都有着显著提升。这些优势同样也体现在固态激光雷达上，在去除可视性机械转动部件后，单次扫描效率提高，单位时间内可获得更多点数据云；减少运动部件，降低设备故障率，提高运行可靠性；固态器件体积小、质量轻，可以集成到车身内部，减少对整车外形与安全影响。

对于固态激光雷达，目前已经被行业认可的技术方案可归类为三种方式：MEMS、OPA 和Flash。其中MEMS 和OPA 可以将其归为扫描式固态激光雷达，而Flash 方案则可归为非扫描式固态激光雷达。它们既有各自的优点，同时也存在相应不足。

MEMS（微机电系统），也叫作微电子机械系统、微系统、微机械等，通俗来说就是将原方案中体积较大的机械结构通过改变设计方案进行微型化处理。传统的机械式激光雷达为了实现扫描，必须使激光发射器转动，而MEMS 方式则可以在激光雷达中集成体积精密的微型振镜，由可以快速跳动的微型振镜来多角度改变激光光束方向，从而实现扫描。但由于微振镜存在一定激光光束功率限制，明显地影响了其探测障碍物的距离。

OPA（光学相控阵技术），运用干涉原理（光波在空间相遇时，在等相位始终加强，在非等相位则始终削弱，形成稳定的强弱分布现象），使用多个光源组成光学相控阵列，通过控制各光源的相位差，使等相位面不再垂直于波导方向，产生偏转，通过控制偏转方向，使激光光束实现对不同方向的扫描。然而，光学相控阵芯片加工难度较大，要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，而激光雷达多使用近红外光波（波长一般为950 nm 左右），也就意味着所有阵列单元的尺寸在500 nm 以内。

Flash，原本的意思为闪耀、闪光，而Flash 方式的激光雷达原理也是类似。它不同于MEMS 方式或OPA 方式会对探测环境进行扫描，而是对探测区域发射出一大片全面覆盖的红外光波，再配以高精度感光器件来接收反射光束，通过对探测到的光束时间差进行计算和分析，从而完成对周围环境的绘制。但其同样也存在探测距离较近、可靠性不高等重要缺陷。

对于未来固态激光雷达发展方向，美国Velodyne 公司作为激光雷达的开创者，给出了它的答案。其在推出了32线、64 线传统机械式激光雷达后，又推出了新款16 线混合固态激光雷达。而该方式的激光雷达则为Velodyne 公司在行业内首次提出。是指外形上不存在可视旋转部件，但为了满足探测视角需求，将机械扫描部件设计得十分精巧，可内置于激光雷达内部而已。这种混合固态激光雷达我们可以近似地理解为一种改进型的MEMS，其解决了MEMS 型激光雷达只能发射小功率激光光束、探测距离过近等问题，又同时拥有固态激光雷达相较于机械式激光雷达的各类优势。

因此，混合固态激光雷达成为了当前市场主流发展方向，其组成总体上可分为激光发射端、反射光接收端、光学扫描器件和运算控制系统。其中光学扫描器件则是混合固态激光雷达中的核心组成部分，是区别于常规固态激光雷达的关键所在。

1 混合型固态激光雷达动态扫描器件的设计方案

1.1 系统总体设计思路

结合混合型固态激光雷达扫描需求，可以采用DSP 芯片作为主控芯片，实时地高精度控制振镜电机偏转角度，来反射激光器发出激光光束，从而实现大角度扫描需求的系统设计方案。

在发射端，可以根据需求，利用多个激光发射器在Y轴方向上采用已知的固定角度排列组合，形成条状探测光束组，其中的每个激光发射器都可以当做1 线，使用多少个激光发射器便可称为多少线激光雷达，线数越多，采集的环境数据越精准。将激光光束组照射到振镜电机带动的反射镜片上，使激光光束组在X轴方向上转动扫描，每转动一个固定角度，发射一次激光，从而实现对周围环境的二维广角扫射，并通过对出射激光反射回来形成的点状云数据进行解析，从而完成对周围环境的测量与描绘。

