CN113253245B - 基于mems振镜的激光雷达的校准系统和消除图像晃动的方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种基于静电电压驱动的MEMS振镜的激光雷达的校准系统以及消除由于外界震动导致的图像失真方法，包括：采用CCD获得MEMS振镜的最佳共振频率和最大驱动幅度。获取校准时没有外界震动时的激光光斑在CCD上的光斑成像坐标和激光探测角度的关系，以消除由于外界震动导致的图像失真。发明的有益效果：本发明使MEMS激光雷达的校准非常简便，消除了由于应力释放、电压偏移、器件老化等因素带来的性能劣化。同时依靠本发明可以消除因外界震动引起的图像扭曲或不可识别的问题。采用本方案后，激光雷达图像的形成并不要求对振镜的旋转角度和驱动电压的线性关系。
Description
技术领域
发明涉及基于MEMS振镜的激光雷达领域，具体涉及一种基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统，和用于消除由于车载平台的震动导致于MEMS振镜晃动从而使图像扭曲或不可识别的方法。
背景技术
基于MEMS振镜的激光雷达，是当今自动驾驶远距离精确测量障碍物的首选雷达。现有技术都是出厂前对激光雷达进行调校。但由于电压漂移、密封气压变化、应力释放等等原因，激光雷达的性能以及成像质量都会劣化。同时车辆在行驶时，由于车辆振动导致MEMS振镜的晃动，致使扫描角度发生偏差，导致接受图像扭曲或不可识别。
发明内容
电磁驱动或压电驱动或热驱动的MEMS振镜都有相当的不足，本发明所说MEMS振镜都是静电驱动的。本发明要解决的技术问题是提供一种基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统和校准方法，以及消除由于MEMS振镜的晃动导致的图形扭曲或不可识别的方法。
为了解决上述技术问题，发明提供了基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统，所述校准系统固定在车载平台上，包括：脉冲激光、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、显微光学系统和CCD；所述第一反射镜是MEMS振镜，所述第二反射镜是半透半反射镜；所述脉冲激光发出的探测光经过所述第一反射镜后被所述第三反射镜指向探测方向，探测光在经过所述第三反射镜之前在光路上插入所述第二反射镜，经过所述第二反射镜的光分成反射部分光和透射部分光，所述反射部分光被引入所述光学显微系统并成像于所述CCD上，所述CCD感知激光光斑的实时成像坐标。
在其中一个实施例中，所述反射部分光占全部经过所述第二反射镜的光的0.1％到5％。
基于同样的发明构思，一种激光雷达，包括所述的校准系统。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种汽车，包括所述的激光雷达。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种所述基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统的校准方法，包括：获取最佳驱动信号的频率f1以及该频率f1下对应振镜的最大振幅时的电压振幅V1。
在其中一个实施例中，具体如下：在一个比较小的电压振幅下在MEMS振镜的共振频率附近开始扫频，通过CCD成像找到最大振幅所对应驱动信号的频率f1。
在其中一个实施例中，然后在此频率下，逐步加大驱动信号的电压振幅，直到电压振幅V1时，再增加电压振幅也不会增加MEMS振镜的振幅。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种除图像晃动的方法，包括：利用CCD感知激光光斑的实时成像坐标得到脉冲激光的探测角度。
在其中一个实施例中，车载平台静止时，驱动信号在频率f1下，电压幅度从零逐渐提升至V1，在此过程中，在车前的测试标尺幕上探测角度的振幅也在不断变化，对应于某个电压振幅，有一个最大探测角度，而同时CCD光斑像素的振幅也在变化，在这一串的CCD光斑像素中，有一个最大像素坐标。记录下不同电压振幅下的最大探测角度和最大像素坐标，这就是CCD光斑像素坐标和探测角度的对应关系。这样我们就可以从CCD光斑像素坐标获取此时脉冲激光的探测角度。
