Co je lidar a jak funguje

Automobily bez řidiče, které byly jednou z největších technologických fantazií 90. let (poháněné dřívějšími filmy jako „The Love Bug“ a „Demolition Man“), jsou dnes realitou, a to díky obrovskému pokroku v oblasti několika technologií, zejména LIDAR.

Co je LiDAR?

LIDAR (zkratka pro Light Detection and Ranging) je měřicí technologie, která měří vzdálenost objektu vypalováním paprsků světla na objekt a k odhadování vzdálenosti a v některých aplikacích (laser) používá čas a vlnovou délku odraženého paprsku světla Imaging), vytvořte 3D reprezentaci objektu.

I když myšlenku, která stojí za laserem, lze vysledovat až k práci EH Synge v roce 1930, až do počátku 60. let, po vynálezu laseru, to nebylo nic. V podstatě kombinace laserově zaměřeného zobrazování se schopností vypočítat vzdálenosti pomocí techniky letu, našla své nejčasnější aplikace v meteorologii, kde byla použita k měření mraků, a ve vesmíru, kde byl laserový výškoměr použit k mapování povrch měsíce během mise Apollo 15. Od té doby se technologie zdokonalila a používá se v různých aplikacích včetně; detekce seismických aktivit, oceánografie, archeologie a navigace, abych zmínil několik.

Jak funguje LiDAR

Tato technologie je velmi podobná technologii RADAR (navigace rádiovými vlnami používaná loděmi a letadly) a SONAR (detekce podvodních objektů a navigace pomocí zvuku, používaná hlavně ponorkami), které používají princip odrazu vln k detekci objektů a vzdálenosti odhad. Zatímco však RADAR je založen na rádiových vlnách a SONAR je založen na zvucích, LIDAR je založen na světelných paprskech (laseru).

LIDAR používá světlo na různých vlnových délkách včetně; ultrafialové, viditelné nebo blízké infračervené světlo na obrazové objekty a jako takové je schopné detekovat všechny druhy materiálových složení, včetně; nekovy, kameny, déšť, chemické sloučeniny, aerosoly, mraky a dokonce i jednotlivé molekuly. Systémy LIDAR by mohly vystřelit až 1 000 000 světelných pulsů za sekundu a využít čas potřebný k tomu, aby se impulsy odrazily zpět do skeneru, k určení vzdálenosti, ve které se nacházejí objekty a povrchy kolem skeneru. Technika použitá k určení vzdálenosti je známá jako doba letu a její rovnice je uvedena níže.

Vzdálenost = (rychlost světla x doba letu) / 2

Ve většině aplikací se kromě vzdáleného měření vytváří 3D mapa prostředí / objektu, na který byl vyzařován světelný paprsek. To se děje kontinuálním vypalováním laserového paprsku na objekt nebo prostředí.

Je důležité si uvědomit, že na rozdíl od odrazu zrcadlového typu, který lze získat v rovinných zrcadlech, je odraz v systémech LIDAR odrazem zpětného rozptýlení, protože světelné vlny jsou rozptýleny zpět směrem, kam přicházejí. V závislosti na aplikaci používají systémy LIDAR různé varianty zpětného rozptylu, včetně Rayleighova a Ramanova rozptylu,

Součásti systému LIDAR

Systém LIDAR se obvykle skládá z 5 prvků, u nichž se očekává přítomnost bez ohledu na variace způsobené aplikací. Mezi tyto hlavní součásti patří:

Laser
Skenery a optický systém
Procesor
Přesná elektronika časování
Inerciální měřící jednotka a GPS

1. Laser

Laser slouží jako zdroj energie pro světelné impulsy. Vlnová délka laseru nasazeného v systémech LIDAR se u jednotlivých aplikací liší kvůli specifickým požadavkům určitých aplikací. Například systémy Airborne LiDAR používají lasery YAG s diodou 1064 nm čerpané diodami, zatímco systémy Bathymetric používají lasery YAG s dvojitou diodou čerpané 532 nm, které pronikají do vody (až 40 metrů) s mnohem menším útlumem než verze 1064nm šířená vzduchem. Bez ohledu na použití jsou však použité lasery obvykle kvůli zajištění bezpečnosti nízkoenergetické.

