江南雨

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)一整套成熟的車載傳感系統(tǒng)來(lái)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(dòng)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(duì)于自動(dòng)駕駛車載傳感系統(tǒng)的技術(shù)路線仍存在爭(zhēng)議，所采用的傳感器組合方式也各有側(cè)重。但是，對(duì)于未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，主流觀點(diǎn)趨同，認(rèn)為毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和視覺(jué)攝像頭等多種類傳感器的協(xié)同使用是實(shí)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(shì)和劣勢(shì)：毫米波雷達(dá)具備成本優(yōu)勢(shì)，擁有低分辨率測(cè)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(duì)于細(xì)節(jié)分辨表現(xiàn)更為優(yōu)異；激光雷達(dá)則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境三維尺度信息的感知，其在探測(cè)距離、夜景模式、高可靠性上均有著不可取代的重要優(yōu)勢(shì)，其對(duì)環(huán)境的三維構(gòu)建能力更強(qiáng)?？梢?jiàn)，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(dá)的成本控制和實(shí)用化量產(chǎn)，則是通往多傳感器融合技術(shù)方案乃至自動(dòng)駕駛的重要障礙。

對(duì)于激光雷達(dá)，如果從結(jié)構(gòu)上看，主要有兩種形式，早期的機(jī)械式激光雷達(dá)以及近年來(lái)逐漸被重視的固態(tài)激光雷達(dá)。我們可以用硬盤行業(yè)作為類比，早期的機(jī)械式硬盤其內(nèi)部是通過(guò)磁臂、磁頭和磁盤等部件之間的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而新一代的固態(tài)硬盤則是通過(guò)存儲(chǔ)器內(nèi)部半導(dǎo)體單元的通斷電進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入，在取代了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件后，其無(wú)論在體積、質(zhì)量、可靠性上都有著顯著提升。這些優(yōu)勢(shì)同樣也體現(xiàn)在固態(tài)激光雷達(dá)上，在去除可視性機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件后，單次掃描效率提高，單位時(shí)間內(nèi)可獲得更多點(diǎn)數(shù)據(jù)云；減少運(yùn)動(dòng)部件，降低設(shè)備故障率，提高運(yùn)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(duì)整車外形與安全影響。

對(duì)于固態(tài)激光雷達(dá)，目前已經(jīng)被行業(yè)認(rèn)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(dá)，而Flash 方案則可歸為非掃描式固態(tài)激光雷達(dá)。它們既有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在相應(yīng)不足。

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)），也叫作微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，通俗來(lái)說(shuō)就是將原方案中體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)方案進(jìn)行微型化處理。傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)，而MEMS 方式則可以在激光雷達(dá)中集成體積精密的微型振鏡，由可以快速跳動(dòng)的微型振鏡來(lái)多角度改變激光光束方向，從而實(shí)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(cè)障礙物的距離。

OPA（光學(xué)相控陣技術(shù)），運(yùn)用干涉原理（光波在空間相遇時(shí)，在等相位始終加強(qiáng)，在非等相位則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象），使用多個(gè)光源組成光學(xué)相控陣列，通過(guò)控制各光源的相位差，使等相位面不再垂直于波導(dǎo)方向，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)方向，使激光光束實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描。然而，光學(xué)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(gè)波長(zhǎng)，而激光雷達(dá)多使用近紅外光波（波長(zhǎng)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(dá)原理也是類似。它不同于MEMS 方式或OPA 方式會(huì)對(duì)探測(cè)環(huán)境進(jìn)行掃描，而是對(duì)探測(cè)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(lái)接收反射光束，通過(guò)對(duì)探測(cè)到的光束時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算和分析，從而完成對(duì)周圍環(huán)境的繪制。但其同樣也存在探測(cè)距離較近、可靠性不高等重要缺陷。

