Co to jest lidar i jak to działa

Samochody bez kierowcy, które były jedną z największych fantazji technologicznych lat 90. (napędzane wcześniejszymi filmami, takimi jak „The Love Bug” i „Demolition Man”), są dziś rzeczywistością, dzięki ogromnemu postępowi dokonanemu wokół kilku technologii, w szczególności LIDAR.

Co to jest LiDAR?

LIDAR (skrót od Light Detection and Ranging) to technologia pomiaru odległości, która mierzy odległość obiektu przez wystrzeliwanie wiązek światła na obiekt i wykorzystuje czas i długość fali odbitej wiązki światła do oszacowania odległości oraz w niektórych zastosowaniach (Laser Imaging), utwórz trójwymiarową reprezentację Obiektu.

Chociaż idea lasera wywodzi się z prac EH Synge w 1930 roku, to dopiero na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, po wynalezieniu lasera. Zasadniczo połączenie obrazowania laserowego z możliwością obliczania odległości za pomocą techniki czasu lotu, znalazło swoje najwcześniejsze zastosowania w meteorologii, gdzie był używany do pomiaru chmur, oraz w kosmosie, gdzie wysokościomierz laserowy był używany do mapowania powierzchni księżyca podczas misji Apollo 15. Od tego czasu technologia uległa poprawie i była używana w różnych zastosowaniach, w tym; wykrywanie aktywności sejsmicznych, oceanografii, archeologii i nawigacji, aby wymienić tylko kilka.

Jak działa LiDAR

Technologia jest dość podobna do technologii RADAR (nawigacja radiowa używana przez statki i samoloty) i SONAR (podwodne wykrywanie obiektów i nawigacja za pomocą dźwięku, głównie używane przez okręty podwodne), które wykorzystują zasadę odbicia fal do wykrywania obiektów i odległości oszacowanie. Jednakże, podczas gdy RADAR opiera się na falach radiowych, a SONAR na dźwiękach, LIDAR jest oparty na wiązkach światła (laser).

LIDAR wykorzystuje światło o różnych długościach fal, w tym; światło ultrafioletowe, widzialne lub bliskie podczerwieni do obrazowania obiektów i jako takie jest w stanie wykryć wszelkiego rodzaju skład materiałów, w tym; niemetale, skały, deszcz, związki chemiczne, aerozole, chmury, a nawet pojedyncze cząsteczki. Systemy LIDAR mogą wystrzelić do 1 000 000 impulsów świetlnych na sekundę i wykorzystać czas potrzebny na odbicie impulsów z powrotem do skanera, aby określić odległość, w jakiej znajdują się obiekty i powierzchnie wokół skanera. Technika używana do określania odległości jest znana jako czas lotu, a jej równanie podano poniżej.

Odległość = (prędkość światła x czas lotu) / 2

W większości zastosowań, poza pomiarem na odległość, tworzona jest trójwymiarowa mapa środowiska / obiektu, do którego została wysłana wiązka światła. Odbywa się to poprzez ciągłe wystrzeliwanie wiązki laserowej na obiekt lub otoczenie.

Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do odbicia zwierciadlanego, które można uzyskać w zwierciadłach płaskich, odbicie doświadczane w systemach LIDAR jest odbiciem wstecznym, gdy fale świetlne są rozpraszane z powrotem w kierunku, w którym przyszły. W zależności od zastosowania systemy LIDAR wykorzystują różne warianty rozpraszania wstecznego, w tym rozpraszania Rayleigha i Ramana,

Elementy systemu LIDAR

System LIDAR zazwyczaj składa się z 5 elementów, które powinny być obecne niezależnie od zmian wynikających z zastosowania. Te główne składniki obejmują:

Laser
System skanerów i optyki
Edytor
Elektronika precyzyjnego pomiaru czasu
Inercyjna jednostka pomiarowa i GPS

1. Laser

Laser służy jako źródło energii dla impulsów świetlnych. Długość fali lasera zastosowanego w systemach LIDAR różni się w zależności od aplikacji ze względu na specyficzne wymagania niektórych aplikacji. Na przykład systemy Airborne LiDAR wykorzystują lasery YAG pompowane diodą 1064 nm, podczas gdy systemy Batymetric wykorzystują lasery YAG z podwójną diodą 532 nm, które penetrują wodę (do 40 metrów) ze znacznie mniejszym tłumieniem niż wersja 1064 nm w powietrzu. Jednak niezależnie od zastosowań, używane lasery mają zwykle niską energię, aby zapewnić bezpieczeństwo.