在其中一个实施例中，晃动时，所述MEMS振镜相对汽车参考系发生变化，所述脉冲激光、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述显微光学系统和所述CCD相对所述汽车参考系不发生变化。
发明的有益效果：
本发明使MEMS激光雷达的校准非常简便，消除了由于应力释放、电压偏移、器件老化等因素带来的性能劣化。同时依靠本发明可以消除补偿外界震动引起的图像扭曲或不可识别的问题。采用本方案后，激光雷达图像的形成并不要求对振镜的旋转角度和驱动电压的线性关系。
附图说明
图1是发明基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解发明并能予以实施，但所举实施例不作为对发明的限定。
现有MEMS振镜驱动要找到共振频率，由于制造的误差，每个芯片固有振动频率都不同。但电源的幅度和宽度都会发生漂移，虽然在牵引效应下振镜会被驱动电压调至同频，但起始相位会和驱动电压的起始相位相互关系发生变化。因此找到振镜的扫描周期的起始时间是重构图像的关键。另外，由于扫描振镜对外界的震动会有一定的响应，在行驶平台由于道路原因发生震动后，振镜也会发生相应的晃动，因此导致对激光成像发生扭曲变形甚至失真失效。
在本发明中，对于车载激光雷达系统，由脉冲激光发出的探测光经过MEMS振镜后被第三反射镜M3指向探测方向，在第三反射镜M3之前在光路上插入一个第二反射镜(取样反射镜)，只有很少量的光，比如1％，被引入光学显微系统并成像于CCD上。CCD用于感知激光光斑的实时成像坐标。
现有技术都是出厂前对激光雷达进行调校。但由于电压漂移、密封气压变化、应力释放等等原因，激光雷达的性能以及成像质量都会劣化。所以在行驶前，对振镜进行频率校准是有必要的。具体校准包括在一个比较小的电压振幅下在共振频率附近开始扫频，通过CCD成像找到最大振幅所对应的频率f1。然后在此频率下，逐步加大电压振幅，直到电压振幅V1时，再增加电压振幅也不会增加振镜的振幅。至此，驱动部分就在频率f1振幅V1的参数下工作。
以上完成了MEMS振镜的驱动频率和幅度的最佳值寻找。下面完成发射角度和CCD光斑像素所对应的校准。振镜的共振驱动和一般意义的电压驱动不太一样，准静态的电压驱动都有电压和旋转角度的对应关系。但在共振状态下，角度和激励电压没有这样的对应关系，因此不能从当前电压值得到旋转角度。因此我们要从CCD光斑像素坐标来得到真实的探测角度。
方法如下：车载平台静止时，在f1的频率激励下，电压幅度从零逐渐提升至V1,在此过程中，在车前的测试标尺幕上测得不同电压幅度对应的探测角度，并同时记录下此时的CCD光斑像素坐标。因此我们得到光斑像素坐标和和探测光角度的对应关系。从CCD光斑像素坐标就可以知道此时的探测光角度。由于激光、振镜、镜子等都是固定的，并且也全部固定在汽车上，因此这个校准可以在汽车出厂前完成。这样我们就可以从CCD光斑坐标推出探测光相对于汽车这个参考系的探测角度。
有了这样一个对应关系，我们就可以补偿由于车载平台震动而导致的MEMS振镜晃动使探测角度发射改变所产生的问题。只要我们获得CCD的光斑像素坐标，就能知道探测光相对于车载平台的实际探测角度，而不在意这个角度是静电驱动的还是晃动导致的。采用这种方式后，汽车的震动不会产生图形扭曲或不可识别，只会使某些角度探测数据的缺少。
本发明中除MEMS振镜外都固定在汽车框架上，在汽车参考系中是静止的，因此经过MEMS振镜后扫描激光由于外界震动导致的MEMS振镜相对于汽车的晃动就可以从CCD中读取出来。因此在接受器接受到反射信号时，就把此信号对应于从CCD光斑坐标所对应的探测角度。因此消除了MEMS振镜晃动导致的发射角偏差的问题。
下面介绍本发明的工作原理：
脉冲激光经过MEMS振镜(第一反射镜)后，大部分光经过半透半反射(第二反射镜M2)到达第三反射镜M3，并射向探测区域。一小部分，比如1％的激光被M2反射到显微光学系统并成像于CCD。在本发明光路中，脉冲激光、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3，，以及光学系统和CCD位置都是固定的，并紧固于车载平台上。每次触发校准功能时，处理系统发出指令，驱动系统首先输出低幅度的驱动信号，在第一反射镜M1固有频率的附近进行变频扫描，驱动M1。同时CCD捕捉到在特定驱动频率下光斑的行程。通过比较不同驱动频率的光斑行程，找到光斑最大行程所对应的驱动频率f1，此即芯片的固有频率。处理系统记录下此频率。然后驱动电路固定驱动频率为f1,同时逐步增加驱动信号的幅度，直至达到CCD探测的光斑行程不在继续增加的驱动信号幅度V1。至此，驱动电路的驱动频率和幅度校准完毕。
