Ce este lidar și cum funcționează

Mașinile fără șofer care au fost una dintre cele mai mari fantezii tehnologice din anii 1990 (alimentate de filme anterioare precum „Bugul dragostei” și „Omul de demolare”), sunt o realitate astăzi, datorită avansului uriaș realizat în jurul mai multor tehnologii, în special LIDAR.

Ce este LiDAR?

LIDAR (înseamnă Light Detection and Ranging) este o tehnologie de măsurare care măsoară distanța unui obiect prin tragerea razelor de lumină asupra obiectului și utilizează timpul și lungimea de undă a fasciculului de lumină reflectat pentru a estima distanța și în unele aplicații (Laser Imaging), creați o reprezentare 3D a obiectului.

În timp ce ideea din spatele laserului poate fi urmărită de lucrarea lui EH Synge în 1930, nu a fost un lucru până la începutul anilor 1960, după inventarea laserului. În esență, o combinație de imagini focalizate pe laser cu capacitatea de a calcula distanțele folosind tehnica timpului de zbor, și-a găsit primele aplicații în Meteorologie, unde a fost folosit pentru măsurarea norilor, și în Spațiu, unde a fost utilizat un altimetru laser pentru cartografierea suprafața lunii în timpul misiunii Apollo 15. De atunci, tehnologia s-a îmbunătățit și a fost utilizată în diverse aplicații, inclusiv; detectarea activităților seismice, oceanografiei, arheologiei și navigației pentru a menționa câteva.

Cum funcționează LiDAR

Tehnologia este destul de asemănătoare cu cea a RADAR (navigație cu unde radio folosite de nave și avioane) și SONAR (detectarea obiectelor subacvatice și navigarea utilizând sunet, utilizate în principal de submarine) care folosesc ambele principiul reflectării undelor pentru detectarea obiectelor și pentru distanță estimare. Cu toate acestea, în timp ce RADAR se bazează pe unde radio și SONAR se bazează pe sunete, LIDAR se bazează pe fascicule de lumină (laser).

LIDAR folosește lumina pe diferite lungimi de undă, inclusiv; lumină ultravioletă, vizibilă sau în infraroșu apropiat de obiecte de imagine și, ca atare, capabilă să detecteze toate tipurile de compoziții materiale, inclusiv; nemetale, roci, ploaie, compuși chimici, aerosoli, nori și chiar molecule unice. Sistemele LIDAR pot declanșa până la 1.000.000 de impulsuri de lumină pe secundă și pot folosi timpul necesar pentru ca impulsurile să fie reflectate înapoi la scaner pentru a determina distanța la care se află obiectele și suprafețele din jurul scanerului. Tehnica utilizată pentru determinarea distanței este cunoscută sub numele de timp de zbor și ecuația sa este dată mai jos.

Distanță = (Viteza luminii x Timp de zbor) / 2

În majoritatea aplicațiilor, altele decât măsurarea la distanță, se creează o hartă 3D a mediului / obiectului la care a fost tras focul de lumină. Acest lucru se realizează prin tragerea continuă a razei laser către obiect sau mediu.

Este important de reținut că, spre deosebire de reflexia de tip specular obținută în oglinzile plane, reflexia experimentată în sistemele LIDAR este o reflecție retrodifuzată, pe măsură ce undele luminoase sunt difuzate înapoi prin direcția în care au venit. În funcție de aplicație, sistemele LIDAR utilizează diferite variante de backscattering, inclusiv Rayleigh și Raman scattering,

Componentele unui sistem LIDAR

Un sistem LIDAR cuprinde de obicei 5 elemente care se așteaptă să fie prezente, indiferent de variațiile datorate aplicării. Aceste componente principale includ:

Laser
Scanere și sistem optic
Procesor
Electronică de sincronizare precisă
Unitate de măsurare inerțială și GPS

1. Laser

Laserul servește ca sursă de energie pentru impulsurile luminoase. Lungimea de undă a laserului implementat în sistemele LIDAR diferă de la o aplicație la alta datorită cerințelor specifice ale anumitor aplicații. De exemplu, sistemele LiDAR aeriene folosesc lasere YAG pompate cu diodă de 1064 nm, în timp ce sistemele batimetrice utilizează lasere YAG pompate cu diodă dublă de 532 nm care pătrund în apă (până la 40 de metri) cu atenuare mult mai mică decât versiunea 1064nm aeropurtată. Cu toate acestea, indiferent de aplicații, laserele utilizate sunt de obicei cu energie redusă pentru a asigura siguranța.

