- Kaj je LiDAR?
- Kako deluje LiDAR
- Sestavni deli sistema LIDAR
- Vrste LiDAR
- Vrste LiDAR na podlagi platforme
- Vrste LIDAR-ja glede na vrsto povratnega razsejanja
- Aplikacije LiDAR
- Omejitve LiDAR
- Prednosti in slabosti LiDAR
- LIDAR za ljubitelje ljubiteljev in izdelovalce
Avtomobili brez voznika, ki so bili ena največjih tehnoloških domišljij v devetdesetih letih prejšnjega stoletja (podkrepili so jih prejšnji filmi, kot sta "Ljubezenska napaka" in "Človek rušenja"), so danes resničnost, zahvaljujoč velikemu napredku več tehnologij, zlasti LIDAR.
Kaj je LiDAR?
LIDAR (okrajšava za zaznavanje in merjenje svetlobe) je tehnologija za merjenje oddaljenosti, ki meri razdaljo predmeta tako, da nanj sproži svetlobne žarke, za izračun razdalje in v nekaterih aplikacijah uporablja čas in valovno dolžino odbitega svetlobnega žarka (Laser Imaging), ustvarite 3D predstavitev predmeta.
Čeprav je idejo za laserjem mogoče izslediti pri delu EH Synge leta 1930, je bilo to vse do zgodnjih šestdesetih let po izumu laserja. V bistvu kombinacija lasersko usmerjenega slikanja z zmožnostjo izračuna razdalje s pomočjo tehnike letenja, je svoje najzgodnejše aplikacije našla v meteorologiji, kjer so jo uporabljali za merjenje oblakov, in v vesolju, kjer je bil laserski višinomer uporabljen za preslikavo lunina površina med misijo Apollo 15. Od takrat se je tehnologija izboljšala in se uporablja v različnih aplikacijah, vključno z; odkrivanje potresnih dejavnosti, oceanografija, arheologija in navigacija, da omenimo le nekatere.
Kako deluje LiDAR
Tehnologija je precej podobna tehnologiji RADAR (radijska valovna navigacija, ki jo uporabljajo ladje in letala) in SONAR (podvodno zaznavanje predmetov in navigacija z uporabo zvoka, ki ga večinoma uporabljajo podmornice), ki oba uporabljata načelo odboja valov za odkrivanje predmetov in razdaljo ocena. Čeprav RADAR temelji na radijskih valovih, SONAR pa na zvokih, LIDAR temelji na svetlobnih žarkih (laser).
LIDAR uporablja svetlobo na različnih valovnih dolžinah, vključno z; ultravijolična, vidna ali bližnja infrardeča svetloba na slikovne predmete in je kot taka sposobna zaznati vse vrste materialnih sestav, vključno z; nekovine, kamnine, dež, kemične spojine, aerosoli, oblaki in celo posamezne molekule. Sistemi LIDAR lahko sprožijo do 1.000.000 svetlobnih impulzov na sekundo in porabijo čas, da se impulzi odbijejo nazaj v optični bralnik, da določijo razdaljo, na kateri se nahajajo predmeti in površine okoli optičnega bralnika. Tehnika, ki se uporablja za določanje razdalje, je znana kot čas leta in je enačba podana spodaj.
Razdalja = (hitrost svetlobe x čas leta) / 2
V večini aplikacij, razen le oddaljenih meritev, se ustvari 3D zemljevid okolja / predmeta, v katerem je bil sprožen svetlobni žarek. To se doseže z neprekinjenim streljanjem laserskega žarka na predmet ali okolje.
Pomembno je omeniti, da je v nasprotju z odsevom zrcalnega tipa, ki ga dobimo v ravninskih ogledalih, odsev, ki ga imamo v sistemih LIDAR, odsev nazaj, saj se svetlobni valovi razpršijo nazaj v smer, kamor so prišli. Odvisno od aplikacije, sistemi LIDAR uporabljajo različne različice razprševanja, vključno z Rayleighovim in Ramanovim sipanjem,
Sestavni deli sistema LIDAR
Sistem LIDAR običajno vsebuje 5 elementov, za katere se pričakuje, da bodo prisotni ne glede na spremembe zaradi uporabe. Te glavne komponente vključujejo:
- Laser
- Optični bralniki in optični sistem
- Procesor
- Natančna elektronika krmiljenja
- Inercialna merska enota in GPS
1. Laser
Laser služi kot vir energije za svetlobne impulze. Valovna dolžina laserja, nameščenega v sistemih LIDAR, se razlikuje glede na aplikacijo zaradi posebnih zahtev nekaterih aplikacij. Na primer, sistemi LiDAR v zraku uporabljajo 1064 nm diode s črpalko YAG laserji, Bathymetric pa 532 nm laserji YAG z dvojno diodo, ki prodirajo v vodo (do 40 metrov) z veliko manj dušenja kot različica v zraku 1064 nm. Ne glede na uporabo pa so laserji običajno nizkoenergijski, da se zagotovi varnost.
