Какво е lidar и как работи

Автомобилите без шофьор, които бяха една от най-големите технологични фантазии през 90-те години (подхранвани от по-ранни филми като „Любовната грешка“ и „Човекът за разрушаване“), са реалност днес, благодарение на огромния напредък, постигнат около няколко технологии, особено LIDAR.

Какво представлява LiDAR?

LIDAR (съкращение от Light Detection and Ranging) е далекомерна технология, която измерва разстоянието на обект чрез изстрелване на светлинни лъчи към обекта и използва времето и дължината на вълната на отразения лъч светлина за оценка на разстоянието и в някои приложения (лазер Imaging), създайте 3D представяне на Обекта.

Въпреки че идеята зад лазера може да бъде проследена до работата на EH Synge през 1930 г., това не беше нещо до началото на 60-те години, след изобретяването на лазера. По същество комбинация от лазерно фокусирано изображение с възможност за изчисляване на разстояния, използвайки техниката на времето на полета, той намери най-ранните си приложения в метеорологията, където беше използван за измерване на облаци, и в Космоса, където лазерен висотомер беше използван за картографиране на лунна повърхност по време на мисията Аполо 15. Оттогава технологията се подобри и се използва в различни приложения, включително; откриване на сеизмични дейности, океанография, археология и навигация, за да споменем някои.

Как работи LiDAR

Технологията е доста подобна на тази на RADAR (радиовълнова навигация, използвана от кораби и самолети) и SONAR (подводно откриване на обекти и навигация с помощта на звук, главно използван от подводници), които и двете използват принципа на отражение на вълните за откриване на обект и разстояние оценка. Въпреки това, докато RADAR се основава на радиовълни, а SONAR - на звуци, LIDAR се основава на светлинни лъчи (лазер).

LIDAR използва светлина на различни дължини на вълната, включително; ултравиолетова, видима или близка инфрачервена светлина за изображения на обекти и като такива могат да откриват всякакви материални композиции, включително; неметали, скали, дъжд, химични съединения, аерозоли, облаци и дори единични молекули. Системите LIDAR могат да изстрелват до 1 000 000 светлинни импулса в секунда и да използват времето, необходимо на импулсите да бъдат отразени обратно към скенера, за да определят разстоянието, на което се намират обектите и повърхностите около скенера. Техниката, използвана за определяне на разстоянието, е известна като време на полет и нейното уравнение е дадено по-долу.

Разстояние = (скорост на светлината x време на полет) / 2

В повечето приложения, различни от просто дистанционно измерване, се създава 3D карта на околната среда / обекта, при който е бил изстрелян светлинният лъч. Това става чрез непрекъснато изстрелване на лазерния лъч към обекта или околната среда.

Важно е да се отбележи, че за разлика от отражението на огледалния тип, което се получава в равни огледала, отражението, преживяно в системите LIDAR, е обратно разсеяно отражение, тъй като светлинните вълни се разпръскват обратно през посоката, където са дошли. В зависимост от приложението, системите LIDAR използват различни варианти на обратно разсейване, включително Rayleigh и Raman разсейване,

Компоненти на LIDAR система

Система LIDAR обикновено се състои от 5 елемента, които се очаква да присъстват, независимо от вариациите, дължащи се на приложението. Тези основни компоненти включват:

Лазер
Скенери и система за оптика
Процесор
Точна електроника за синхронизиране
Инерционно измервателно устройство и GPS

1. Лазер

Лазерът служи като източник на енергия за светлинните импулси. Дължината на вълната на лазера, разположен в системите LIDAR, се различава от едно приложение до друго поради специфичните изисквания на определени приложения. Например, въздушните LiDAR системи използват 1064 nm диодни YAG лазери, докато Bathymetric системите използват 532nm двойно диодни YAG лазери, които проникват във вода (до 40 метра) с много по-малко затихване, отколкото въздушната 1064nm версия. Независимо от приложенията, използваните лазери обикновено са с ниска енергия, за да се гарантира безопасността.

2. Скенер и оптика

Скенерите са важна част от всяка система LIDAR. Те отговарят за прожектирането на лазерни импулси към повърхностите и приемането на отразените импулси от повърхността. Скоростта, с която изображенията се разработват от система LIDAR, зависи от скоростта, с която скенерите улавят обратно разсеяните лъчи. Независимо от приложението, използваната в системата LIDAR оптика трябва да бъде с висока точност и качество, за да се получат най-добрите резултати, особено за картографиране. Типът лещи, специфичният избор на стъкло, заедно с използваните оптични покрития са основни фактори, определящи разделителната способност и възможностите на LIDAR.

В зависимост от приложението могат да се използват различни методи за сканиране за различни резолюции. Сканирането на азимут и кота и двуосното сканиране са едни от най-популярните методи за сканиране.