2. Scanner și Optică

Scannerele sunt o parte importantă a oricărui sistem LIDAR. Acestea sunt însărcinate cu proiectarea impulsurilor laser pe suprafețe și primirea înapoi a impulsurilor reflectate de la suprafață. Viteza la care imaginile sunt dezvoltate de un sistem LIDAR depinde de viteza cu care scanerele captează fasciculele retrodifuzate. Indiferent de aplicație, optica utilizată într-un sistem LIDAR trebuie să fie de înaltă precizie și calitate pentru a obține cele mai bune rezultate, în special pentru cartografiere. Tipul de lentile, alegerea specifică a sticlei, împreună cu straturile optice utilizate sunt factori determinanți majori ai capacității de rezoluție și gamă a LIDAR.

În funcție de aplicație, pot fi implementate o varietate de metode de scanare pentru rezoluții diferite. Scanarea azimutului și a înălțimii și scanarea cu două axe sunt unele dintre cele mai populare metode de scanare.

3. Procesoare

Un procesor de mare capacitate este de obicei în centrul oricărui sistem LIDAR. Este folosit pentru a sincroniza și coordona activitățile tuturor componentelor individuale ale sistemului LIDAR, asigurându-se că toate componentele funcționează atunci când ar trebui. Procesorul integrează datele de la scaner, temporizator (dacă nu este încorporat în subsistemul de procesare), GPS și IMU pentru a produce datele punctului LIDAR. Aceste date despre punctele de înălțime sunt apoi utilizate pentru a crea hărți în funcție de aplicație. În mașinile fără șofer, datele punctuale sunt utilizate pentru a oferi o hartă a mediului în timp real pentru a ajuta mașinile să evite obstacolele și să navigheze în general.

Cu lumina care circulă la o viteză de aproximativ 0,3 metri pe nanosecunde și mii de fascicule reflectate de obicei înapoi la scaner, procesorul este de obicei necesar să aibă o viteză mare cu capacități de procesare ridicate. Astfel, progresele în puterea de procesare a elementelor de calcul au fost unul dintre factorii principali ai tehnologiei LIDAR.

4. Electronică de sincronizare

Momentul precis este esențial în sistemele LIDAR, întrucât întreaga operațiune este construită la timp. Electronica de sincronizare reprezintă subsistemul LIDAR care înregistrează ora exactă a plecării unui impuls laser și ora exactă a revenirii la scaner.

Precizia sa nu poate fi prea accentuată. Datorită reflexiei împrăștiate, impulsurile trimise au de obicei mai multe reveniri, fiecare dintre acestea trebuind să fie temporizat cu precizie pentru a asigura acuratețea datelor.

5. Unitate de măsurare inerțială și GPS

Atunci când un senzor LiDAR este montat pe o platformă mobilă, cum ar fi sateliți, avioane sau automobile, este necesar să se determine poziția absolută și orientarea senzorului pentru a păstra datele utilizabile. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui sistem de măsurare inerțială (IMU) și a unui sistem de poziționare globală (GPS). IMU cuprinde de obicei un accelerometru, giroscop și un magnetometru pentru a măsura viteza, orientarea și forțele gravitaționale, care combinate împreună, sunt utilizate pentru a determina orientarea unghiulară (Pitch, roll și Yaw) a scanerului față de sol. Pe de altă parte, GPS-ul oferă informații geografice precise cu privire la poziția senzorului, permițând astfel georeferențierea directă a punctelor obiectului.Aceste două componente furnizează metoda de traducere a datelor senzorilor în puncte statice pentru utilizare într-o varietate de sisteme.

