- Čo je LiDAR?
- Ako funguje LiDAR
- Súčasti systému LIDAR
- Typy LiDAR
- Typy LiDAR založené na platforme
- Typy LIDARU založené na type spätného rozptylu
- Aplikácie LiDAR
- Obmedzenia LiDAR
- Výhody a nevýhody LiDAR
- LIDAR pre fanúšikov a tvorcov
Automobily bez vodiča, ktoré boli jednou z najväčších technologických fantázií 90. rokov (poháňané predchádzajúcimi filmami ako „The Love Bug“ alebo „Demolition Man“), sú dnes realitou vďaka obrovskému pokroku dosiahnutému v oblasti niekoľkých technológií, najmä LIDAR.
Čo je LiDAR?
LIDAR (skratka pre Light Detection and Ranging) je technológia zameraná na meranie vzdialenosti, ktorá meria vzdialenosť objektu odpaľovaním lúčov svetla na objekt a na odhad vzdialenosti a v niektorých aplikáciách (laser) používa čas a vlnovú dĺžku odrazeného lúča svetla. Imaging), vytvorte 3D reprezentáciu objektu.
Zatiaľ čo myšlienku laseru možno vysledovať až k práci EH Synge v roku 1930, po vynájdení laseru to bolo až začiatkom 60. rokov. V zásade kombinácia laserovo zameraného zobrazovania so schopnosťou vypočítať vzdialenosti pomocou techniky času letu, našla svoje najskoršie aplikácie v meteorológii, kde sa používala na meranie oblakov, a vo vesmíre, kde sa na mapovanie povrch Mesiaca počas misie Apollo 15. Od tej doby sa technológia zdokonalila a používa sa v rôznych aplikáciách vrátane; detekcia seizmických aktivít, oceánografia, archeológia a navigácia, aby som spomenul niekoľko.
Ako funguje LiDAR
Technológia je dosť podobná technológii RADAR (navigácia rádiovými vlnami používaná loďami a lietadlami) a SONAR (detekcia podmorských objektov a navigácia pomocou zvuku používaného hlavne ponorkami), ktoré na detekciu objektov a vzdialenosť využívajú princíp odrazu vĺn. odhad. Zatiaľ čo však RADAR je založený na rádiových vlnách a SONAR je založený na zvukoch, LIDAR je založený na svetelných lúčoch (laserových).
LIDAR používa svetlo na rôznych vlnových dĺžkach vrátane; ultrafialové, viditeľné alebo blízke infračervené svetlo na obrazové objekty a ako také dokáže detekovať všetky druhy materiálových kompozícií vrátane; nekovy, skaly, dážď, chemické zlúčeniny, aerosóly, mraky a dokonca aj jednotlivé molekuly. Systémy LIDAR mohli vystreliť až 1 000 000 svetelných impulzov za sekundu a na zistenie vzdialenosti, v ktorej sa nachádzajú objekty a povrchy okolo skenera, využiť čas potrebný na ich odrazenie späť do skenera. Technika použitá na určenie vzdialenosti je známa ako čas letu a jej rovnica je uvedená nižšie.
Vzdialenosť = (rýchlosť svetla x čas letu) / 2
Vo väčšine aplikácií, okrem iba vzdialeného merania, sa vytvára 3D mapa prostredia / objektu, na ktorý bol svetelný lúč vypálený. To sa deje kontinuálnym pálením laserového lúča na objekt alebo prostredie.
Je dôležité poznamenať, že na rozdiel od zrkadlového odrazu získaného v rovinných zrkadlách je odraz v systémoch LIDAR spätne odrazeným odrazom, pretože svetelné vlny sú rozptýlené späť smerom, kam prišli. V závislosti od aplikácie používajú systémy LIDAR rôzne variácie spätného rozptylu vrátane Rayleighovho a Ramanovho rozptylu,
Súčasti systému LIDAR
Systém LIDAR zvyčajne pozostáva z 5 prvkov, ktorých prítomnosť sa očakáva bez ohľadu na variácie spôsobené aplikáciou. Medzi tieto hlavné komponenty patrí:
- Laserové
- Skenery a optický systém
- procesor
- Presná časovacia elektronika
- Inerciálna meracia jednotka a GPS
1. Laser
Laser slúži ako zdroj energie pre svetelné impulzy. Vlnová dĺžka laseru nasadeného v systémoch LIDAR sa líši od jednej aplikácie k druhej kvôli špecifickým požiadavkám určitých aplikácií. Napríklad vzdušné systémy LiDAR používajú lasery YAG napájané diódou 1064 nm, zatiaľ čo systémy Bathymetric používajú lasery YAG napájané dvojitou diódou 532 nm, ktoré prenikajú do vody (až do 40 metrov) s oveľa menším útlmom ako vzdušná verzia 1064 nm. Bez ohľadu na použitie sú však použité lasery kvôli zaisteniu bezpečnosti zvyčajne nízkoenergetické.
