一種用于激光雷達(dá)的微振鏡設(shè)計(jì)

陸 英

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221140)

1 引 言

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展,自動(dòng)駕駛技術(shù)的迎來了新一輪的發(fā)展熱潮,已成為當(dāng)今世界的科學(xué)技術(shù)焦點(diǎn)之一,無線雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛中提供反饋的重要傳感器裝置[1-3]。其中激光雷達(dá)由于其高的探測分辨率和快速的響應(yīng)成為自動(dòng)駕駛汽車在100 km/h車速運(yùn)動(dòng)下的必備[4-5]。在ICVCTO峰會(huì)上華為全球首發(fā)了96線符合車規(guī)級具備量產(chǎn)能力的激光雷達(dá)產(chǎn)品,北汽極狐HBT成為首個(gè)搭載華為量產(chǎn)激光雷達(dá)的車型。

激光雷達(dá)主要分為機(jī)械型和固態(tài)型。機(jī)械型由于體積大價(jià)格昂貴已逐漸被固態(tài)型取代[6-8],固態(tài)型激光雷達(dá)又分為MEMS型和相控陣型,相控陣型被認(rèn)為是最理想的激光雷達(dá)產(chǎn)品,具有無機(jī)械部件和精度高的優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)前由于技術(shù)成熟度和價(jià)格等原因還不能量產(chǎn),所以當(dāng)前研究的熱點(diǎn)集中在MEMS型激光雷達(dá)上。MEMS型激光雷達(dá)的掃描機(jī)構(gòu)為可旋轉(zhuǎn)的MEMS振鏡,體積小集成度高[9]。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了MEMS和陣列APD組成的激光雷達(dá),探測距離20 m,測距精度40 cm。但當(dāng)前MEMS的制造工藝使其MEMS鏡面的有效通光口徑有限,最大的僅為7 mm,這制約了激光雷達(dá)的探測距離[11-13]。

為了進(jìn)一步提升激光雷達(dá)探測距離,擴(kuò)大掃描振鏡通光口徑,本文設(shè)計(jì)了基于電磁式的12 mm直徑的激光振鏡,提出了“工形”的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案,并利用Nastran軟件進(jìn)行了力學(xué)仿真分析,一階模態(tài)為304 Hz,并搭建試驗(yàn)平臺(tái)測試了微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度和諧振頻率等性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:激光微振鏡的一階諧振頻率為298 Hz,與仿真結(jié)果相比誤差為2 %,最大偏轉(zhuǎn)角度為8.12°。

2 微振鏡激光雷達(dá)系統(tǒng)

微振鏡激光雷達(dá)系統(tǒng)主要分為激光發(fā)射端,激光接收端,光束掃描端和 MCU 控制端四個(gè)部分,如圖1所示。

圖1 微振鏡激光雷達(dá)原理框圖

在激光發(fā)射端,主要包括脈沖激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),脈沖激光器負(fù)責(zé)發(fā)射Barker脈沖序列,發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)一般選用激光二極管配合激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)來完成,實(shí)現(xiàn)mrad量級的發(fā)散角要求。在激光接收端,主要包括接收光學(xué)系統(tǒng),單管APD/APD陣列和放大處理電路。接收光學(xué)系統(tǒng)一般采用魚眼透鏡以增大接收光學(xué)視場,光信號(hào)經(jīng)過APD接收通過一系列電流放大和電壓放大處理,提供給MCU,以進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)的測距處理。光束掃描端主要包括光束掃描微振鏡和驅(qū)動(dòng)控制,MCU通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制激光微振鏡進(jìn)行掃描,從而擴(kuò)大激光雷達(dá)視場,達(dá)到多線束的目的。MCU控制微振鏡掃描和APD采集進(jìn)行協(xié)同工作,最終形成3D點(diǎn)云文件,實(shí)時(shí)確定目標(biāo)形狀及位置[14-15],如圖2所示。

圖2 典型激光雷達(dá)3D點(diǎn)云圖像

3 電磁式微振鏡設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

電磁式微振鏡是利用法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)而成的,主要分為四個(gè)部分,包括發(fā)射鏡、金屬彈片、線圈和磁鋼,如圖3所示。通過給線圈供電,產(chǎn)生電磁力的激勵(lì),使鏡子發(fā)生偏轉(zhuǎn),MCU產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)使金屬振片帶著反射鏡負(fù)載工作在諧振狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)光束掃描的功能。

圖3 電磁式微振鏡機(jī)械設(shè)計(jì)

當(dāng)微振鏡系統(tǒng)發(fā)生角度θ偏轉(zhuǎn)時(shí),反射鏡以金屬振片中心軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng),系統(tǒng)的力矩平衡方程如下:

(1)

其中,I為振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D為阻尼系數(shù);K為扭轉(zhuǎn)剛度;M為線圈與磁鐵產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。

