Što je lidar i kako djeluje

Automobili bez vozača koji su bili jedna od najvećih tehnoloških fantazija devedesetih (potaknuti ranijim filmovima poput "Ljubavna greška" i "Čovjek za rušenje") danas su stvarnost zahvaljujući velikom napretku postignutom oko nekoliko tehnologija, posebno LIDAR-a.

Što je LiDAR?

LIDAR (skraćenica od Detection and Range Light) je tehnologija za mjerenje udaljenosti koja mjeri udaljenost objekta ispaljujući zrake svjetlosti u objekt i koristi vrijeme i valnu duljinu reflektiranog snopa svjetlosti za procjenu udaljenosti i u nekim primjenama (Laser Imaging), stvorite 3D prikaz Objekta.

Iako se ideja koja stoji iza lasera može pratiti u radu EH Syngea 1930. godine, to je bilo sve do ranih 1960-ih, nakon izuma lasera. U osnovi kombinacija laserski fokusiranog snimanja i mogućnosti izračunavanja udaljenosti pomoću tehnike leta, pronašla je svoje najranije primjene u meteorologiji, gdje je korištena za mjerenje oblaka, te u svemiru, gdje je laserski visinomjer korišten za mapiranje Mjesečeva površina tijekom misije Apollo 15. Od tada se tehnologija poboljšala i koristi se u različitim primjenama, uključujući; otkrivanje seizmičkih aktivnosti, oceanografiju, arheologiju i navigaciju da nabrojimo neke.

Kako djeluje LiDAR

Tehnologija je prilično slična onoj u RADAR-u (radio-valovna navigacija koju koriste brodovi i avioni) i SONAR-u (podvodno otkrivanje objekata i navigacija zvukom, uglavnom u upotrebi podmornica), koji obje koriste princip refleksije valova za otkrivanje objekata i udaljenost procjena. Međutim, dok se RADAR temelji na radio valovima, a SONAR na zvukovima, LIDAR se temelji na svjetlosnim snopovima (laserski).

LIDAR koristi svjetlost na različitim valnim duljinama, uključujući; ultraljubičasto, vidljivo ili blisko infracrveno svjetlo na objektima koji mogu otkriti sve vrste materijalnih sastava, uključujući; nemetali, stijene, kiša, kemijski spojevi, aerosoli, oblaci, pa čak i pojedinačne molekule. LIDAR sustavi mogu aktivirati do 1.000.000 svjetlosnih impulsa u sekundi i iskoristiti vrijeme potrebno da se impulsi odbiju natrag u skener kako bi odredili udaljenost na kojoj se nalaze predmeti i površine oko skenera. Tehnika korištena za određivanje udaljenosti poznata je kao vrijeme leta, a jednadžba je dana u nastavku.

Udaljenost = (Brzina svjetlosti x Vrijeme leta) / 2

U većini aplikacija, osim samo udaljenih mjerenja, stvara se 3D karta okoliša / objekta na koji je pucala svjetlosna zraka. To se postiže neprekidnim ispaljivanjem laserske zrake na predmet ili okolinu.

Važno je napomenuti da je, za razliku od zrcalne refleksije koja se može dobiti u ravnim zrcalima, refleksija iskusna u LIDAR sustavima povratno raspršena refleksija jer se svjetlosni valovi difuziraju natrag u smjeru u kojem su došli. Ovisno o primjeni, LIDAR sustavi koriste različite varijacije povratnog raspršenja, uključujući Rayleighovo i Ramanovo raspršivanje,

Komponente LIDAR sustava

Sustav LIDAR obično se sastoji od 5 elemenata za koje se očekuje da će biti prisutni bez obzira na varijacije zbog primjene. Te glavne komponente uključuju:

Laser
Skeneri i optički sustav
Procesor
Točna elektronika vremena
Inercijalna mjerna jedinica i GPS

1. Laser

Laser služi kao izvor energije za svjetlosne impulse. Valna duljina lasera ugrađenog u LIDAR sustave razlikuje se od aplikacije do aplikacije zbog specifičnih zahtjeva određenih aplikacija. Na primjer, zračni LiDAR sustavi koriste YAG lasere s 1064 nm diodom, dok Bathymetric sustavi koriste 532nm YAG lasere s dvostrukom diodom koji pumpaju u vodu (do 40 metara) s mnogo manje slabljenja od verzije u zraku 1064nm. Međutim, bez obzira na primjenu, laseri koji se koriste obično su niske energije kako bi se osigurala sigurnost.