2. Skener a optika

Skenery jsou důležitou součástí každého systému LIDAR. Mají na starosti promítání laserových pulsů na povrchy a přijímání zpětně odražených pulsů z povrchu. Rychlost, jakou jsou snímky vytvářeny systémem LIDAR, závisí na rychlosti, jakou skenery zachycují zpětně rozptýlené paprsky. Bez ohledu na aplikaci musí být optika použitá v systému LIDAR vysoce přesná a kvalitní, aby bylo dosaženo nejlepších výsledků, zejména při mapování. Typ čoček, výběr konkrétního skla spolu s použitými optickými povlaky jsou hlavními determinanty rozlišení a rozsahu schopností LIDARu.

V závislosti na aplikaci lze nasadit různé metody skenování pro různá rozlišení. Azimutové a výškové skenování a skenování ve dvou osách jsou některé z nejpopulárnějších metod skenování.

3. Procesory

Vysokokapacitní procesor je obvykle srdcem každého systému LIDAR. Používá se k synchronizaci a koordinaci činností všech jednotlivých komponent systému LIDAR zajišťujících, že všechny komponenty fungují, když mají. Procesor integruje data ze skeneru, časovače (pokud nejsou zabudována do zpracovatelského subsystému), GPS a IMU, aby vytvořil bodová data LIDAR. Tato data výškových bodů se poté použijí k vytvoření map v závislosti na aplikaci. V automobilech bez řidiče se bodová data používají k poskytnutí mapy prostředí v reálném čase, která pomáhá automobilům vyhnout se překážkám a obecné navigaci.

Vzhledem k tomu, že světlo se pohybuje rychlostí přibližně 0,3 metru za nanosekundu a tisíce paprsků se obvykle odráží zpět ke skeneru, je obvykle vyžadováno, aby procesor měl vysokou rychlost a vysoké možnosti zpracování. Proto byl pokrok ve výpočetní síle výpočetních prvků jednou z hlavních hnacích sil technologie LIDAR.

4. Časovací elektronika

Přesné načasování je v systémech LIDAR zásadní, protože celá operace je postavena na čase. Časovací elektronika představuje subsystém LIDAR, který zaznamenává přesný čas, který opustí laserový puls, a přesný čas, který se vrátí do skeneru.

Je to přesnost a přesnost nemůže být příliš zdůrazněna. Kvůli rozptýlenému odrazu mají vyslané impulsy obvykle více návratů, z nichž každý musí být přesně načasován, aby byla zajištěna přesnost dat.

5. Inerciální měřící jednotka a GPS

Pokud je senzor LiDAR namontován na mobilní platformě, jako jsou satelity, letadla nebo automobily, je nutné určit absolutní polohu a orientaci senzoru, aby byla zachována použitelná data. Toho je dosaženo použitím systému inerciálního měření (IMU) a globálního pozičního systému (GPS). IMU se obvykle skládá z akcelerometru, gyroskopu a magnetometru pro měření rychlosti, orientace a gravitačních sil, které se kombinují dohromady, se používají k určení úhlové orientace (výšky, náklonu a vybočení) skeneru vzhledem k zemi. GPS na druhé straně poskytuje přesné geografické informace týkající se polohy senzoru, což umožňuje přímé georeferencování bodů objektu.Tyto dvě komponenty poskytují metodu převodu dat ze senzorů do statických bodů pro použití v různých systémech.

Dodatečné informace získané pomocí GPS a IMU jsou zásadní pro integritu získaných dat a pomáhají zajistit správný odhad vzdálenosti k povrchům, zejména v mobilních aplikacích LIDAR, jako jsou Autonomous Vehicles a Air Plane založené systémy představení.