2. Optični bralnik in optika
Optični bralniki so pomemben del katerega koli sistema LIDAR. Zadolženi so za projiciranje laserskih impulzov na površine in sprejemanje odsevnih impulzov s površine. Hitrost, s katero sistem LIDAR razvija slike, je odvisna od hitrosti, s katero skenerji zajamejo nazaj razpršene žarke. Ne glede na uporabo mora biti optika, ki se uporablja v sistemu LIDAR, zelo natančna in kakovostna, da se dosežejo najboljši rezultati, zlasti pri kartiranju. Vrsta leč, specifična izbira stekla, skupaj z uporabljenimi optičnimi premazi so glavni dejavniki ločljivosti in zmogljivosti LIDAR-ja.
Glede na aplikacijo je mogoče uporabiti različne metode skeniranja za različne ločljivosti. Optično branje in višinsko skeniranje ter dvoosno skeniranje so nekateri izmed najbolj priljubljenih načinov skeniranja.
3. Procesorji
Procesor z visoko zmogljivostjo je običajno v središču katerega koli sistema LIDAR. Uporablja se za sinhronizacijo in usklajevanje dejavnosti vseh posameznih komponent sistema LIDAR, s čimer zagotavlja, da vse komponente delujejo takrat, ko bi morale. Procesor vključuje podatke iz optičnega bralnika, časovnika (če ni vgrajen v podsistem za obdelavo), GPS-ja in IMU-ja, da ustvari podatke o točki LIDAR. Ti podatki o nadmorski višini se nato uporabljajo za ustvarjanje zemljevidov, odvisno od aplikacije. V avtomobilih Driverless Cars se podatki o točkah uporabljajo za prikaz zemljevida okolja v realnem času, ki avtomobilom pomaga pri izogibanju oviram in splošni navigaciji.
Pri svetlobi, ki potuje s hitrostjo približno 0,3 metra na nanosekunde, in na tisoče žarkov, ki se običajno odbijejo nazaj v optični bralnik, se običajno zahteva, da je procesor hiter in ima velike zmogljivosti obdelave. Tako je bil napredek v procesorski moči računalniških elementov eno glavnih gonil LIDAR tehnologije.
4. Elektronika krmiljenja
Natančen čas je bistvenega pomena pri sistemih LIDAR, saj je celotna operacija zgrajena pravočasno. Merilna elektronika predstavlja podsistem LIDAR, ki beleži točen čas, ko laserski impulz zapusti, in natančen čas, ko se vrne v optični bralnik.
Natančnosti in natančnosti ni mogoče preveč poudariti. Zaradi razpršenega odboja imajo poslani impulzi običajno večkratno vrnitev, od katerih mora biti vsak natančno časovno določen, da se zagotovi natančnost podatkov.
5. Inercialna merilna enota in GPS
Ko je senzor LiDAR nameščen na mobilni platformi, kot so sateliti, letala ali avtomobili, je treba določiti absolutni položaj in usmeritev senzorja, da se ohranijo uporabni podatki. To dosežemo z uporabo inercialnega merilnega sistema (IMU) in sistema globalnega določanja položaja (GPS). IMU je običajno sestavljen iz merilnika pospeška, žiroskopa in magnetometra za merjenje hitrosti, orientacije in gravitacijskih sil, ki se skupaj uporabljajo za določanje kotne usmeritve (nagiba, valja in nagiba) skenerja glede na tla. GPS pa zagotavlja natančne geografske informacije o položaju senzorja in tako omogoča neposredno georeferenciranje točk predmeta.Ti dve komponenti zagotavljata metodo za prevajanje podatkov senzorjev v statične točke za uporabo v različnih sistemih.