2. Skener a optika
Skenery sú dôležitou súčasťou každého systému LIDAR. Majú na starosti premietanie laserových impulzov na povrchy a príjem spätne odrazených impulzov z povrchu. Rýchlosť, akou sú obrazy vyvíjané systémom LIDAR, závisí od rýchlosti, akou skenery zachytávajú spätne rozptýlené lúče. Bez ohľadu na aplikáciu musí byť optika použitá v systéme LIDAR veľmi presná a kvalitná, aby sa dosiahli najlepšie výsledky, najmä pri mapovaní. Typ šošoviek, výber konkrétneho skla, spolu s použitými optickými vrstvami sú hlavnými determinantmi rozlíšenia a rozsahu schopností modelu LIDAR.
V závislosti od aplikácie je možné nasadiť rôzne metódy skenovania pre rôzne rozlíšenia. Azimutové a výškové skenovanie a dvojosové skenovanie sú niektoré z najpopulárnejších spôsobov skenovania.
3. Spracovatelia
Vysokokapacitný procesor je zvyčajne srdcom každého systému LIDAR. Používa sa na synchronizáciu a koordináciu činností všetkých jednotlivých komponentov systému LIDAR, aby sa zabezpečilo, že všetky komponenty fungujú, keď majú. Procesor integruje údaje zo skenera, časovača (ak nie sú zabudované do spracovateľského subsystému), GPS a IMU, aby vytvorili bodové údaje LIDAR. Tieto údaje o výškových bodoch sa potom použijú na vytvorenie máp v závislosti od aplikácie. V aplikáciách Driverless Cars sa bodové údaje používajú na poskytnutie mapy prostredia v reálnom čase, ktorá pomáha autám pri vyhýbaní sa prekážkam a pri všeobecnej navigácii.
Pretože svetlo cestuje rýchlosťou asi 0,3 metra za nanosekundu a tisíce lúčov sa zvyčajne odráža späť do skenera, vyžaduje sa od procesora zvyčajne vysoká rýchlosť a vysoké možnosti spracovania. Preto bol pokrok v oblasti výpočtovej sily výpočtových prvkov jedným z hlavných motorov technológie LIDAR.
4. Časová elektronika
Presné načasovanie je v systémoch LIDAR základom, pretože celá prevádzka je postavená na čase. Časová elektronika predstavuje subsystém LIDAR, ktorý zaznamenáva presný čas, ktorý opustí laserový impulz, a presný čas, ktorý sa vráti späť do skenera.
Je to presnosť a presnosť sa nedá príliš zdôrazniť. Kvôli rozptýlenému odrazu majú vysielané impulzy zvyčajne viacnásobné návraty, pričom každý z nich musí byť presne načasovaný, aby sa zabezpečila presnosť údajov.
5. Inerciálna meracia jednotka a GPS
Keď je snímač LiDAR namontovaný na mobilnej platforme, ako sú satelity, lietadlá alebo automobily, je potrebné určiť absolútnu polohu a orientáciu snímača, aby sa uchovali použiteľné údaje. To sa dosiahne použitím systému inerciálneho merania (IMU) a globálneho pozičného systému (GPS). IMU sa obvykle skladá z akcelerometra, gyroskopu a magnetometra na meranie rýchlosti, orientácie a gravitačných síl, ktoré sa kombinujú dohromady a používajú sa na stanovenie uhlovej orientácie (rozstupu, natočenia a vybočenia) skenera vzhľadom k zemi. GPS na druhej strane poskytuje presné geografické informácie týkajúce sa polohy snímača, čo umožňuje priame georeferencovanie bodov objektu.Tieto dve zložky poskytujú metódu na prevod údajov snímača do statických bodov na použitie v rôznych systémoch.