2. Skener i optika

Skeneri su važan dio svakog LIDAR sustava. Oni su zaduženi za projiciranje laserskih impulsa na površine i primanje natrag reflektiranih impulsa s površine. Brzina kojom slike razvija sustav LIDAR ovisi o brzini kojom skeneri hvataju unatrag raspršene zrake. Bez obzira na primjenu, optika koja se koristi u LIDAR sustavu mora biti visoke preciznosti i kvalitete kako bi se postigli najbolji rezultati, posebno za mapiranje. Vrsta leća, specifičan izbor stakla, zajedno s korištenim optičkim premazima glavne su odrednice razlučivosti i mogućnosti dometa LIDAR-a.

Ovisno o aplikaciji, mogu se primijeniti razne metode skeniranja za različite rezolucije. Skeniranje azimuta i elevacije te dvoosno skeniranje neke su od najpopularnijih metoda skeniranja.

3. Procesori

Procesor velikog kapaciteta obično je u središtu svakog LIDAR sustava. Koristi se za sinkronizaciju i koordinaciju aktivnosti svih pojedinačnih komponenata LIDAR sustava osiguravajući da sve komponente rade kada bi trebale. Procesor integrira podatke iz skenera, timera (ako nije ugrađen u podsustav za obradu), GPS-a i IMU-a kako bi proizveo podatke o LIDAR točki. Podaci o nadmorskoj točki zatim se koriste za izradu karata, ovisno o primjeni. U vozilima bez vozača podaci točke koriste se za pružanje karte okoliša u stvarnom vremenu koja pomaže automobilima u izbjegavanju prepreka i općoj navigaciji.

S obzirom da se svjetlost putuje brzinom od oko 0,3 metra u nanosekundi i tisuće snopova koji se obično reflektiraju natrag u skener, procesor obično treba biti velike brzine i velike mogućnosti obrade. Stoga je napredak u procesorskoj snazi računalnih elemenata jedan od glavnih pokretača LIDAR tehnologije.

4. Elektronika vremena

Precizno mjerenje vremena najvažnije je za LIDAR sustave jer je cijela operacija izgrađena na vrijeme. Elektronika za određivanje vremena predstavlja LIDAR podsustav koji bilježi točno vrijeme odlaska laserskog impulsa i točno vrijeme kada se vraća u skener.

Njegova se preciznost i točnost ne može previše naglasiti. Zbog raspršenog odraza, poslani impulsi obično imaju višestruki povrat, od kojih svaki treba biti precizno tempiran kako bi se osigurala točnost podataka.

5. Inercijalna mjerna jedinica i GPS

Kada je LiDAR senzor postavljen na mobilnu platformu kao što su sateliti, zrakoplovi ili automobili, potrebno je odrediti apsolutni položaj i orijentaciju senzora kako bi se zadržali korisni podaci. To se postiže korištenjem inercijalnog mjernog sustava (IMU) i sustava globalnog pozicioniranja (GPS). IMU se obično sastoji od akcelerometra, žiroskopa i magnetometra za mjerenje brzine, orijentacije i gravitacijskih sila, koje se zajedno kombiniraju za određivanje kutne orijentacije (nagib, kotrljanje i skretanje) skenera u odnosu na tlo. GPS, s druge strane, pruža točne zemljopisne podatke o položaju senzora, omogućujući tako izravno georeferenciranje točaka objekta.Ove dvije komponente pružaju metodu za prevođenje podataka senzora u statičke točke za upotrebu u raznim sustavima.

Dodatne informacije dobivene pomoću GPS-a i IMU-a presudne su za cjelovitost prikupljenih podataka i pomažu u osiguravanju točne procjene udaljenosti do površina, posebno u mobilnim LIDAR aplikacijama poput autonomnih vozila i zamislivih sustava temeljenih na zrakoplovu.

