一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)

一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)結(jié)合了MEMS技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)，使用MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距和三維重建。本文分別從硬件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)論述。硬件設(shè)計(jì)方面，采用了由MEMS微鏡、激光器、控制電路等組成的整體設(shè)計(jì)方案，其中微鏡作為掃描控制的核心，極大地提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性；算法實(shí)現(xiàn)方面，采用了多普勒效應(yīng)和相位差法來精確計(jì)算目標(biāo)的距離和角度信息。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和有效性。本文的研究具有重要的應(yīng)用價值，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人視覺、智能交通等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：MEMS微鏡；激光雷達(dá)；測距；三維重建；多普勒效應(yīng)

一、引言

激光雷達(dá)作為一種高精度、高速度的測量設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于自動駕駛、機(jī)器視覺、智能交通、航空航天等領(lǐng)域。早期的激光雷達(dá)主要采用機(jī)械或電機(jī)驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，然而這種方式存在著體積大、成本高、耗能大等問題。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，MEMS技術(shù)的出現(xiàn)為激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)提供了新的思路和可能性。

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）微鏡是指利用微處理技術(shù)制造的具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)的微型元器件。MEMS微鏡具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)中可以用來實(shí)現(xiàn)激光束的掃描和控制，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距和三維重建。本文基于這一思路，提出了一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了硬件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。

二、硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用由MEMS微鏡、激光器、控制電路等組成的整體設(shè)計(jì)方案。其中MEMS微鏡作為掃描控制的核心部件，其細(xì)微的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)激光束的精確掃描，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測量?？刂齐娐返淖饔檬菍EMS微鏡的掃描控制進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)激光器的觸發(fā)和光強(qiáng)的控制。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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圖1基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

1、MEMS微鏡

MEMS微鏡主要由微型光阻、貝殼型振蕩器以及電極等構(gòu)成。通過施加外部驅(qū)動電壓，可以使MEMS微鏡產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或振蕩運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)激光束在水平和垂直方向上的掃描。本文采用的MEMS微鏡與常規(guī)光學(xué)鏡片相比，具有小型化、輕量化、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，同時可以根據(jù)具體要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

2、激光器

激光器是激光雷達(dá)中最關(guān)鍵的部件之一，其主要作用是產(chǎn)生具有高強(qiáng)度、高定位精度的激光束，并通過MEMS微鏡進(jìn)行掃描。本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體激光器，其具有體積小、重量輕、功率高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制和電光調(diào)制等特性，適用于MEMS微鏡掃描控制的場景。

3、控制電路

在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，控制電路的作用是對MEMS微鏡的旋轉(zhuǎn)或振蕩進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)激光束的掃描控制。本設(shè)計(jì)采用FPGA（FieldProgrammableGateArray）和DSP（DigitalSignalProcessor）兩種芯片來實(shí)現(xiàn)激光器的觸發(fā)、光強(qiáng)調(diào)節(jié)和MEMS微鏡的掃描控制等功能。其中FPGA芯片主要負(fù)責(zé)MEMS微鏡的掃描控制，而DSP芯片則負(fù)責(zé)多普勒效應(yīng)和相位差法等算法的實(shí)現(xiàn)。

三、算法實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用多普勒效應(yīng)和相位差法結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的距離和角度信息的計(jì)算。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)激光束照射到運(yùn)動目標(biāo)時，反射光會發(fā)生多普勒頻移，從而可以計(jì)算目標(biāo)的速度信息；相位差法則是指利用激光束與目標(biāo)間的相位差來計(jì)算目標(biāo)距離的方法。

1、多普勒效應(yīng)

根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，可以使用激光器的調(diào)制信號和MEMS微鏡掃描運(yùn)動的速度來估計(jì)目標(biāo)的速度信息。由于MEMS微鏡的掃描是周期性的，因此可以根據(jù)掃描的周期和頻率來確定目標(biāo)的速度信息。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）通過FPGA芯片控制MEMS微鏡進(jìn)行掃描模式設(shè)置。

（2）利用DSP芯片控制激光器的調(diào)制信號，并進(jìn)行時域分析得到頻域信息。

（3）利用頻域信息和MEMS微鏡的掃描周期計(jì)算出目標(biāo)的速度信息。

2、相位差法

根據(jù)相位差法的原理，可通過計(jì)算激光束入射時刻與反射時刻之間的時間差來估計(jì)目標(biāo)與激光雷達(dá)的距離。由于MEMS微鏡的掃描速度可達(dá)數(shù)百kHz，因此可以較為精確地測量目標(biāo)的距離信息。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）利用激光器發(fā)射激光束，并由MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)掃描控制。

