激光雷达扫描反射镜结构有限元分析

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０２０.０１.００３
激光雷达扫描反射镜结构有限元分析∗
张文博
(苏州旭创科技有限公司ꎬ江苏苏州㊀２１５１２６)
摘㊀要:针对机械旋转激光雷达扫描结构的工作精度直接影响系统的测量精度ꎬ提出以扫描反射镜结构为主要研究对象进行分析ꎬ通过利用有限元法进行模态㊁动力学和冲击分析ꎬ得出扫描反射镜结构在工作过程中和冲击载荷下具有足够的刚度和强度ꎬ满足实际应用需求ꎬ其分析方法对类似扫描式传动设计有一定的借鉴意义ꎮ
关键词:激光雷达ꎻ扫描反射镜ꎻ有限元分析
中图分类号:ＴＮ９５８㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０２０)０１－０００７－０３
ＴｈｅＦＥＡｏｆＬｉｄａｒＳｃａｎｎｉｎｇＭｉｒｒｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＺＨＡＮＧＷｅｎ－ｂｏ
(ＩｎｎｏＬｉｇｈｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｓｕｚｈｏｕ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄꎬＳｕｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ㊀２１５１２６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｔａｔｉｎｇｌｉｄａｒｓｃａｎｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｕｓｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｍｉｒｒｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｔｏｃａｒｒｙｏｕｔａｎａｌｙｓｉｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ.Ｂｙｕ￣ｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｏｄａｌꎬｄｙｎａｍｉｃａｎｄｉｍｐａｃｔａｎａｌｙｓｉｓꎬｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｍｉｒｒｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｒｉｇｉｄｉｔｙａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｓｏａｓｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉ￣ｃａｔｉｏｎｓ.Ｉｔｓａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｓｃａｎｎｉｎｇｄｒｉｖｅｄｅｓｉｇｎ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌｉｄａｒꎻｓｃａｎｎｉｎｇｍｉｒｒｏｒꎻＦＥＡ
０㊀引㊀言
激光雷达是利用特定波长的激光信号对障碍物表面进行主动式扫描来获取障碍物表面信息[１]ꎬ其不易受环境光的影响ꎬ抗干扰能力强ꎬ具有良好方向性以及相干性ꎬ可以实现高精度测量ꎬ因此激光雷达技术在障碍探测以及环境重建方面具有明显的优势[２－３]ꎮ根据扫描方式类型不同ꎬ激光雷达可以分为机械旋转激光雷达㊁混合固态激光雷达和固态激光雷达ꎮ作为无人驾驶车障碍物探测的主要传感器ꎬ目前应用较多的是机械旋转激光雷达ꎬ对车辆周围３６０ʎ环境进行扫描测量[４]ꎮ