2. Skaner i optyka

Skanery są ważną częścią każdego systemu LIDAR. Odpowiadają za rzutowanie impulsów laserowych na powierzchnie i odbieranie odbitych impulsów z powierzchni. Szybkość, z jaką obrazy są wywoływane przez system LIDAR, zależy od szybkości, z jaką skanery rejestrują rozproszone wstecznie wiązki. Niezależnie od zastosowania, optyka zastosowana w systemie LIDAR musi charakteryzować się wysoką precyzją i jakością, aby uzyskać najlepsze wyniki, szczególnie w przypadku mapowania. Rodzaj soczewek, dobór konkretnego szkła wraz z zastosowanymi powłokami optycznymi to główne wyznaczniki rozdzielczości i możliwości LIDAR-a.

W zależności od aplikacji można zastosować różne metody skanowania dla różnych rozdzielczości. Skanowanie azymutu i elewacji oraz skanowanie dwuosiowe to jedne z najpopularniejszych metod skanowania.

3. Procesory

Procesor o dużej pojemności jest zwykle sercem każdego systemu LIDAR. Służy do synchronizacji i koordynowania działań wszystkich poszczególnych komponentów systemu LIDAR, zapewniając, że wszystkie komponenty działają tak, jak powinny. Procesor integruje dane ze skanera, licznika czasu (jeśli nie jest wbudowany w podsystem przetwarzania), GPS i IMU w celu utworzenia danych punktów LIDAR. Te dane punktów wysokości są następnie wykorzystywane do tworzenia map w zależności od aplikacji. W samochodach bez kierowcy dane punktowe są wykorzystywane do dostarczania mapy otoczenia w czasie rzeczywistym, aby pomóc samochodom w unikaniu przeszkód i ogólnej nawigacji.

W przypadku światła przemieszczającego się z prędkością około 0,3 metra na nanosekundę i tysięcy wiązek zwykle odbijanych z powrotem do skanera, procesor zwykle wymaga dużej szybkości i dużych możliwości przetwarzania. Tym samym postęp w mocy obliczeniowej elementów obliczeniowych był jednym z głównych czynników napędzających technologię LIDAR.

4. Elektronika czasowa

Dokładne wyczucie czasu ma zasadnicze znaczenie w systemach LIDAR, ponieważ cała operacja odbywa się na czas. Elektronika czasowa reprezentuje podsystem LIDAR, który rejestruje dokładny czas opuszczenia impulsu laserowego i dokładny czas jego powrotu do skanera.

Jego precyzji i dokładności nie sposób przecenić. Ze względu na rozproszone odbicie, wysyłane impulsy zwykle mają wiele zwrotów, z których każdy musi być precyzyjnie zsynchronizowany w celu zapewnienia dokładności danych.

5. Inercyjne urządzenie pomiarowe i GPS

Gdy czujnik LiDAR jest zamontowany na platformie mobilnej, takiej jak satelity, samoloty lub samochody, konieczne jest określenie bezwzględnej pozycji i orientacji czujnika, aby zachować użyteczne dane. Osiąga się to dzięki zastosowaniu inercyjnego systemu pomiarowego (IMU) i globalnego systemu pozycjonowania (GPS). IMU zwykle składa się z akcelerometru, żyroskopu i magnetometru do pomiaru prędkości, orientacji i sił grawitacyjnych, które połączone razem służą do określenia orientacji kątowej (nachylenie, przechylenie i odchylenie) skanera względem podłoża. Z drugiej strony GPS dostarcza dokładnych informacji geograficznych dotyczących położenia czujnika, umożliwiając w ten sposób bezpośrednie georeferencje punktów obiektu.Te dwa komponenty zapewniają metodę tłumaczenia danych z czujników na statyczne punkty do wykorzystania w różnych systemach.

Dodatkowe informacje uzyskane za pomocą GPS i IMU mają kluczowe znaczenie dla integralności uzyskanych danych i pomagają zapewnić prawidłowe oszacowanie odległości do powierzchni, szczególnie w mobilnych aplikacjach LIDAR, takich jak pojazdy autonomiczne i systemy wyobrażeniowe oparte na samolotach.