3. Процесори

Процесорът с голям капацитет обикновено е в основата на всяка система LIDAR. Използва се за синхронизиране и координиране на дейностите на всички отделни компоненти на системата LIDAR, като гарантира, че всички компоненти работят, когато трябва. Процесорът интегрира данните от скенера, таймера (ако не е вграден в подсистемата за обработка), GPS и IMU, за да произведе данните от точката LIDAR. След това тези данни за точката на кота се използват за създаване на карти в зависимост от приложението. В Driverless Cars данните за точката се използват, за да предоставят карта на околната среда в реално време, за да помогнат на автомобилите с избягване на препятствия и обща навигация.

Когато светлината се движи със скорост около 0,3 метра на наносекунди и хиляди лъчи обикновено се отразяват обратно към скенера, обикновено се изисква процесорът да бъде с висока скорост и високи възможности за обработка. По този начин напредъкът в процесорната мощ на изчислителните елементи е един от основните двигатели на технологията LIDAR.

4. Електроника за синхронизация

Точното синхронизиране е от съществено значение в системите LIDAR, тъй като цялата операция е изградена навреме. Електрониката за синхронизация представлява подсистемата LIDAR, която записва точното време, което лазерният импулс оставя, и точното време, когато се връща към скенера.

Точността и точността не могат да бъдат прекалено подчертани. Поради разпръснатото отражение, изпратените импулси обикновено имат множество връщания, всяко от които трябва да бъде точно определено, за да се гарантира точността на данните.

5. Инерционно измервателно устройство и GPS

Когато сензор LiDAR е монтиран на мобилна платформа като сателити, самолети или автомобили, е необходимо да се определи абсолютното положение и ориентацията на сензора, за да се запазят използваемите данни. Това се постига чрез използването на инерционна измервателна система (IMU) и глобална система за позициониране (GPS). IMU обикновено се състои от акселерометър, жироскоп и магнитометър за измерване на скоростта, ориентацията и гравитационните сили, които се комбинират заедно, се използват за определяне на ъгловата ориентация (стъпка, ролка и Yaw) на скенера спрямо земята. GPS от друга страна предоставя точна географска информация относно позицията на сензора, като по този начин позволява директно георефериране на обектните точки.Тези два компонента осигуряват метода за преобразуване на данните от сензора в статични точки за използване в различни системи.

Допълнителната информация, получена с помощта на GPS и IMU, е от решаващо значение за целостта на получените данни и помага да се гарантира правилното изчисляване на разстоянието до повърхностите, особено в мобилни приложения на LIDAR като автономни превозни средства и системи за въображение, базирани на Air Plane.

Видове LiDAR

Докато LIDAR системите могат да бъдат класифицирани в типове въз основа на редица фактори, има три родови типа LIDAR системи, които са;

Далекомер LIDAR
Диференциална абсорбция LIDAR
Доплер LIDAR

1. Далекомер LIDAR

Това са най-простият вид системи LIDAR. Те се използват за определяне на разстоянието от скенера LIDAR до обект или повърхност. Чрез използването на принципа за време на полет, описан в раздела „как работи“, времето, необходимо на отражателния лъч да удари скенера, се използва за определяне на разстоянието между системата LIDAR и обекта.

2. Диференциално поглъщане LIDAR

Диференциално абсорбиращи LIDAR системи (понякога наричани DIAL) обикновено се използват при изследване на наличието на определени молекули или материали. Системите DIAL обикновено изстрелват лазерни лъчи с две дължини на вълната, които са избрани по такъв начин, че една от дължините на вълната да бъде погълната от молекулата, която представлява интерес, докато другата дължина на вълната няма да бъде. Абсорбцията на един от лъчите води до разлика (диференциално поглъщане) в интензитета на възвратните лъчи, получени от скенера. След това тази разлика се използва за извеждане на нивото на присъствие на изследваната молекула. DIAL се използва за измерване на химични концентрации (като озон, водни пари, замърсители) в атмосферата.

3. Доплер LIDAR

Доплер LiDAR се използва за измерване на скоростта на мишена. Когато светлинните лъчи, изстреляни от LIDAR, удрят цел, движеща се към или от LIDAR, дължината на вълната на светлината, отразена / разсеяна от целта, ще бъде леко променена. Това е известно като доплер смяна - в резултат на това, доплер LiDAR. Ако целта се отдалечава от LiDAR, светлината за връщане ще има по-голяма дължина на вълната (понякога наричана червена смяна), ако се движи към LiDAR, светлината за връщане ще бъде с по-къса дължина на вълната (изместена в синьо).

Някои от другите класификации, по които системите LIDAR са групирани в типове, включват:

Платформа
Вид на разсейване

Видове LiDAR на базата на платформа

Използвайки платформата като критерий, системите LIDAR могат да бъдат групирани в четири типа, включително;

Наземен LIDAR
Въздушен LIDAR
Космически LIDAR
Движение LIDAR

Тези LIDAR се различават по конструкция, материали, дължина на вълната, перспектива и други фактори, които обикновено се избират, за да отговарят на това, което работи в средата, за която трябва да бъдат разположени.

