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自动驾驶基础 --混合固态激光雷达

2018-10-03 23:34:23·  来源：模拟世界  
　
2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了混合固态超级冰球（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达（LiDAR）的概念。上图中

2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了“混合固态超级冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达（LiDAR）的概念。

上图中， 左图就是32线混合固态Ultra Puck Auto；右图则是16线机械式VLP-16。这款高性能32线UltraPuckAuto和机械式VLP-16相比，外观上除了颜色略有差异以外，尺寸几乎一样（高为72毫米，底部直径为103毫米），具有体积小、重量轻的特点，可以集成在汽车后视镜的位置

在前一篇文章中，我们谈到了机械式LiDAR，了解到机械式LiDAR在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转。而混合固态LiDAR工作时，单从外观上是看不到旋转的，巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。

对于混合固态激光雷达的定义， 各家厂商有所不同，本文将按照业界习惯，对采用半导体“微动”器件——MEMS扫描镜（代替宏观机械式扫描器，MEMS指的是微机电系统）在微观尺度上实现LiDAR发射端的激光扫描方式，定义为“混合固态”。而全固态LiDAR的定义和相关工作原理，我们将在下面的文章中做详细说明。

为什么产生“混合固态”的概念呢？因为MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；但是MEMS扫描镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性，故称为“混合固态”。可以说，MEMS扫描镜是传统机械式LiDAR的革新者，引领LiDAR小型化和低成本化。其取消了机械式激光雷达的机械旋转结构，利用MEMS微振镜，将所有的机械部件集成到单个芯片，利用半导体工艺生产。基于MEMS的固态雷达，是通过微振镜的方式改变单个发射器的发射角度进行扫描，由此形成一种面阵的扫描视野。目前基于MEMS方式的激光雷达，技术上更容易实现，且价格也比较低廉，有很多的厂家在研发，也因此被主机厂商一致看好。

下图是基于MEMS扫描镜的混合固态LiDAR原理图：

传统的扫描成像LiDAR系统一般采用双摆镜、双振镜和旋转多面体反射棱镜的扫描方式，由这些具有宏观尺寸的光学元件所构成的扫描系统体积庞大而笨重。而利用MEMS技术可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微型扫描镜，并通过MEMS扫描镜来反射激光器的光线，从而实现微米级的运动扫描，那么宏观上便看不到LiDAR中的任何机械旋转部件。

下图是MEMS扫描镜示意图，微型镜面可以转动，从而实现对激光的操控。

下图是一款MEMS扫描镜的SEM照片。

    MEMS扫描镜是指光学偏转角度较大（达到10°以上）的一种微镜类型，主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描。MEMS扫描镜采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS执行器集成在一颗半导体芯片上。MEMS扫描镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。MEMS扫描镜按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。四种原理的MEMS扫描镜性能比较见下表。

目前，技术成熟且量产的MEMS扫描镜企业基本集中在中国大陆地区以外。比如被英飞凌收购的MEMS公司Innoluce、台湾OPUS、美国Mirrorcle的MEMS扫描镜采用的是静电驱动模式；而博世最新推出的全新交互式激光投影微型扫描仪BML050中的MEMS扫描镜、滨松今年发布的MEMS微镜S12237-03P、意法半导体与美国MicroVision公司合作生产的MEMS扫描镜，均采用电磁驱动原理。而国内如无锡微奥科技、西安知微传感、常州创微电子、上海微技术工研院等企业也都在此领域摩拳擦掌，希望有所斩获。后面，我们会对MEMS扫描镜技术做详细介绍。

而对于运用MEMS扫描镜技术设计混合固态雷达的国内厂商，主要是速腾聚创(RoboSense)。速腾聚创是一家研发机器人感知产品的激光雷达公司，其固态激光雷达RS-LiDAR-M1Pre曾在今年的CES展上正式对外公布，M1 Pre的探测距离超过 200米，水平测角与垂直测角为63 °*20°，刷新帧率为20fps，角分辨率为0.09°*0.2 °。

    据了解，这是目前全球范围内已发布MEMS激光雷达中最小角分辨率的一款产品。最小角分辨率意味着激光雷达拥有洞察分毫的探测能力。

 
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