Dodatočné informácie získané pomocou GPS a IMU sú rozhodujúce pre integritu získaných údajov a pomáhajú zaistiť správny odhad vzdialenosti od povrchov, najmä v mobilných aplikáciách LIDAR, ako sú autonómne vozidlá a systémy predstavenia založené na lietadle.
Typy LiDAR
Zatiaľ čo systémy LIDAR možno klasifikovať do typov na základe mnohých faktorov, existujú tri všeobecné typy systémov LIDAR, ktoré sú;
- Diaľkomer LIDAR
- Diferenciálna absorpcia LIDAR
- Doppler LIDAR
1. Vyhľadávač dosahu LIDAR
Jedná sa o najjednoduchší druh systémov LIDAR. Používajú sa na určenie vzdialenosti od skenera LIDAR k objektu alebo povrchu. Použitím princípu času letu popísaného v časti „Ako to funguje“ sa čas potrebný na to, aby odrazový lúč dopadol na skener, použije na určenie vzdialenosti medzi systémom LIDAR a objektom.
2. Diferenciálna absorpcia LIDAR
Systémy LIDAR s diferenciálnou absorpciou (niekedy označované ako DIAL) sa zvyčajne používajú na zisťovanie prítomnosti určitých molekúl alebo materiálov. Systémy DIAL zvyčajne spaľujú laserové lúče dvoch vlnových dĺžok, ktoré sú vybrané takým spôsobom, že jedna z vlnových dĺžok bude absorbovaná záujmovou molekulou, zatiaľ čo druhá vlnová dĺžka nebude. Absorpcia jedného z lúčov má za následok rozdiel (rozdielnu absorpciu) v intenzite spätných lúčov prijatých skenerom. Tento rozdiel sa potom použije na odvodenie úrovne prítomnosti molekuly, ktorá sa skúma. DIAL sa používa na meranie chemických koncentrácií (ako je ozón, vodná para, znečisťujúce látky) v atmosfére.
3. Doppler LIDAR
Doppler LiDAR sa používa na meranie rýchlosti cieľa. Keď svetelné lúče vystrelené z LIDARU zasiahnu cieľ pohybujúci sa smerom k LIDARU alebo od neho, vlnová dĺžka svetla odrazeného / rozptýleného od cieľa sa mierne zmení. Toto je známe ako Dopplerov posun - vo výsledku Doppler LiDAR. Ak sa cieľ vzďaľuje od LiDAR, spätné svetlo bude mať dlhšiu vlnovú dĺžku (niekedy sa označuje ako červený posun), ak sa bude pohybovať smerom k LiDAR, bude mať spätné svetlo kratšiu vlnovú dĺžku (posunuté modré).
Niektoré z ďalších klasifikácií, podľa ktorých sú systémy LIDAR zoskupené do typov, zahŕňajú:
- Plošina
- Typ spätného rozptylu
Typy LiDAR založené na platforme
Použitím platformy ako kritéria možno systémy LIDAR rozdeliť do štyroch typov vrátane;
- Pozemný LIDAR
- Vzdušný LIDAR
- Vesmírny LIDAR
- Motion LIDAR
Tieto LIDARy sa líšia konštrukciou, materiálmi, vlnovou dĺžkou, výhľadom a ďalšími faktormi, ktoré sa zvyčajne vyberajú tak, aby vyhovovali tomu, čo funguje v prostredí, pre ktoré majú byť nasadené.
Typy LIDARU založené na type spätného rozptylu
Počas môjho opisu fungovania systémov LIDAR som spomenul, že odraz v LIDARe je spätný rozptyl. Rôzne typy výstupov spätného rozptylu a niekedy sa používajú na popis typu LIDAR. Medzi typy spätného rozptylu patria;
- Mie
- Rayleigh
- Raman
- Fluorescencia
Aplikácie LiDAR
Vďaka svojej extrémnej presnosti a flexibilite má LIDAR široké spektrum aplikácií, najmä na výrobu máp s vysokým rozlíšením. Rovnako ako zememeračstvo, LIDAR sa používal v poľnohospodárstve, archeológii a v robotoch, pretože je v súčasnosti jedným z hlavných predpokladov pretekov autonómnych vozidiel a je hlavným senzorom používaným vo väčšine vozidiel so systémom LIDAR, ktorý plní podobnú úlohu ako oči pre vozidlá.
Existuje 100 ďalších aplikácií LiDAR a nižšie sa ich pokúsim spomenúť čo najviac.