振鏡主要包括K9玻璃反射鏡、金屬振片和磁鋼,它們共同作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以寫做:

(2)

其中,ρs,Rs和ts為玻璃反射鏡的密度、半徑和厚度；ρm,Rm和tm為金屬振片的密度、寬度和厚度；ρc,Rc和tc為磁鋼的密度、半徑和厚度。扭轉(zhuǎn)剛度K可以表示為:

(3)

當(dāng)微振鏡繞軸做機(jī)械諧振時(shí),諧振頻率為:

(4)

反射鏡能夠偏轉(zhuǎn)的最大角度可以估計(jì)為:

(5)

其中,ξ為阻尼系數(shù),在這里我們按照空氣阻尼模型計(jì)算,阻尼系數(shù)為0.0011。因此所需的力矩M為:

M=θ(ωn)·2ξI

(6)

其中,M=F·L,F為安培力;L為力的作用距離。

F=kNBIL

(7)

其中,N為線圈匝數(shù);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;L為每匝線圈在磁場中的有效長度;k為常數(shù),通過更換線圈和磁鐵來實(shí)現(xiàn)。

3.2 激光振鏡機(jī)械仿真

利用Nastran進(jìn)行有限元仿真,微振鏡系統(tǒng)各元件尺寸和材料參數(shù)如表1和表2所示。

表1 微振鏡系統(tǒng)尺寸參數(shù)表

表2 微振鏡系統(tǒng)材料參數(shù)表

將上述尺寸參數(shù)和材料參數(shù)代入到Nastran進(jìn)行網(wǎng)格繪制并有限元計(jì)算,得到的模態(tài)振型及頻率如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

從上面的仿真結(jié)果可以看出一階模態(tài)為304.93 Hz,二階模態(tài)為400.47 Hz,三階模態(tài)為1371.8 Hz,四階模態(tài)為2062.9 Hz。一階模態(tài)和二階模態(tài)有約96 Hz的頻率裕量,因此振鏡在1階模態(tài)頻率上穩(wěn)定工作。

4 測試試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)表1和表2的參數(shù)機(jī)械加工激光微振鏡實(shí)物如圖5所示。

圖5 激光微振鏡實(shí)物圖

4.1 諧振頻率測試

利用掃頻法可以得到微振鏡的一階模態(tài)頻率,即通過給線圈施加從1～500 Hz的正弦信號(hào),測量振鏡的轉(zhuǎn)角大小變化。如圖6所示即為不同頻率下振鏡的擺動(dòng)幅度變化,在298 Hz出達(dá)到峰值,與仿真結(jié)果304 Hz基本符合,誤差為2.0 %,驗(yàn)證了仿真的正確性和可行性。

圖6 激光微振鏡諧振頻率測試圖

4.2 偏轉(zhuǎn)角度測試

利用加工好的激光微振鏡搭建如圖7所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。激光器發(fā)出一束準(zhǔn)直光束,通過激光微振鏡進(jìn)行掃描,在一定距離下放置坐標(biāo)紙,通過讀取坐標(biāo)紙的長度計(jì)算振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

鏡子偏轉(zhuǎn)的角度可用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

(8)

其中,m為激光微振鏡到坐標(biāo)紙的距離;l為光束在坐標(biāo)紙上的距離,示意圖如圖8所示。

圖8 角度計(jì)算示意圖

實(shí)際測量中測得激光微振鏡到坐標(biāo)紙的距離為900 mm,光束在坐標(biāo)紙上的距離為256.8 mm。因此計(jì)算得到鏡子偏轉(zhuǎn)角度為8.12°,如圖9所示。

圖9 角度范圍測試圖

在測試角度范圍的同時(shí),也測試的微振鏡的角度精度,因?yàn)槲⒄耒R一直處于諧振狀態(tài),本文測試了最大角度的角度精度,角度精度優(yōu)于0.005°。

圖10 角度精度測試圖

本文設(shè)計(jì)的微振鏡的反射鏡尺寸達(dá)12 mm,比傳統(tǒng)的MEMS振鏡負(fù)載反射鏡約大2倍,所能接收到的能量是MEMS式激光雷達(dá)的4倍,因此在不改變激光光源和探測器的條件下,本文所設(shè)計(jì)的電磁式微振鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離約為MEMS式激光雷達(dá)的4倍。

5 結(jié) 論

為適應(yīng)當(dāng)前車載激光雷達(dá)領(lǐng)域?qū)μ綔y距離的要求,本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁式的激光振鏡,振鏡采用“工形”的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案,利用Nastran軟件進(jìn)行了力學(xué)仿真分析,一階模態(tài)為304 Hz,并搭建試驗(yàn)平臺(tái)測試了微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度和諧振頻率性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:激光微振鏡的一階諧振頻率為298 Hz,誤差約為2 %,最大偏轉(zhuǎn)角度為8.12°。對車載激光雷達(dá)擴(kuò)大探測距離提供一種可行性方案。