Dodatne informacije, pridobljene z uporabo GPS in IMU, so ključnega pomena za celovitost pridobljenih podatkov in pomagajo zagotoviti pravilno oceno razdalje do površin, zlasti v mobilnih aplikacijah LIDAR, kot so avtonomna vozila in sistemi za predstavljanje na osnovi letala Air Plane.
Vrste LiDAR
Čeprav je mogoče sisteme LIDAR razvrstiti v tipe na podlagi številnih dejavnikov, obstajajo trije generični tipi sistemov LIDAR;
- Daljinomer LIDAR
- Diferencialna absorpcija LIDAR
- Doppler LIDAR
1. Iskalnik dosega LIDAR
To so najpreprostejši sistemi LIDAR. Uporabljajo se za določanje razdalje od skenerja LIDAR do predmeta ali površine. Z uporabo načela časa letenja, opisanega v razdelku "kako deluje", se čas, potreben za odsevni žarek, da udari v optični bralnik, uporabi za določitev razdalje med sistemom LIDAR in predmetom.
2. Diferencialna absorpcija LIDAR
Diferencialno absorpcijski sistemi LIDAR (včasih imenovani tudi DIAL) se običajno uporabljajo pri preiskovanju prisotnosti nekaterih molekul ali materialov. Sistemi DIAL običajno sprožijo laserske žarke z dvema valovnima dolžinama, ki sta izbrani tako, da ena od valovnih dolžin absorbira molekula, ki nas zanima, druga pa ne. Absorpcija enega od žarkov povzroči razliko (diferencialno absorpcijo) v intenzivnosti povratnih žarkov, ki jih sprejme skener. Ta razlika se nato uporabi za ugotovitev stopnje prisotnosti molekule, ki jo preiskujemo. DIAL je bil uporabljen za merjenje kemičnih koncentracij (kot so ozon, vodna para, onesnaževala) v ozračju.
3. Doppler LIDAR
Dopplerjev LiDAR se uporablja za merjenje hitrosti cilja. Ko svetlobni žarki, sproženi z LIDAR-ja, zadenejo cilj, ki se premika proti LIDAR-u ali od njega, se bo valovna dolžina svetlobe, ki se odbije / razprši od cilja, nekoliko spremenila. To je znano kot Dopplerjev premik - posledično Dopplerjev LiDAR. Če se tarča odmika od LiDAR, bo imela povratna luč daljšo valovno dolžino (včasih imenovano tudi rdeči premik), če se bo proti LiDAR premikala, pa bo povratna luč na krajši valovni dolžini (modro premaknjena).
Nekatere druge klasifikacije, po katerih so sistemi LIDAR združeni v vrste, vključujejo:
- Platforma
- Vrsta povratnega razsejanja
Vrste LiDAR na podlagi platforme
Z uporabo platforme kot merila lahko sisteme LIDAR razvrstimo v štiri tipe, vključno z;
- Zemeljski LIDAR
- LIDAR v zraku
- V vesolju LIDAR
- Motion LIDAR
Ti LIDAR-ji se razlikujejo po konstrukciji, materialih, valovni dolžini, obetih in drugih dejavnikih, ki so običajno izbrani tako, da ustrezajo temu, kar deluje v okolju, za katerega bodo nameščeni.
Vrste LIDAR-ja glede na vrsto povratnega razsejanja
Med opisom, kako delujejo sistemi LIDAR, sem omenil, da je v LIDAR-u odsev povratno razpršen. Različni tipi izhodov za povratno razsejanje in včasih za opis vrste LIDAR. Vrste povratnega razsejanja vključujejo;
- Mie
- Rayleigh
- Raman
- Fluorescenca
Aplikacije LiDAR
LIDAR ima zaradi svoje izjemne natančnosti in prilagodljivosti široko število aplikacij, zlasti izdelavo zemljevidov z visoko ločljivostjo. LIDAR se poleg geodetske dejavnosti uporablja tudi v kmetijstvu, arheologiji in robotih, saj je trenutno eden glavnih dejavnikov avtonomne dirke, saj je glavni senzor, ki se uporablja v večini vozil s sistemom LIDAR in ima podobno vlogo kot oči za vozila.
Obstaja 100 drugih aplikacij LiDAR, ki jih bom poskušal omeniti spodaj.
