新型光学雷达传感器：使用反射镜提高效率

佛罗里达大学的研究人员为基于LiDAR的传感器提出了一种新颖的设计，该设计既价格合理，且功率低，依靠微机电（MEMS）反射镜的集合来实现高效率，可以使用9伏电池供电。

图1, MEMS反射镜的扫描电镜图像

光检测和测距（LiDAR）技术依赖于快速，精确定时的激光脉冲，这可以应用到各种传感器，包括支持物联网（IoT）的传感器。特别是在需要有效成像以监视建筑物内人员移动，控制暖通空调的情况下，所需的检测范围高达10米，大多数LiDAR而言都是可以实现的。

但是，许多目前依赖LiDAR的传感器价格昂贵，体积庞大，笨重且耗电大。比如，电动光机械LiDAR扫描仪通常由多个通道的发射器和接收器垂直堆叠并由一个马达旋转而成。电动LiDAR的功耗通常约为10瓦特，其中大部分耗电用于快速和广角扫描。市场上可以买到低功率的LiDAR，例如Hokuyo UST-10LX，其功率消耗低于4 W，因为电机更小，更轻，这种类型的LiDAR仅具有一维水平的视场，这限制了其检测区域和应用范围。

微机电（MEMS）镜广泛用于显示器，光学医学成像和计算相机。在大多数情况下，MEMS反射镜比电动扫描仪具有更大的功率效率。

为此，研究人员提出一种新颖的基于激光雷达的传感器的设计，该传感器依靠一组微机电系统（MEMS）反射镜来实现高效率，足够由9伏电池供电。这种传感器既经济实惠，而且只需要很少的电力。该设计在7月2日发表在《IEEE Sensors Letters》的一项研究中进行了描述。

图2，便携式机箱中的低功耗MEMS LiDAR

研究人员开发一种低电压，低功耗，数字驱动的MEMS镜，专门为低功耗，小尺寸的物联网应用而设计。所采用的MEMS反射镜基于电热双压电晶片致动器，由反向串联（ISC）双压电晶片致动结构制成。

考虑到Arduino的5 V数字输出电压和最大20 mA的输出电流，重新设计了MEMS镜电热执行器中内置的铂热电阻加热器，以通过优化其宽度，厚度和长度（12μm，0.20μm和4400μm）来平衡驱动电压和电流。电热MEMS反射镜的设计驱动电压为0-5V，低电流在12 mA以下，用于非谐振扫描。

研究人员证明了采用特殊的脉宽调制（PWM）方案，可以直接由Arduino板的数字输出驱动MEMS反射镜，而无需任何其他驱动电路。MEMS反射镜与现成的飞行时间（ToF）测距引擎集成在一起，形成了一种低功耗3D LiDAR，最大功耗为2.7W。

LiDAR可以根据目标对象在其视场中的运动，主动打开和关闭ToF引擎和MEMS反射镜，这样电池寿命延长了3.5倍。该LiDAR可以放置在房间的天花板上，并且可以使用9 V单电池工作，烟雾报警器一样。

新设计没有使用电动光机扫描仪，而是依靠MEMS反射镜来控制激光雷达信号。与通常使用的体积更大的电动扫描仪相比，镜子需要的操作功率要小得多。此外，被动红外传感器确保整个系统只有在有人在场时才会启动。

佛罗里达大学教授，论文作者Huikai Xie说，“预计这种传感器不仅可以用于智能家居中的人身探测，还可以应用于从机器人到小型无人驾驶飞行器的各种应用。”