近年来随着无人驾驶技术的迅速发展ꎬ国内外众多科研机构㊁公司等对此都展开了较为深入的研究ꎮ就国外而言ꎬ美国Ｖｅｌｏｄｙｎｅ公司开发的产品ＨＤＬ－６４Ｅ㊁ＨＤＬ－３２Ｅ㊁ＶＬＰ－１６分别为６４线㊁３２线及１６线的３６０ʎ全景激光雷达ꎬ扫描方式均为机械旋转式ꎬ即将激光器㊁探测器和信号处理单元作为上端运动部件进行整体旋转[５]ꎮ德国ＩＢｅｏ公司的ＬＵＸ系列４线和８线激光雷达产品扫描方式也为机械旋转式ꎬ但旋转扫描采用一定范围扫描而非３６０ʎ扫描ꎬ其激光器和探测器均设置为固定部件ꎬ旋转部件只需要采用轻质的转镜ꎬ使得光束满足一定范围内的扫描[６]ꎮ以色列Ｉｎｎｏｖｉｚ公司开发的激光雷达利用ＭＥＭＳ微振镜ꎬ即采用半导体生成工艺把微光反射镜与ＭＥＭＳ
驱动器集成到单个芯片进行扫描ꎬ属于混合固态激光
雷达[７]ꎮ美国Ｑｕａｎｅｒｇｙ公司Ｓ３激光雷达采用了光波导相控阵激光雷达技术ꎬ通过调节发射阵列中每个
发射单元的相位差改变激光的出射角度ꎬ属于固态激
光雷达[８]ꎮ
国内一些科研院校和公司在激光雷达方面也有
一定的研究积累ꎮ西安电子科技大学沈辰弋等人通
过俯仰镜片扫描实现了空间二维扫描[９]ꎮ南京理工大学陈怀波等人基于４５ʎ转镜扫描方式提出了一种车载线阵激光雷达全新的周向扫描成像体制[１０]ꎮ国防科学技术大学胡春生等人研制了一种三维高速扫描激光雷达[１１]ꎮ西安理工大学蒋猛等人研究了一种机械旋转激光雷达系统实现对障碍物的水平扫描[１２]ꎮ上海技术物理研究所陈育伟等人提出了一种机载用的线扫描激光雷达[１３]ꎮ还有北京北科天绘㊁深圳速腾聚创和深圳镭神智能等企业已经量产机械旋转１６线和３２线激光雷达ꎮ
目前ꎬ机械旋转激光雷达根据转镜扫描方式有摆
镜扫描㊁４５ʎ转镜扫描㊁双(单)面镜扫描和旋转多面
镜扫描四种方式ꎮ摆镜扫描的优点是扫描效率高ꎬ但
缺点是扫描幅宽窄ꎬ如果扫描角度偏大或使用双向扫
描ꎬ尺寸过大ꎬ稳定性也差ꎮ４５ʎ转镜扫描的优点是扫
７
机械研究与应用 ２０２０年第１期(第３３卷ꎬ总第１６５期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀研究与试验
∗收稿日期:２０１９－１０－１４
作者简介:张文博(１９８８－)ꎬ男ꎬ湖北汉川人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:激光雷达技术ꎮ
描镜尺寸小ꎬ总视场大ꎬ但缺点是焦平面会出现像旋现象ꎬ若不消除像旋现象ꎬ则不能应用于阵列探测器ꎮ双(单)面镜扫描的优点是没有像旋ꎬ适合在线列㊁面阵探测器中使用ꎬ但缺点是扫描效率低ꎮ当扫描角度较大时ꎬ镜面体积庞大ꎬ当系统瞬时视场较小时ꎬ对双面镜的面平行度及面形精度有较高要求[１４]ꎮ因此ꎬ
本文采用的是旋转多面镜扫描方式ꎬ它的优势在于扫描范围大㊁扫描速度快㊁分辨率高且技术应用成熟ꎮ
机械旋转激光雷达是通过一定的轴系来维持整个系统的运转ꎬ扫描结构作为机械旋转激光雷达中的关键结构之一ꎬ高速旋转或受到外界冲击会直接引起测距和测角误差ꎬ故扫描结构的工作精度直接影响系统的测量精度[１５]ꎬ而反射镜结构的高刚强度和高稳定性直接与扫描结构的工作精度有关ꎬ故本文以激光雷达扫描反射镜为主要研究对象进行分析ꎮ
１㊀有限元建模
本文中激光雷达的扫描结构包括轴㊁反射镜㊁磁钢㊁硅钢片㊁轴承等ꎬ装配后的二维剖视图如图１所示ꎬ其中反射镜采用的是扫描三面棱镜ꎬ三个反射面以垂直轴为中心轴扫描ꎬ以实现扫描视场大和角度精度高等目的ꎮ为便于分析计算ꎬ硅钢片和轴承作简化处理ꎮ其中主要扫描结构具体材料参数如表１所示ꎮ
表１㊀扫描结构材料参数
名称密度(ｋｇ/ｍ３)弹性模量(Ｎ/ｍ２)泊松比反射镜２７００６.９ｅ１００.３３轴８０００１.９ｅ１１０.２９磁钢８３００２.０ｅ１１０.３硅钢片
７６５０
２.０ｅ１１
０.３
在设定关联中心为中等㊁全局单元尺寸为３ｍｍ的提前下对扫描结构进行网格划分ꎬ其中平滑设置为中等㊁过渡设置为缓慢ꎬ划分后的模型如图２所示ꎬ共计１４８１４个节点和６８４２８个单元
ꎮ
图１㊀二维剖视图㊀㊀㊀㊀㊀图２㊀网格模型
２㊀模态分析
模态分析是对扫描结构进行动力学分析的首要步骤ꎬ目的在于确定扫描结构的各阶固有频率和模态振型ꎬ是动力学分析的基础ꎮ由于求解的是扫描结构的整体模态ꎬ所以必须在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中先用接触对的方法将各个结构耦合在一起ꎬ否则求解的将是各个结构的单个模态ꎮ