對(duì)于未來(lái)固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)展方向，美國(guó)Velodyne 公司作為激光雷達(dá)的開(kāi)創(chuàng)者，給出了它的答案。其在推出了32線、64 線傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)后，又推出了新款16 線混合固態(tài)激光雷達(dá)。而該方式的激光雷達(dá)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(cè)視角需求，將機(jī)械掃描部件設(shè)計(jì)得十分精巧，可內(nèi)置于激光雷達(dá)內(nèi)部而已。這種混合固態(tài)激光雷達(dá)我們可以近似地理解為一種改進(jìn)型的MEMS，其解決了MEMS 型激光雷達(dá)只能發(fā)射小功率激光光束、探測(cè)距離過(guò)近等問(wèn)題，又同時(shí)擁有固態(tài)激光雷達(dá)相較于機(jī)械式激光雷達(dá)的各類優(yōu)勢(shì)。

因此，混合固態(tài)激光雷達(dá)成為了當(dāng)前市場(chǎng)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(xué)掃描器件和運(yùn)算控制系統(tǒng)。其中光學(xué)掃描器件則是混合固態(tài)激光雷達(dá)中的核心組成部分，是區(qū)別于常規(guī)固態(tài)激光雷達(dá)的關(guān)鍵所在。

1 混合型固態(tài)激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)掃描器件的設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

結(jié)合混合型固態(tài)激光雷達(dá)掃描需求，可以采用DSP 芯片作為主控芯片，實(shí)時(shí)地高精度控制振鏡電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度，來(lái)反射激光器發(fā)出激光光束，從而實(shí)現(xiàn)大角度掃描需求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

在發(fā)射端，可以根據(jù)需求，利用多個(gè)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(cè)光束組，其中的每個(gè)激光發(fā)射器都可以當(dāng)做1 線，使用多少個(gè)激光發(fā)射器便可稱為多少線激光雷達(dá)，線數(shù)越多，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)。將激光光束組照射到振鏡電機(jī)帶動(dòng)的反射鏡片上，使激光光束組在X軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，發(fā)射一次激光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的二維廣角掃射，并通過(guò)對(duì)出射激光反射回來(lái)形成的點(diǎn)狀云數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而完成對(duì)周圍環(huán)境的測(cè)量與描繪。

對(duì)于系統(tǒng)控制部分而言，其核心控制芯片為TI 公司近年來(lái)新推出的DSP 芯片TMS320F28377D，在其外部配套有激光發(fā)射電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度監(jiān)測(cè)電路等相關(guān)電路，而芯片外圍電路則包含SDRAM 電路、時(shí)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(qiáng)大的 32 位浮點(diǎn)微控制單元（MCU），專為電機(jī)高級(jí)閉環(huán)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持全新的雙核C28x 架構(gòu)，每個(gè)內(nèi)核均可提供200 MHz 的數(shù)據(jù)處理能力，允許設(shè)計(jì)人員整合控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高端系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行，例如，一個(gè)C28x+CLA 內(nèi)核可用于處理實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，而另一個(gè)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(guò)新型TMU 加速器和VCU 加速器使信號(hào)處理能力得到進(jìn)一步提高。其中TMU 加速器能夠快速執(zhí)行各類運(yùn)算中常見(jiàn)的三角運(yùn)算的算法；而VCU OP2004D 微控制器具有兩個(gè)CLA 實(shí)時(shí)控制協(xié)處理器，該CLA 協(xié)處理器可以對(duì)外設(shè)觸發(fā)器作出快速響應(yīng)，并與其對(duì)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的運(yùn)算能力，更加有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)振鏡電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)控制和對(duì)激光反射鏡片位置信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 振鏡電機(jī)及反射鏡片組件設(shè)計(jì)