Informațiile suplimentare obținute folosind GPS-ul și IMU sunt cruciale pentru integritatea datelor achiziționate și ajută la asigurarea corectă a distanței față de suprafețe, în special în aplicațiile mobile LIDAR, cum ar fi vehiculele autonome și sistemele de imagini bazate pe avion.

Tipuri de LiDAR

În timp ce sistemele LIDAR pot fi clasificate în tipuri pe baza unui număr destul de mare de factori, există trei tipuri generice de sisteme LIDAR care sunt;

Telemetru LIDAR
Absorbție diferențială LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Acestea sunt cele mai simple tipuri de sisteme LIDAR. Acestea sunt utilizate pentru a determina distanța de la scanerul LIDAR la un obiect sau o suprafață. Prin utilizarea principiului timpului de zbor descris în secțiunea „cum funcționează”, timpul necesar pentru ca raza de reflecție să lovească scanerul este utilizat pentru a determina distanța dintre sistemul LIDAR și obiect.

2. Absorbție diferențială LIDAR

Sistemele LIDAR de absorbție diferențială (denumite uneori DIAL), sunt de obicei utilizate în investigarea prezenței anumitor molecule sau materiale. Sistemele DIAL declanșează de obicei fascicule laser de două lungimi de undă care sunt selectate în așa fel încât una dintre lungimi de undă să fie absorbită de molecula de interes, în timp ce cealaltă lungime de undă nu va fi. Absorbția unuia dintre fascicule are ca rezultat o diferență (absorbție diferențială) în intensitatea fasciculelor de retur primite de scaner. Această diferență este apoi utilizată pentru a deduce nivelul de prezență al moleculei investigate. DIAL a fost utilizat pentru a măsura concentrațiile chimice (cum ar fi ozonul, vaporii de apă, poluanții) în atmosferă.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR este utilizat pentru a măsura viteza unei ținte. Atunci când fasciculele de lumină trase de la LIDAR lovesc o țintă care se deplasează spre sau departe de LIDAR, lungimea de undă a luminii reflectate / împrăștiate de pe țintă va fi ușor modificată. Acest lucru este cunoscut sub numele de schimbare Doppler - ca urmare, Doppler LiDAR. Dacă ținta se îndepărtează de LiDAR, lumina de întoarcere va avea o lungime de undă mai mare (uneori denumită o schimbare de roșu), dacă se deplasează către LiDAR, lumina de întoarcere va fi la o lungime de undă mai mică (albastru deplasat).

Unele dintre celelalte clasificări pe care sistemele LIDAR sunt grupate în tipuri includ:

Platformă
Tipul de Backscattering

Tipuri de LiDAR bazate pe platformă

Folosind platforma ca criteriu, sistemele LIDAR pot fi grupate în patru tipuri, inclusiv;

LIDAR de la sol
LIDAR în aer
LIDAR în spațiu
Mișcare LIDAR

Aceste LIDAR diferă în ceea ce privește construcția, materialele, lungimea de undă, perspectivele și alți factori care sunt de obicei selectați pentru a se potrivi cu ceea ce funcționează în mediul în care urmează să fie implementate.

Tipuri de LIDAR pe baza tipului de retrodifuzare

În timpul descrierii mele despre modul în care funcționează sistemele LIDAR, am menționat că reflectarea în LIDAR se realizează prin backscattering. Diferite tipuri de ieșiri de backscattering și uneori se utilizează pentru a descrie tipul de LIDAR. Tipurile de backscattering includ;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescenţă

Aplicații LiDAR

Datorită preciziei și flexibilității sale extreme, LIDAR are un număr mare de aplicații, în special producția de hărți de înaltă rezoluție. În afară de topografie, LIDAR a fost folosit în agricultură, arheologie și roboți, deoarece este în prezent unul dintre factorii principali ai cursei autovehiculelor, fiind senzorul major utilizat în majoritatea vehiculelor cu sistemul LIDAR care îndeplinește un rol similar cu ochii vehiculelor.

Există sute de alte aplicații ale LiDAR și vor încerca să menționeze cât mai multe posibil mai jos.