Typy LiDAR

Zatímco systémy LIDAR lze klasifikovat do typů na základě řady faktorů, existují tři obecné typy systémů LIDAR, které jsou;

Vyhledávač dosahu LIDAR
Diferenciální absorpce LIDAR
Doppler LIDAR

1. Vyhledávač dosahu LIDAR

Jedná se o nejjednodušší druh systémů LIDAR. Používají se k určení vzdálenosti od skeneru LIDAR k objektu nebo povrchu. Použitím principu doby letu popsaného v části „Jak to funguje“ se pro určení vzdálenosti mezi systémem LIDAR a objektem použije čas potřebný k dopadu odrazového paprsku na skener.

2. Diferenciální absorpce LIDAR

Diferenciální absorpční systémy LIDAR (někdy označované jako DIAL) se obvykle používají při vyšetřování přítomnosti určitých molekul nebo materiálů. Systémy DIAL obvykle střílejí laserové paprsky dvou vlnových délek, které jsou vybírány takovým způsobem, že jedna z vlnových délek bude absorbována sledovanou molekulou, zatímco druhá nebude. Absorpce jednoho z paprsků má za následek rozdíl (diferenciální absorpci) v intenzitě zpětných paprsků přijatých skenerem. Tento rozdíl se poté použije k odvození úrovně přítomnosti molekuly, která je zkoumána. DIAL se používá k měření chemických koncentrací (jako je ozon, vodní pára, znečišťující látky) v atmosféře.

3. Doppler LIDAR

Dopplerův LiDAR se používá k měření rychlosti cíle. Když světelné paprsky vystřelené z LIDARu zasáhnou cíl pohybující se směrem k LIDARU nebo od něj, vlnová délka světla odraženého / rozptýleného od cíle se mírně změní. Toto je známé jako Dopplerův posun - ve výsledku Doppler LiDAR. Pokud se cíl vzdaluje od LiDAR, bude mít zpětné světlo delší vlnovou délku (někdy označovanou jako červený posun), pokud se bude pohybovat směrem k LiDAR, bude mít zpětné světlo kratší vlnovou délku (modře posunuté).

Některé z dalších klasifikací, na kterých jsou systémy LIDAR seskupeny do typů, zahrnují:

Plošina
Typ zpětného rozptylu

Typy LiDAR založené na platformě

Při použití platformy jako kritéria lze systémy LIDAR rozdělit do čtyř typů, včetně;

Pozemní LIDAR
LIDAR ve vzduchu
Vesmírný LIDAR
Pohyb LIDAR

Tyto LIDARy se liší konstrukcí, materiály, vlnovou délkou, výhledem a dalšími faktory, které jsou obvykle vybrány tak, aby vyhovovaly tomu, co funguje v prostředí, pro které mají být nasazeny.

Typy LIDARu podle typu zpětného rozptylu

Během mého popisu fungování systémů LIDAR jsem zmínil, že reflexe v LIDARU probíhá přes zpětný rozptyl. Různý typ zpětného rozptylu a jeho někdy se používá k popisu typu LIDARU. Mezi typy zpětného rozptylu patří;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescence

Aplikace LiDAR

Díky své extrémní přesnosti a flexibilitě má LIDAR širokou škálu aplikací, zejména výrobu map ve vysokém rozlišení. Stejně jako průzkumy se LIDAR používá v zemědělství, archeologii a robotech, protože je v současné době jedním z hlavních předpokladů závodu autonomních vozidel a je hlavním senzorem používaným ve většině vozidel se systémem LIDAR, který plní podobnou roli jako oči pro vozidla.

Existuje 100 dalších aplikací LiDAR a pokusím se zmínit co nejvíce níže.