Rodzaje LiDAR

Podczas gdy systemy LIDAR można podzielić na typy na podstawie wielu czynników, istnieją trzy ogólne typy systemów LIDAR;

Dalmierz LIDAR
Absorpcja różnicowa LIDAR
Doppler LIDAR

1. Dalmierz LIDAR

To najprostsze systemy LIDAR. Służą do określenia odległości skanera LIDAR od obiektu lub powierzchni. Wykorzystując zasadę czasu przelotu opisaną w części „jak to działa”, czas potrzebny do trafienia wiązki odbicia w skaner jest wykorzystywany do określenia odległości pomiędzy systemem LIDAR a obiektem.

2. LIDAR absorpcji różnicowej

Systemy LIDAR absorpcji różnicowej (czasami określane jako DIAL) są zwykle używane do badania obecności pewnych cząsteczek lub materiałów. Systemy DIAL zwykle wysyłają wiązki lasera o dwóch długościach fal, które są wybrane w taki sposób, że jedna z długości fali zostanie zaabsorbowana przez cząsteczkę będącą przedmiotem zainteresowania, a druga nie. Absorpcja jednej z wiązek powoduje różnicę (pochłanianie różnicowe) w natężeniu wiązek zwrotnych odbieranych przez skaner. Różnica ta jest następnie wykorzystywana do określenia poziomu obecności badanej cząsteczki. DIAL był używany do pomiaru stężeń substancji chemicznych (takich jak ozon, para wodna, zanieczyszczenia) w atmosferze.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR służy do pomiaru prędkości celu. Kiedy wiązka światła wystrzelona z LIDAR-u trafi w cel poruszający się w kierunku lub od LIDAR-a, długość fali światła odbitego / rozproszonego od celu ulegnie nieznacznej zmianie. Jest to znane jako przesunięcie Dopplera - w rezultacie Doppler LiDAR. Jeśli cel oddala się od LiDAR, światło powrotne będzie miało dłuższą długość fali (czasami określane jako przesunięcie ku czerwieni), jeśli poruszając się w kierunku LiDAR, światło powrotne będzie miało krótszą długość fali (przesunięte na niebiesko).

Niektóre z innych klasyfikacji, według których systemy LIDAR są pogrupowane według typów, obejmują:

Platforma
Rodzaj rozpraszania wstecznego

Typy LiDAR oparte na platformie

Używając platformy jako kryterium, systemy LIDAR można podzielić na cztery typy, w tym;

LIDAR naziemny
Airborne LIDAR
Spaceborne LIDAR
Motion LIDAR

Te LIDARy różnią się konstrukcją, materiałami, długością fali, wyglądem i innymi czynnikami, które są zwykle dobierane tak, aby pasowały do tego, co działa w środowisku, w którym mają być stosowane.

Typy LIDAR w oparciu o typ rozpraszania wstecznego

Opisując, jak działają systemy LIDAR, wspomniałem, że odbicie w LIDAR odbywa się poprzez rozpraszanie wsteczne. Różne typy wyjść rozpraszania wstecznego i czasami ich użycie do opisania typu LIDAR. Rodzaje rozpraszania wstecznego obejmują;

Mie
Rayleigh
Ramana
Fluorescencja

Zastosowania LiDAR

Ze względu na swoją wyjątkową dokładność i elastyczność LIDAR ma wiele zastosowań, w szczególności do tworzenia map o wysokiej rozdzielczości. Oprócz pomiarów, LIDAR był używany w rolnictwie, archeologii i robotach, ponieważ obecnie jest jednym z głównych czynników umożliwiających wyścig pojazdów autonomicznych, będąc głównym czujnikiem używanym w większości pojazdów z systemem LIDAR pełniącym rolę podobną do roli oczy dla pojazdów.

Istnieją setki innych aplikacji LiDAR i postaram się wymienić jak najwięcej z nich poniżej.