Vrste LiDAR-a

Iako se LIDAR sustavi mogu klasificirati u tipove na temelju popriličnog broja čimbenika, postoje tri generička tipa LIDAR sustava;

Daljinomjer LIDAR
Diferencijalna apsorpcija LIDAR
Doppler LIDAR

1. Daljinomjer LIDAR

To su najjednostavnije vrste LIDAR sustava. Koriste se za određivanje udaljenosti od LIDAR skenera do predmeta ili površine. Korištenjem principa vremena leta opisanog u odjeljku "kako to radi", vrijeme potrebno da reflektirajuća zraka pogodi skener koristi se za određivanje udaljenosti između LIDAR sustava i objekta.

2. Diferencijalna apsorpcija LIDAR

Diferencijalni apsorpcijski LIDAR sustavi (ponekad se nazivaju i DIAL) obično se koriste u istraživanju prisutnosti određenih molekula ili materijala. DIAL sustavi obično ispaljuju laserske zrake dvije valne duljine koje su odabrane na takav način da molekula od interesa upije jednu od valnih duljina, dok druga valna duljina neće. Apsorpcija jedne zrake rezultira razlikom (diferencijalnom apsorpcijom) u intenzitetu povratnih zraka koje prima skener. Ta se razlika zatim koristi za utvrđivanje razine prisutnosti molekule koja se istražuje. DIAL se koristi za mjerenje kemijskih koncentracija (poput ozona, vodene pare, zagađivača) u atmosferi.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR koristi se za mjerenje brzine cilja. Kad zrake svjetlosti ispaljene s LIDAR-a pogodiju cilj koji se kreće prema LIDAR-u ili od njega, valna duljina svjetlosti koja se odbija / raspršuje od cilja malo će se promijeniti. To je poznato kao Dopplerov pomak - kao rezultat toga, Doppler LiDAR. Ako se meta udaljava od LiDAR-a, povratno svjetlo imat će dulju valnu duljinu (ponekad se naziva i crveni pomak), ako se kreće prema LiDAR-u, povratno svjetlo bit će na kraćoj valnoj duljini (pomaknuto plavo).

Neke druge klasifikacije na kojima su LIDAR sustavi grupirani u vrste uključuju:

Platforma
Vrsta povratnog raspršivanja

Vrste LiDAR-a na temelju platforme

Koristeći platformu kao kriterij, LIDAR sustavi mogu se grupirati u četiri vrste, uključujući;

Zemaljski LIDAR
U zraku LIDAR
U svemiru LIDAR
Pokret LIDAR

Ti se LIDAR-ovi razlikuju u konstrukciji, materijalima, valnoj duljini, izgledu i drugim čimbenicima koji su obično odabrani kako bi odgovarali onome što djeluje u okruženju za koje će biti raspoređeni.

Vrste LIDAR-a na temelju vrste povratnog raspršivanja

Tijekom mog opisa kako funkcioniraju LIDAR sustavi, spomenuo sam da se u LIDAR-u refleksija odražava povratnim raspršivanjem. Različiti tipovi izlaza za povratno rasipanje i ponekad se koriste za opisivanje vrste LIDAR. Vrste povratnog rasipanja uključuju;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescencija

Primjene LiDAR-a

Zbog svoje iznimne točnosti i fleksibilnosti LIDAR ima širok broj aplikacija, posebno izradu karata visoke rezolucije. Osim istraživanja, LIDAR se koristi u poljoprivredi, arheologiji i robotima jer je trenutno jedan od glavnih čimbenika autonomne utrke vozila, budući da je glavni senzor koji se koristi u većini vozila sa sustavom LIDAR koji ima ulogu sličnu onoj oči za vozila.

Postoji 100 drugih aplikacija LiDAR-a i pokušat ćemo ih spomenuti što je više moguće u nastavku.