Vehicule autonome
Imagistica 3D
Studiu funciar
Inspecția liniilor electrice
Managementul Turismului și Parcurilor
Evaluarea mediului pentru protecția pădurilor
Modelarea inundațiilor
Clasificare ecologică și funciară
Modelarea poluării
Explorarea petrolului și gazelor
Meteorologie
Oceanografie
Tot felul de aplicații militare
Planificarea rețelei celulare
Astronomie

Limitări LiDAR

LIDAR ca orice altă tehnologie are neajunsurile sale. Gama și acuratețea sistemelor LIDAR sunt grav afectate în condiții meteorologice nefavorabile. De exemplu, în condiții de ceață, se generează o cantitate semnificativă de semnale false datorită faptului că grinzile sunt reflectate de ceață. Acest lucru duce de obicei la efectul de împrăștiere mie și, ca atare, o mare parte din fasciculul tras nu revine înapoi la scaner. O întâmplare similară se întâlnește cu ploaia, deoarece particulele de ploaie provoacă reveniri false.

În afară de vreme, sistemele LIDAR pot fi păcălite (fie în mod deliberat, fie fără intenție) să creadă că un obiect există intermitând „lumini” la el. Potrivit unei lucrări publicate în 2015, intermitentul unui simplu indicator laser la sistemul LIDAR montat pe vehicule autonome ar putea dezorienta sistemele de navigație ale vehiculului, dându-i impresia existenței unui obiect în care nu există niciunul. Această defecțiune, în special în aplicarea laserelor cu mașină fără șofer, deschide o mulțime de probleme de securitate, deoarece nu va dura mult timp ca autovehiculele să rafineze principiul utilizării în atacuri. De asemenea, ar putea duce la accidente cu oprirea bruscă a mașinilor în mijlocul drumului dacă ar simți ceea ce credeau că este o altă mașină sau un pieton.

Avantajele și dezavantajele LiDAR

Pentru a încheia acest articol, probabil că ar trebui să analizăm motivele pentru care LIDAR ar putea fi o potrivire bună pentru proiectul dvs. și motivele pentru care probabil ar trebui să îl evitați.

Avantaje

1. Achiziție de date de mare viteză și precisă

2. Penetrare mare

3. Nu este afectat de intensitatea luminii din mediul său și poate fi folosit noaptea sau la soare.

4. Imagine de înaltă rezoluție în comparație cu alte metode.

5. Fără distorsiuni geometrice

6. Se integrează cu ușurință cu alte metode de achiziție de date.

7. LIDAR are o dependență umană minimă, ceea ce este bun în anumite aplicații în care erorile umane ar putea afecta fiabilitatea datelor.

Dezavantaje

1. Costul LIDAR îl face excesiv pentru anumite proiecte. LIDAR este cel mai bine descris ca fiind relativ scump.

2. Sistemele LIDAR funcționează slab în condiții de ploaie puternică, ceață sau zăpadă.

3. Sistemele LIDAR generează seturi de date mari care necesită resurse de calcul mari pentru procesare.

4. Nu este de încredere în aplicațiile cu apă turbulentă.

5. În funcție de lungimea de undă adoptată, performanța sistemelor LIDAR este limitată la altitudine, deoarece impulsurile declanșate în anumite tipuri de LIDAR-uri devin ineficiente la anumite altitudini.

LIDAR pentru Hobbyist și Makers

Datorită costului LIDAR-urilor, majoritatea sistemelor LIDAR de pe piață (precum LIDAR-urile velodine) sunt utilizate în aplicații industriale (pentru a reuni toate aplicațiile „non-hobbyiste”).

Cel mai apropiat de sistemul LIDAR „de calitate hobbyistă” disponibil acum sunt senzorii iLidar Solid-State LiDAR proiectați de Hybo. Este un sistem LiDAR mic capabil de cartografiere 3D (fără a roti senzorul) cu o rază maximă efectivă de 6 metri. Senzorul este echipat cu un port USB alături de un port UART / SPI / i2C prin care se poate stabili comunicarea între senzor și un microcontroler.

iLidar a fost conceput pentru a se potrivi tuturor, iar caracteristicile asociate cu LiDAR îl fac atractiv pentru producători.