Видове LIDAR въз основа на вида на обратно разсейване

По време на описанието си за това как работят системите LIDAR, споменах, че отражението в LIDAR става чрез обратното разсейване. Различен тип изходи за обратно разсейване и понякога се използват за описване на типа LIDAR. Видовете обратно разсейване включват;

Мие
Рейли
Раман
Флуоресценция

Приложения на LiDAR

Поради изключителната си точност и гъвкавост LIDAR има широк брой приложения, по-специално, производството на карти с висока разделителна способност. Освен проучването, LIDAR се използва в селското стопанство, археологията и роботите, тъй като понастоящем е един от основните фактори, способстващи за автономната надпревара, тъй като е основният сензор, използван в повечето превозни средства със системата LIDAR, изпълняваща роля, подобна на тази на очите за превозните средства.

Има 100 други приложения на LiDAR и ще се опитаме да споменем колкото се може по-долу.

Автономни превозни средства
3D изображения
Проучване на земята
Инспекция на електропровода
Туризъм и управление на паркове
Оценка на околната среда за защита на горите
Моделиране на наводнения
Екологична и класификация на земите
Моделиране на замърсяване
Проучване на нефт и газ
Метеорология
Океанография
Всички видове военни приложения
Планиране на клетъчна мрежа
Астрономия

Ограничения на LiDAR

LIDAR като всяка друга технология има своите недостатъци. В обхвата и точността на LIDAR системи са силно засегнати по време на лоши метеорологични условия. Например в условия на мъгла се генерират значително количество фалшиви сигнали поради отразяване на лъчите от мъглата. Това обикновено води до ефекта на разсейване на мие и като такъв, по-голямата част от изстреляния лъч не се връща обратно към скенера. Подобно събитие се наблюдава при дъжд, тъй като дъждовните частици причиняват фалшиви връщания.

Освен времето, системите LIDAR могат да бъдат заблудени (умишлено или неволно), за да мислят, че съществува обект, като мигат „светлини“ върху него. Според доклад, публикуван през 2015 г., мигането на обикновен лазерен показалец на системата LIDAR, монтирана на автономни превозни средства, може да дезориентира навигационните системи на превозното средство, създавайки впечатление за съществуването на обект, където такъв няма. Този недостатък, особено при приложението на лазери за автомобили без шофьор, отваря много опасения за сигурността, тъй като няма да отнеме много време на автокрадците да усъвършенстват принципа за използване при атаки. Това може да доведе и до инциденти с внезапно спиране на автомобили по средата на пътя, ако усетят това, което смятат за друга кола или пешеходец.

Предимства и недостатъци на LiDAR

За да приключим тази статия, вероятно трябва да разгледаме причините, поради които LIDAR може да е подходящ за вашия проект, и причините, поради които вероятно трябва да го избягвате.

Предимства

1. Високоскоростно и точно събиране на данни

2. Високо проникване

3. Не се влияе от интензивността на светлината в околната среда и може да се използва през нощта или на слънце.

4. Изображения с висока разделителна способност в сравнение с други методи.

5. Без геометрични изкривявания

6. Лесно се интегрира с други методи за събиране на данни.

7. LIDAR има минимална човешка зависимост, което е добре в определени приложения, при които човешката грешка може да повлияе на надеждността на данните.

Недостатъци

1. Цената на LIDAR го прави прекомерна за определени проекти. LIDAR е най-добре описан като относително скъп.

2. Системите LIDAR се представят слабо при силен дъжд, мъгла или сняг.

3. Системите LIDAR генерират големи масиви от данни, които изискват големи изчислителни ресурси за обработка.

4. Ненадежден в приложения с турбулентна вода.

5. В зависимост от приетата дължина на вълната, производителността на системите LIDAR е ограничена надморска височина, тъй като импулсите, изстреляни в определен вид LIDAR, стават неефективни на определени височини.

LIDAR за любители и създатели

Поради цената на LIDARs, повечето от LIDAR системите на пазара (като velodyne LIDARs) се използват в индустриални приложения (за обединяване на всички приложения, които не са любители).

Най-близката до наличната в момента система LIDAR „клас на любители“ са iLidar Solid-State LiDAR сензори, проектирани от Hybo. Това е малка LiDAR система, способна на 3D картиране (без завъртане на сензора) с ефективен максимален обхват от 6 метра. Сензорът е оборудван с USB порт заедно с UART / SPI / i2C порт, чрез който може да се установи комуникация между сензора и микроконтролера.

iLidar е проектиран да отговаря на всички и функциите, свързани с LiDAR, го правят привлекателен за производителите.