- Avtonomna vozila
- 3D slikanje
- Geodetska raziskava
- Pregled daljnovoda
- Upravljanje turizma in parkov
- Okoljska presoja za varstvo gozdov
- Modeliranje poplav
- Ekološka in klasifikacija zemljišč
- Modeliranje onesnaževanja
- Raziskovanje nafte in plina
- Meteorologija
- Oceanografija
- Vse vrste vojaških aplikacij
- Načrtovanje celičnih omrežij
- Astronomija
Omejitve LiDAR
Kot vsaka druga tehnologija ima tudi LIDAR svoje pomanjkljivosti. Obseg in natančnost LIDAR sistemov so v slabih vremenskih razmerah močno prizadela. Na primer, v meglenih pogojih nastane velika količina lažnih signalov zaradi žarkov, ki jih odbija megla. To običajno vodi do učinka razprševanja mie in kot taka se večina oddanega žarka ne vrne nazaj v optični bralnik. Podoben pojav je pri dežju, saj delci dežja povzročajo lažne vrnitve.
Poleg vremena se lahko sistemi LIDAR zavedejo (bodisi namerno bodisi nenamerno), če mislijo, da objekt obstaja, tako da na njem utripajo "lučke". V prispevku, objavljenem leta 2015, bi lahko utripanje preprostega laserskega kazalca na sistemu LIDAR, nameščenem na avtonomnih vozilih, dezorientiralo navigacijske sisteme vozila in ustvarilo vtis obstoja predmeta, kjer ga sploh ni. Ta napaka, zlasti pri uporabi laserjev za avtomobile brez voznika, odpira veliko pomislekov glede varnosti, saj carjakerji ne bodo potrebovali veliko časa, da izpopolnijo načelo uporabe v napadih. Lahko pride tudi do nesreč, ko se avtomobili nenadoma ustavijo sredi ceste, če zaznajo, za kaj menijo, da gre za drug avto ali pešca.
Prednosti in slabosti LiDAR
Za zaključek tega članka bi verjetno morali preučiti razloge, zakaj bi bil LIDAR primeren za vaš projekt, in razloge, zakaj bi se mu verjetno morali izogniti.
Prednosti
1. Hitro in natančno zajemanje podatkov
2. Visoka penetracija
3. Ne vpliva na jakost svetlobe v okolju in se lahko uporablja ponoči ali na soncu.
4. Slika z visoko ločljivostjo v primerjavi z drugimi metodami.
5. Brez geometrijskih popačenj
6. Preprosto se integrira z drugimi metodami pridobivanja podatkov.
7. LIDAR ima minimalno človeško odvisnost, kar je dobro v nekaterih aplikacijah, kjer bi človeška napaka lahko vplivala na zanesljivost podatkov.
Slabosti
1. Stroški LIDAR-ja so za nekatere projekte preveliki. LIDAR je najbolje opisati kot razmeroma drag.
2. Sistemi LIDAR slabo delujejo v močnem dežju, megli ali snegu.
3. Sistemi LIDAR ustvarjajo velike nabore podatkov, ki za obdelavo zahtevajo velike računske vire.
4. Nezanesljiv v turbulentni vodi.
5. Glede na sprejeto valovno dolžino je zmogljivost sistemov LIDAR omejena nadmorska višina, saj impulzi, sproženi v določenih vrstah LIDAR-jev, na določenih višinah postanejo neučinkoviti.
LIDAR za ljubitelje ljubiteljev in izdelovalce
Zaradi stroškov LIDAR-ov se večina sistemov LIDAR na trgu (na primer velodyne LIDAR-ji) uporablja v industrijskih aplikacijah (za združevanje vseh "ne-hobističnih" aplikacij).
Trenutno najbližji sistem LIDAR, ki je na voljo hobiju, so polprevodniški LiDAR senzorji iLidar, ki jih je zasnoval Hybo. Gre za majhen sistem LiDAR, ki lahko 3D-preslikava (brez vrtenja senzorja) z učinkovitim dosegom največ 6 metrov. Senzor je opremljen z vrati USB skupaj z vrati UART / SPI / i2C, prek katerih je mogoče vzpostaviti komunikacijo med senzorjem in mikrokrmilnikom.
iLidar je bil zasnovan tako, da ustreza vsem, funkcije, povezane z LiDAR, pa ga naredijo privlačnega za proizvajalce.