对于一个受迫振动来说，驱动信号的起始和振动物体的振动周期起始是有相位差的。振镜工作在驱动信号频率f1和幅度V1后，处理系统通过监测CCD上光斑像素运动轨迹，得到振镜的振动周期起始时间和系统驱动信号的确切相位差，也就使振镜运动周期的起始时间，以便于重组图像。然后我们要从CCD光斑像素坐标来得到真实的探测角度。方法如下：车载平台静止时，在f1的频率激励下，电压幅度从零逐渐提升至V1,在此过程中，在车前的测试标尺幕上测得不同电压幅度对应的探测角度，并同时记录下此时的CCD光斑像素坐标。因此我们得到光斑像素坐标和和探测光角度的对应关系。从CCD光斑像素坐标就可以知道此时的探测光角度。由于激光、振镜、镜子等都是固定的，并且也全部固定在汽车上，因此这个校准可以在汽车出厂前完成。这样我们就可以从CCD光斑坐标推出探测光相对于汽车这个参考系的探测角度。
在本发明中，由于本发明中光路都是固定的，只需要做一次激光经过第三反射镜M3后的实际指向角度和CCD上的光斑位置对应的校准，就可以从CCD光斑的坐标得到实际探测的角度数值。即使在由于汽车受到震动而导致MEMS振镜发生晃动，从而使发射角度发生改变，通过CCD上光斑的位置也能得到相对于汽车的实际反射角度。因此不论MEMS振镜是否受到外界的震动，通过CCD上的光斑位置读取，都能知道真实的相对于车载平台的某一激光脉冲发射角度，相关的回波接受信号也就知道了真实的反射角度。
因此，由于MEMS振镜导致的晃动而产生的图形扭曲得到了消除。而由于车载平台导致的相对于大地这个参考系姿态改变导致的图像晃动，可以通过车载平台的姿态传感器得到的数据加以补偿。
以上所述实施例仅是为充分说明发明而所举的较佳的实施例，发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在发明基础上所作的等同替代或变换，均在发明的保护范围之内。发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (4)
1.一种基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统的校准方法及消除图像晃动的方法，其特征在于，校准系统固定在车载平台上，包括：脉冲激光、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、显微光学系统和CCD;所述第一反射镜是MEMS振镜，所述第二反射镜是半透半反射镜；所述脉冲激光发出的探测光经过所述第一反射镜后被所述第三反射镜指向探测方向，探测光在经过所述第三反射镜之前在光路上插入所述第二反射镜，经过所述第二反射镜的光分成反射部分光和透射部分光，所述反射部分光被引入所述显微光学系统并成像于所述CCD上，所述CCD感知激光光斑的实时成像坐标；
消除图像晃动的方法包括：利用CCD感知激光光斑的实时成像坐标得到脉冲激光的探测角度；
车载平台静止时，驱动信号在频率f1下，电压幅度从零逐渐提升至V1，在车前的测试标尺幕上测得探测角度振幅也在不断变化，而同时CCD光斑像素的振幅也在变化，其振幅对应于一个CCD光斑所在像素坐标，以此得到光斑像素坐标和和探测光角度的对应关系；利用所述对应从CCD光斑像素坐标获取此时脉冲激光的探测角度；
晃动时，所述MEMS振镜相对汽车参考系发生变化，所述脉冲激光、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述显微光学系统和所述CCD相对所述汽车参考系不发生变化；
其中，所述校准方法包括：获取激光光斑最大振幅对应的驱动信号的频率f1以及该频率f1下对应振镜的最大振幅时的电压振幅V1；
在一个比较小的电压振幅下在共振频率附近开始扫频，通过CCD成像找到最大振幅所对应驱动信号的频率f1；
然后在此频率下，逐步加大驱动信号的电压振幅，直到电压振幅V1时，再增加电压振幅也不会增加MEMS振镜的振幅。
2.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统的校准方法及消除图像晃动的方法，其特征在于，所述反射部分光占全部经过所述第二反射镜的光的0.1%到5%。
3.一种激光雷达，包括校准系统，所述校准系统用于实现如权利要求1或2中任一项所述的基于MEMS振镜的激光雷达的校准系统的校准方法及消除图像晃动的方法。
4.一种汽车，包括权利要求3所述的激光雷达。
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