Autonomna vozila
3D snimanje
Izmjera zemljišta
Inspekcija dalekovoda
Turizam i upravljanje parkovima
Procjena utjecaja na okoliš za zaštitu šuma
Modeliranje poplave
Ekološka i klasifikacija zemljišta
Modeliranje onečišćenja
Istraživanje nafte i plina
Meteorologija
Oceanografija
Sve vrste vojnih aplikacija
Planiranje stanične mreže
Astronomija

Ograničenja LiDAR-a

LIDAR kao i svaka druga tehnologija ima svojih nedostataka. Raspon i točnost LIDAR sustav loše utječe na vrijeme loših vremenskih uvjeta. Primjerice, u maglovitim uvjetima generira se značajna količina lažnih signala zbog snopova koji se odražavaju u magli. To obično dovodi do efekta raspršivanja miea i kao takav, glavnina ispaljenog snopa ne vraća se natrag u skener. Slična se pojava događa s kišom jer čestice kiše uzrokuju lažni povrat.

Osim vremena, LIDAR sustavi mogu se prevariti (namjerno ili nenamjerno) kako bi pomislili da objekt postoji trepćući "svjetlima" na njemu. Prema radu objavljenom 2015. godine, bljeskanje jednostavnog laserskog pokazivača na sustavu LIDAR postavljenom na autonomnim vozilima moglo bi dezorijentirati navigacijske sustave vozila, stvarajući dojam postojanja objekta gdje ga uopće nema. Ova mana, posebno u primjeni lasera na automobile bez vozača, otvara mnoge sigurnosne probleme, jer automobilima neće trebati dugo da usavrše načelo za upotrebu u napadima. To bi također moglo dovesti do nesreća kada bi se automobili naglo zaustavili nasred ceste ako bi osjetili za što vjeruju da je drugi automobil ili pješak.

Prednosti i nedostaci LiDAR-a

Da završimo ovaj članak, vjerojatno bismo trebali razmotriti razloge zbog kojih ste LIDAR dobro odgovarali vašem projektu i razloge zašto biste ga vjerojatno trebali izbjegavati.

Prednosti

1. Velika brzina i točno prikupljanje podataka

2. Visoka penetracija

3. Ne utječe intenzitet svjetlosti u njegovom okruženju i može se koristiti noću ili na suncu.

4. Slika visoke razlučivosti u usporedbi s drugim metodama.

5. Nema geometrijskih izobličenja

6. Jednostavno se integrira s drugim metodama prikupljanja podataka.

7. LIDAR ima minimalnu ovisnost o čovjeku, što je dobro u određenim aplikacijama gdje bi ljudska pogreška mogla utjecati na pouzdanost podataka.

Mane

1. Troškovi LIDAR-a pretjeruju za određene projekte. LIDAR je najbolje opisati kao relativno skup.

2. LIDAR sustavi imaju lošu izvedbu u uvjetima jake kiše, magle ili snijega.

3. LIDAR sustavi generiraju velike skupove podataka koji zahtijevaju velike računske resurse za obradu.

4. Nepouzdan u turbulentnoj vodi.

5. Ovisno o prihvaćenoj valnoj duljini, izvedba LIDAR sustava ograničena je na nadmorskoj visini jer impulsi otpušteni u određenim vrstama LIDAR-a postaju neučinkoviti na određenim visinama.

LIDAR za hobiste i proizvođače

Zbog cijene LIDAR-a, većina LIDAR sustava na tržištu (poput velodyne LIDAR-a) koristi se u industrijskim aplikacijama (za okupljanje svih "ne-hobističkih" aplikacija).

Najbliži LIDAR sustavu koji ima „hobistički razred“ trenutno su iLidar SSD LiDAR senzori koji je dizajnirao Hybo. To je mali LiDAR sustav sposoban za 3D mapiranje (bez okretanja senzora) s učinkovitim maksimalnim dometom od 6 metara. Senzor je opremljen USB priključkom uz UART / SPI / i2C priključak putem kojeg se može uspostaviti komunikacija između senzora i mikrokontrolera.

iLidar je dizajniran da odgovara svima, a značajke povezane s LiDAR-om čine ga privlačnim za proizvođače.