Autonomní vozidla
3D zobrazování
Zeměměřický průzkum
Kontrola elektrického vedení
Cestovní ruch a správa parků
Environmentální hodnocení pro ochranu lesů
Povodňové modelování
Ekologická a pozemková klasifikace
Modelování znečištění
Průzkum ropy a zemního plynu
Meteorologie
Oceánografie
Všechny druhy vojenských aplikací
Plánování mobilní sítě
Astronomie

Omezení LiDAR

LIDAR jako každá jiná technologie má své nedostatky. Rozsah a přesnost LIDAR systémy jsou zasaženy při špatných povětrnostních podmínek. Například v mlhavých podmínkách se generuje značné množství falešných signálů kvůli paprskům odráženým mlhou. To obvykle vede k efektu rozptylu mie a jako takový se většina vystřeleného paprsku nevrací zpět do skeneru. Podobný výskyt je zaznamenán u deště, protože částice deště způsobují nepravdivé návraty.

Kromě počasí lze systémy LIDAR oklamat (ať už úmyslně nebo neúmyslně), aby si mysleli, že objekt existuje, blikáním „světel“. Podle článku zveřejněného v roce 2015 by blikání jednoduchého laserového ukazovátka na systém LIDAR namontovaný na autonomních vozidlech mohlo dezorientovat navigační systémy vozidla, což by budilo dojem existence objektu, pokud žádný neexistuje. Tato chyba zejména v aplikaci laserů bez řidiče do automobilu otevírá řadu bezpečnostních obav, protože carjackers nebude trvat dlouho, než zdokonalí princip pro použití při útocích. Mohlo by to také vést k nehodám, kdy by auta náhle zastavila uprostřed silnice, kdyby cítila, co považovali za jiné auto nebo chodce.

Výhody a nevýhody LiDAR

Abychom tento článek shrnuli, měli bychom se asi podívat na důvody, proč by se LIDAR mohl pro váš projekt dobře hodit, a důvody, proč byste se mu pravděpodobně měli vyhnout.

Výhody

1. Vysokorychlostní a přesný sběr dat

2. Vysoká penetrace

3. Není ovlivňována intenzitou světla ve svém prostředí a lze jej použít v noci nebo na slunci.

4. Zobrazování ve vysokém rozlišení ve srovnání s jinými metodami.

5. Žádné geometrické deformace

6. Snadná integrace s dalšími metodami sběru dat.

7. LIDAR má minimální závislost na člověku, což je dobré v určitých aplikacích, kde by lidská chyba mohla ovlivnit spolehlivost dat.

Nevýhody

1. Náklady na LIDAR jsou u některých projektů přehnané. LIDAR lze nejlépe popsat jako relativně drahý.

2. Systémy LIDAR špatně fungují v silném dešti, mlze nebo sněhu.

3. Systémy LIDAR generují velké datové sady, jejichž zpracování vyžaduje velké výpočetní zdroje.

4. Nespolehlivý v aplikacích s turbulentní vodou.

5. V závislosti na použité vlnové délce je výkon systémů LIDAR omezenou nadmořskou výškou, protože pulsy vypouštěné v určitých druzích LIDARů jsou v určitých výškách neúčinné.

LIDAR pro fandy a tvůrce

Vzhledem k ceně LIDARů se většina systémů LIDAR na trhu (jako velodynské LIDARy) používá v průmyslových aplikacích (ke spojení všech „nefandových“ aplikací).

Nejblíže k systému LIDAR „pro fanoušky“ jsou nyní dostupné iLidar Solid-State LiDAR senzory navržené společností Hybo. Jedná se o malý systém LiDAR schopný 3D mapování (bez otáčení senzoru) s maximálním efektivním dosahem 6 metrů. Senzor je vybaven USB portem vedle UART / SPI / i2C portu, přes který lze navázat komunikaci mezi senzorem a mikrokontrolérem.

iLidar byl navržen tak, aby vyhovoval všem, a díky vlastnostem spojeným s LiDAR je atraktivní pro výrobce.