在振鏡電機(jī)與反射鏡片的組件設(shè)計(jì)上，我們采用CTI公司的6240HM50A 型電機(jī)，其最大機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度為±30°，對(duì)應(yīng)的最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度為±60°，那么對(duì)于單個(gè)組件來(lái)說(shuō)最大水平輻射角度便可以達(dá)到120°。如果我們將120°水平輻射角度按200 份等分的話，其帶動(dòng)的反射鏡片可實(shí)現(xiàn)最快信號(hào)階躍響應(yīng)時(shí)間為0.5 ms，也就是說(shuō)我們?cè)谒綊呱?20°輻射角度的時(shí)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(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)模塊配套6240HM50A 型電機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)其負(fù)載情況與小信號(hào)階躍響應(yīng)要求，我們采用全模擬電路設(shè)計(jì)，以確保電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度的可連續(xù)性與響應(yīng)速度。驅(qū)動(dòng)模塊包含輸入信號(hào)放大電路、實(shí)時(shí)響應(yīng)比較電路、PI 調(diào)節(jié)電路、過(guò)載過(guò)溫保護(hù)電路等，并特別設(shè)計(jì)有工況模擬電路，可利用示波器與信號(hào)發(fā)生器模擬實(shí)際工況，對(duì)振鏡電機(jī)在不同負(fù)載下的信號(hào)響應(yīng)速度與大小信號(hào)階躍時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以便振鏡電機(jī)能滿足不同工況的需求，還包含實(shí)時(shí)位置信號(hào)輸出電路，以便控制系統(tǒng)能確保振鏡電機(jī)在各個(gè)激光光束組出射位置穩(wěn)定停留，減少電機(jī)偏轉(zhuǎn)抖動(dòng)帶來(lái)的環(huán)境描繪誤差。

1.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用DSP芯片TMS320F28377D作為主控芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度與激光光束組出射時(shí)間的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)，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(jī)的位置信號(hào)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(hào)輸入帶來(lái)的電機(jī)抖動(dòng)；利用DSP 芯片自帶的AD 采樣單元作為振鏡電機(jī)實(shí)時(shí)位置信號(hào)的監(jiān)控接口，同樣在傳輸過(guò)程中采用磁性隔離芯片IS0122JU 芯片作為模擬信號(hào)隔離芯片，以確保電機(jī)到位的第一時(shí)間完成激光光束組的出射過(guò)程，提高整套系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，更高效地完成對(duì)周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)掃描與立體描繪。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于整套系統(tǒng)軟件部分來(lái)說(shuō)，主要需要處理激光出射端、光學(xué)掃描、激光接收端的同步運(yùn)行和數(shù)據(jù)的同步運(yùn)算，以確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。借用主控芯片的雙核運(yùn)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(shí)間、振鏡電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度與偏轉(zhuǎn)時(shí)間以及接收端接收到反射激光的時(shí)間差，并將這些數(shù)據(jù)分類處理后儲(chǔ)存于片外SDRAM 內(nèi)；而CPU2 則是需要通過(guò)數(shù)據(jù)線與地址線快速訪問(wèn)片外SDRAM，對(duì)其中分類存儲(chǔ)的出射激光發(fā)出時(shí)間與反射激光接收時(shí)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(jìn)行綜合分析運(yùn)算，形成大量點(diǎn)狀數(shù)據(jù)云，通過(guò)CAN 總線方式傳輸給車載中央CPU，以便中央CPU 能同步實(shí)現(xiàn)對(duì)整車不同位置搭載的多個(gè)混合型固態(tài)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)并行分析處理，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時(shí)結(jié)合視覺(jué)雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及環(huán)境大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后，最終形成自動(dòng)駕駛過(guò)程中的整套環(huán)境數(shù)據(jù)，以便自動(dòng)駕駛過(guò)程能夠安全可靠地高效進(jìn)行。

2 結(jié)論

通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)混合型固態(tài)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的過(guò)程中，既要強(qiáng)調(diào)振鏡電機(jī)自身快速掃描的實(shí)效性與偏轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)性，還要確保振鏡電機(jī)與整套系統(tǒng)，無(wú)論在每線激光的光學(xué)夾角上，還是在電機(jī)偏轉(zhuǎn)的時(shí)間契合度上，都需要與整套系統(tǒng)完美融合，才能實(shí)現(xiàn)混合型固態(tài)激光雷達(dá)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此在每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中，不僅要考慮到該環(huán)節(jié)的可靠性，還要充分認(rèn)識(shí)到其在整套系統(tǒng)當(dāng)中的協(xié)同性，只有經(jīng)過(guò)充分的理論認(rèn)證與科學(xué)實(shí)踐，才能夠完全依賴這種混合型固態(tài)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，使自動(dòng)駕駛汽車安全可靠地行駛在道路上。