Pojazdy autonomiczne
Obrazowanie 3D
Geodezja
Inspekcja linii energetycznej
Zarządzanie turystyką i parkami
Ocena środowiskowa ochrony lasu
Modelowanie powodzi
Klasyfikacja ekologiczna i gruntowa
Modelowanie zanieczyszczeń
Poszukiwanie ropy i gazu
Meteorologia
Oceanografia
Wszelkiego rodzaju aplikacje wojskowe
Planowanie sieci komórkowej
Astronomia

Ograniczenia LiDAR

LIDAR jak każda inna technologia ma swoje wady. Zakres i dokładność systemu LIDAR są źle wpływa podczas złych warunków pogodowych. Na przykład w mglistych warunkach generowana jest znaczna liczba fałszywych sygnałów z powodu odbijania wiązek przez mgłę. Zwykle prowadzi to do efektu rozpraszania mie i jako takie, większość wystrzelonej wiązki nie wraca z powrotem do skanera. Podobna sytuacja występuje w przypadku deszczu, ponieważ cząsteczki deszczu powodują fałszywe powroty.

Pomijając pogodę, systemy LIDAR można oszukać (celowo lub nieumyślnie), myśląc, że obiekt istnieje, świecąc w jego kierunku „światła”. Według artykułu opublikowanego w 2015 roku, błyskanie prostym wskaźnikiem laserowym w systemie LIDAR zamontowanym na pojazdach autonomicznych może zdezorientować systemy nawigacyjne pojazdu, dając wrażenie istnienia obiektu tam, gdzie go nie ma. Ta wada, szczególnie w przypadku stosowania laserów w samochodach bez kierowcy, stwarza wiele problemów związanych z bezpieczeństwem, ponieważ złodziejom nie zajmie dużo czasu dopracowanie zasady użycia w atakach. Może to również prowadzić do wypadków, w których samochody zatrzymują się nagle na środku drogi, jeśli wyczują, jak sądzą, inny samochód lub pieszy.

Zalety i wady LiDAR

Podsumowując ten artykuł, powinniśmy prawdopodobnie przyjrzeć się powodom, dla których LIDAR może być dobrym rozwiązaniem dla Twojego projektu, i powodom, dla których prawdopodobnie powinieneś go unikać.

Zalety

1. Wysoka prędkość i dokładne pozyskiwanie danych

2. Wysoka penetracja

3. Nie ma wpływu na intensywność światła w swoim otoczeniu i może być używany w nocy lub na słońcu.

4. Obrazowanie w wysokiej rozdzielczości w porównaniu z innymi metodami.

5. Brak zniekształceń geometrycznych

6. Łatwo integruje się z innymi metodami akwizycji danych.

7. LIDAR charakteryzuje się minimalną zależnością od człowieka, co jest dobre w niektórych zastosowaniach, w których błąd ludzki może wpłynąć na wiarygodność danych.

Niedogodności

1. Koszt LIDAR sprawia, że w przypadku niektórych projektów jest on nadmierny. LIDAR najlepiej opisać jako relatywnie drogi.

2. Systemy LIDAR działają słabo podczas ulewnego deszczu, mgły lub śniegu.

3. Systemy LIDAR generują duże zbiory danych, których przetwarzanie wymaga dużych zasobów obliczeniowych.

4. Zawodny w aplikacjach z turbulentną wodą.

5. W zależności od przyjętej długości fali, działanie systemów LIDAR jest ograniczone na wysokości, ponieważ impulsy wystrzelone w niektórych rodzajach LIDARów stają się nieskuteczne na określonych wysokościach.

LIDAR dla hobbystów i twórców

Ze względu na koszt LIDAR-ów, większość systemów LIDAR na rynku (takich jak welodyne LIDAR) jest wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych (aby połączyć wszystkie aplikacje „niehobbystyczne”).

Najbliższym dostępnym obecnie systemem LIDAR „klasy hobbystów” są czujniki iLidar Solid-State LiDAR zaprojektowane przez Hybo. Jest to mały system LiDAR zdolny do mapowania 3D (bez obracania czujnika) o efektywnym maksymalnym zasięgu 6 metrów. Czujnik wyposażony jest w port USB oraz port UART / SPI / i2C, za pośrednictwem którego można nawiązać komunikację między czujnikiem a mikrokontrolerem.

iLidar został zaprojektowany z myślą o każdym, a funkcje związane z LiDAR sprawiają, że jest atrakcyjny dla twórców.