由于在低阶模态下对系统的振动有较大影响ꎬ故只计算扫描结构在自由模态下前六阶固有频率ꎬ表２所示是扫描结构第一阶到第六阶固有频率ꎮ
表２㊀模态阶数与频率
/Ｈｚ
模态阶数１
２
３
４
５
６
频率
１７７７.２１９１９.８２７９９.１７９００.７８２６１.６９１５７.６
由于驱动电机旋转产生的振动对扫描结构来说为外界激励ꎬ最大转速３０００ｒ/ｍｉｎ对应的最大转动频率为５０Ｈｚꎬ远小于扫描结构的第一阶固有频率１
７７７.２Ｈｚꎬ故扫描结构不会发生共振ꎮ
３㊀动力学分析
ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中通过定义接触对传递动力
来模拟真实传动情况ꎮ轴底部对地设为固定约束ꎬ小轴承与反射镜和大轴承与反射镜间的接触类型均设置为无摩擦接触ꎬ其中反射镜相对轴设置为转动铰链ꎬ在转动铰链上加载转速为３１４ｒａｄ/ｓꎬ加载后的有限元模型如图３所示
ꎮ
图３㊀加载后的有限元模型
㊀㊀作用时间为０.０４ｓꎬ其中０~０.０１ｓ时间段采用渐变载荷ꎬ设置子步初始步数㊁最小步数㊁最大步数分别为８００㊁１００㊁１０００ꎬ求解分析反射镜结构的位移和应力ꎬ提取的位移云图和应力云图分别如图４㊁５所示
ꎮ
图４㊀位移云图㊀㊀㊀㊀图５㊀应力云图
㊀㊀由位移云图可知ꎬ变形发生在整个反射镜上ꎬ且离轴心越远变形越大ꎬ最大位移值为１０３.９７ｍｍꎬ所
８ 研究与试验㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第１期(第３３卷ꎬ总第１６５期) 机械研究与应用
以反射镜最大变形为０.０５ｍｍ(反射镜绕轴线的最大旋转半径为５１.９６ｍｍ)ꎬ此变形小于所允许的最大变形值０.１ｍｍꎬ说明反射镜结构在工作过程中刚度是足够的ꎮ
由应力云图可知ꎬ最大应力值为１５０.７２ＭＰａꎬ位于反射镜与小轴承结合面处ꎬ应力值小于反射镜材料ＡＬ６０６１－Ｔ６的屈服应力值２１０ＭＰａꎬ说明反射镜结构
在工作过程中也具有足够的强度ꎮ
４㊀冲击分析
扫描结构需要满足一定的冲击条件ꎬ故在ＡＮ￣
ＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ方向加速度公式里输入５００∗ｓｉｎ
(２８５.６∗ｔｉｍｅ)ꎬ即采用半正弦波冲击ꎬ其中加速度大小为５００ｍ/ｓ２ꎬ持续时间为１１ｍｓꎬ其中轴对地设为铰链约束ꎬＺ向即轴向为自由约束ꎬ提取的位移云图和应力云图分别如图６和图７所示
ꎮ
图６㊀位移云图㊀㊀㊀㊀图７㊀应力云图
㊀㊀由位移云图可知ꎬ最大位移为０.０１９１６３ｍｍꎬ此值小于所允许的最大变形值０.１ｍｍꎬ说明反射镜结构在冲击载荷下刚度是足够的ꎮ
由应力云图可知ꎬ最大应力为４.８５２４Ｅ－４ＭＰａꎬ位于反射镜大轴承台阶端ꎬ远小于材料ＡＬ６０６１－Ｔ６的屈服应力２１０ＭＰａꎬ说明反射镜结构在冲击载荷下也具有足够的强度ꎮ
５㊀结㊀论
(１)通过对激光雷达扫描反射镜结构进行动力
学分析得到其工作过程中的等效位移云图和等效应力云图ꎮ由位移云图可知最大变形位于反射面边缘处ꎬ而激光束照射在每个反射面发生渐晕现象的地方也在反射面边缘处ꎬ为了保证反射镜在水平方向有效的视场角ꎬ故可以适当增大反射镜的旋转半径ꎮ由应力云图可知最大应力位于反射镜与轴承结合面处ꎬ为了减小反射镜和轴承之间相对转动ꎬ延长反射镜的使
用寿命ꎬ故在产品装配时需保证反射镜与轴承外圈相对固定ꎮ
(２)冲击载荷下的有限元分析结果也表明反射镜结构具有足够的刚度和强度ꎬ说明冲击载荷引起反射镜的抖动对垂直方向上的角度分辨率没太大影响ꎮ(３)基于动力学和冲击分析能有效地实现对扫
描反射镜在工作过程中和冲击载荷下的真实模拟ꎬ合理地获得反射镜的位移和应力分布ꎬ可指导完成反射镜结构及其系统的优化设计ꎮ参考文献:
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９ 机械研究与应用 ２０２０年第１期(第３３卷ꎬ总第１６５期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀研究与试验。