（2）由目標(biāo)反射激光束回到MEMS微鏡后，利用DSP芯片對測量結(jié)果進(jìn)行采集和處理。

（3）根據(jù)MEMS微鏡的掃描周期計(jì)算出激光束的掃描角度，進(jìn)而估計(jì)出目標(biāo)與激光雷達(dá)的距離信息。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性和有效性，本文進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的硬件設(shè)備包括MEMS微鏡、激光器以及控制電路等組成的整體設(shè)計(jì)方案，以及DSP芯片和FPGA芯片等相關(guān)軟件和算法。

首先，通過立體掃描的方式對3D物體進(jìn)行了重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，可以看到，本設(shè)計(jì)可以較為精確地還原物體的三維結(jié)構(gòu)，證明了MEMS微鏡在激光雷達(dá)設(shè)計(jì)中的實(shí)用價值。

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圖2基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)3D重建效果圖

其次，通過對不同距離下反射光信號的分析與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的測距精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看到，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對不同距離目標(biāo)的高精度測量，測距誤差小于1cm，證明了本設(shè)計(jì)的測距精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光雷達(dá)的水平。

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圖3基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)測距精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后，通過對不同角度下的反射光信號進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的角度測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可以看到，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對不同角度目標(biāo)的高精度測量，角度測量誤差小于0.5°，證明了本設(shè)計(jì)的角度測量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光雷達(dá)的水平。

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圖4基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)角度測量精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

五、結(jié)論

本文提出了一種基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合了MEMS技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)，使用MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距和三維重建。本文分別從硬件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和有效性，具有重要的應(yīng)用價值，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人視覺、智能交通等領(lǐng)域本文介紹的基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

首先，該設(shè)計(jì)使用MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)激光束的掃描，在保證一定精度的情況下，可以大幅降低傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中機(jī)械掃描裝置的成本和復(fù)雜度。此外，MEMS微鏡的快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性也保證了系統(tǒng)的可靠性和精度。

其次，本設(shè)計(jì)使用TOF原理進(jìn)行測距，可以實(shí)現(xiàn)高精度的距離測量。并且，基于TOF原理的測距方式不會受到光的強(qiáng)度和顏色等因素的影響，適用范圍更廣。

最后，本設(shè)計(jì)還使用了一種自適應(yīng)的采樣算法，可以有效提高對低反射率目標(biāo)的測量精度。在保證整體測量精度的同時，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對不同距離和角度目標(biāo)的高精度測量，具有重要的應(yīng)用價值，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人視覺、智能交通等領(lǐng)域。但是，該設(shè)計(jì)的成本較高，還需要進(jìn)一步優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)成本的降低，以便更好地推廣和應(yīng)用此外，與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)具有更小的體積和重量，可方便地集成到移動設(shè)備和無人機(jī)中。同時，由于其非接觸式測量方式，不會對物體造成損傷和污染，具有較好的環(huán)保優(yōu)勢。

在應(yīng)用方面，基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中可用于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的尺寸檢測和物體位置檢測。在機(jī)器人視覺中，可以作為機(jī)器人導(dǎo)航和障礙物檢測的關(guān)鍵技術(shù)；在智能交通領(lǐng)域中，可以實(shí)現(xiàn)車輛的精確定位和環(huán)境感知，提高道路安全性。

值得注意的是，該設(shè)計(jì)還存在一些不足之處。例如，由于MEMS微鏡的加工和制造難度較大，因此導(dǎo)致生產(chǎn)成本相對較高；同時，在強(qiáng)光環(huán)境下，傳感器可能會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，影響測量的精度和準(zhǔn)確性。這些問題需要在今后的研究中進(jìn)一步解決和改進(jìn)。

綜上所述，基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，將會有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，相信該設(shè)計(jì)將會在各個領(lǐng)域中得到更廣泛的推廣和應(yīng)用此外，基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)還存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。首先，如何進(jìn)一步提高測量精度和準(zhǔn)確性是一個重要的問題。目前較為成熟的方法是通過復(fù)合誤差校正、降噪處理和多傳感器融合等方法來提高測量精度和準(zhǔn)確性。其次，如何降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度也是一個需要解決的問題。目前，MEMS微鏡的制造和加工仍然存在一定的技術(shù)難度和成本問題，需要進(jìn)一步降低成本和提高生產(chǎn)效率。第三，如何在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的測量是一個需要解決的問題。在一些復(fù)雜的環(huán)境中，例如高速移動的車輛、惡劣的天氣環(huán)境等，可能會影響測量的精度和準(zhǔn)確性，需要采用一些先進(jìn)的方法和技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。第四，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用也是一個重要的問題。目前，MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)在一些特定的領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是如何在更廣泛的領(lǐng)域和場景中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用和推廣，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整。

綜上所述，基于MEMS微鏡的測距激光雷達(dá)是一種非常有前途和潛力的技術(shù)，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)和問題，以實(shí)現(xiàn)更加可靠和精確的測量，并推廣應(yīng)用到更