- Autonómne vozidlá
- 3D zobrazovanie
- Prieskum pozemkov
- Kontrola elektrického vedenia
- Turizmus a správa parkov
- Environmentálne hodnotenie ochrany lesov
- Povodňové modelovanie
- Ekologická a pozemková klasifikácia
- Modelovanie znečistenia
- Prieskum ropy a zemného plynu
- Meteorológia
- Oceánografia
- Všetky druhy vojenských aplikácií
- Plánovanie mobilnej siete
- Astronómia
Obmedzenia LiDAR
LIDAR ako každá iná technológia má svoje nedostatky. Rozsah a presnosť LIDAR systémy sú zasiahnuté pri zlých poveternostných podmienok. Napríklad v hmlistých podmienkach sa generuje značné množstvo falošných signálov v dôsledku odrazu lúčov od hmly. To zvyčajne vedie k rozptylu mie a ako taký sa väčšina vystreleného lúča nevracia späť do skenera. Podobný výskyt je zaznamenaný pri daždi, pretože častice dažďa spôsobujú nepravdivé návraty.
Okrem počasia môžu byť systémy LIDAR oklamané (zámerne alebo nerozvážne), aby si mysleli, že objekt existuje, blikaním „svetiel“. Podľa článku zverejneného v roku 2015 by blikanie jednoduchého laserového ukazovateľa na systém LIDAR namontovaný na autonómnych vozidlách mohlo dezorientovať navigačné systémy vozidla a budiť dojem existencie objektu, ak tam nie je. Táto chyba najmä v aplikáciách laserov bez vodičov do automobilu otvára veľa bezpečnostných obáv, pretože automobilkám nebude trvať dlho, kým zdokonalia princíp použitia pri útokoch. Mohlo by to tiež viesť k nehodám, pri ktorých by autá náhle zastavili uprostred cesty, ak by cítili, čo považovali za iné auto alebo chodca.
Výhody a nevýhody LiDAR
Aby sme tento článok zhrnuli, mali by sme sa pozrieť na dôvody, prečo by sa vám LIDAR mohol hodiť pre váš projekt, a dôvody, prečo by ste sa mu mali vyhnúť.
Výhody
1. Vysokorýchlostné a presné získavanie údajov
2. Vysoká penetrácia
3. Nie je ovplyvnená intenzitou svetla v danom prostredí a je možné ho používať v noci alebo na slnku.
4. Zobrazovanie vo vysokom rozlíšení v porovnaní s inými metódami.
5. Žiadne geometrické skreslenia
6. Ľahko sa integruje s inými metódami získavania údajov.
7. LIDAR má minimálnu ľudskú závislosť, ktorá je dobrá v určitých aplikáciách, kde by ľudská chyba mohla ovplyvniť spoľahlivosť údajov.
Nevýhody
1. Cena LIDAR-u spôsobuje, že je pri určitých projektoch nadmerná. Najlepšie sa dá LIDAR označiť za relatívne drahý.
2. Systémy LIDAR nedosahujú dobré výsledky v silnom daždi, hmle alebo snežení.
3. Systémy LIDAR generujú veľké súbory údajov, ktorých spracovanie vyžaduje veľké výpočtové zdroje.
4. Nespoľahlivé pri aplikáciách s turbulentnou vodou.
5. V závislosti na použitej vlnovej dĺžke je výkonnosť systémov LIDAR obmedzená nadmorská výška, pretože impulzy vypaľované v určitých druhoch LIDAR sa stávajú neúčinnými v určitých nadmorských výškach.
LIDAR pre fanúšikov a tvorcov
Kvôli nákladom na LIDARy sa väčšina systémov LIDAR na trhu (napríklad velodynové LIDARy) používa v priemyselných aplikáciách (na spojenie všetkých „nefandových“ aplikácií).
Najbližšie k systému LIDAR „pre fanúšikov“ sú senzory iLidar Solid-State LiDAR navrhnuté spoločnosťou Hybo. Jedná sa o malý systém LiDAR schopný 3D mapovania (bez otáčania snímača) s maximálnym efektívnym dosahom 6 metrov. Snímač je vybavený portom USB vedľa portu UART / SPI / i2C, cez ktorý je možné nadviazať komunikáciu medzi snímačom a mikrokontrolérom.
iLidar bol navrhnutý tak, aby vyhovoval všetkým, a vďaka vlastnostiam spojeným s LiDAR je atraktívny pre tvorcov.