对于系统控制部分而言，其核心控制芯片为TI 公司近年来新推出的DSP 芯片TMS320F28377D，在其外部配套有激光发射电路、电机驱动电路、电机偏转角度监测电路等相关电路，而芯片外围电路则包含SDRAM 电路、时钟电路、供电电路、复位电路、DA 输出与AD 采样电路等。TMS320F28377D 为一款强大的 32 位浮点微控制单元（MCU），专为电机高级闭环控制应用而设计，支持全新的双核C28x 架构，每个内核均可提供200 MHz 的数据处理能力，允许设计人员整合控制架构，实现高端系统对多处理器的需求。双C28x+CLA 架构则可以在多系统任务之间实现并行运行，例如，一个C28x+CLA 内核可用于处理实时反馈数据，而另一个C28x+CLA 内核则可用于速度与位置的闭环控制。并且该芯片通过新型TMU 加速器和VCU 加速器使信号处理能力得到进一步提高。其中TMU 加速器能够快速执行各类运算中常见的三角运算的算法；而VCU OP2004D 微控制器具有两个CLA 实时控制协处理器，该CLA 协处理器可以对外设触发器作出快速响应，并与其对应的主CPU 同步执行代码，这种并行的处理数据功能可以有效加快实时控制系统中的运算能力，更加有利于实现对振镜电机偏转角度进行高精度的实时控制和对激光反射镜片位置信号的实时监控。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 振镜电机及反射镜片组件设计

在振镜电机与反射镜片的组件设计上，我们采用CTI公司的6240HM50A 型电机，其最大机械偏转角度为±30°，对应的最大光学偏转角度为±60°，那么对于单个组件来说最大水平辐射角度便可以达到120°。如果我们将120°水平辐射角度按200 份等分的话，其带动的反射镜片可实现最快信号阶跃响应时间为0.5 ms，也就是说我们在水平扫射120°辐射角度的时候，最慢可以在100 ms 内完成，如果我们将等分的份数减少，其甚至最快可以实现在4 ms 内完成120°水平辐射角度的全扫描。

1.2.2 电机驱动模块设计

该驱动模块配套6240HM50A 型电机设计，根据其负载情况与小信号阶跃响应要求，我们采用全模拟电路设计，以确保电机偏转角度的可连续性与响应速度。驱动模块包含输入信号放大电路、实时响应比较电路、PI 调节电路、过载过温保护电路等，并特别设计有工况模拟电路，可利用示波器与信号发生器模拟实际工况，对振镜电机在不同负载下的信号响应速度与大小信号阶跃时间进行调整，以便振镜电机能满足不同工况的需求，还包含实时位置信号输出电路，以便控制系统能确保振镜电机在各个激光光束组出射位置稳定停留，减少电机偏转抖动带来的环境描绘误差。

1.2.3 控制系统设计

利用DSP芯片TMS320F28377D作为主控芯片的数字控制系统来实现电机偏转角度与激光光束组出射时间的闭环联动，由于DSP28377D 集成有DA 输出与AD 采样单元，我们可以直接使用DA输出单元作为振镜电机的位置信号输入接口，并在中间采用IS0122JU 芯片作为磁性隔离芯片，减少噪声信号输入带来的电机抖动；利用DSP 芯片自带的AD 采样单元作为振镜电机实时位置信号的监控接口，同样在传输过程中采用磁性隔离芯片IS0122JU 芯片作为模拟信号隔离芯片，以确保电机到位的第一时间完成激光光束组的出射过程，提高整套系统的响应时间，更高效地完成对周围环境的动态扫描与立体描绘。

1.3 系统软件设计

对于整套系统软件部分来说，主要需要处理激光出射端、光学扫描、激光接收端的同步运行和数据的同步运算，以确保系统的实时性与数据的准确性。借用主控芯片的双核运算能力，CPU1 用于协调并记录出射端激光器的激光光束出射时间、振镜电机的偏转角度与偏转时间以及接收端接收到反射激光的时间差，并将这些数据分类处理后储存于片外SDRAM 内；而CPU2 则是需要通过数据线与地址线快速访问片外SDRAM，对其中分类存储的出射激光发出时间与反射激光接收时间差、每条激光线出射角度差、激光光束组之间的水平出射间距与夹角等数据进行综合分析运算，形成大量点状数据云，通过CAN 总线方式传输给车载中央CPU，以便中央CPU 能同步实现对整车不同位置搭载的多个混合型固态激光雷达数据并行分析处理，提升系统响应速度，同时结合视觉雷达、毫米波雷达以及环境大数据进行综合处理后，最终形成自动驾驶过程中的整套环境数据，以便自动驾驶过程能够安全可靠地高效进行。

2 结论

通过以上研究可以发现，在设计混合型固态激光雷达扫描系统的过程中，既要强调振镜电机自身快速扫描的实效性与偏转角度的精准性，还要确保振镜电机与整套系统，无论在每线激光的光学夹角上，还是在电机偏转的时间契合度上，都需要与整套系统完美融合，才能实现混合型固态激光雷达的正常运转。因此在每一个设计环节当中，不仅要考虑到该环节的可靠性，还要充分认识到其在整套系统当中的协同性，只有经过充分的理论认证与科学实践，才能够完全依赖这种混合型固态激光雷达扫描系统，使自动驾驶汽车安全可靠地行驶在道路上。