Mi a lidar és hogyan működik?

A vezető nélküli autók, amelyek az 1990-es évek egyik legnagyobb technológiai fantáziáját jelentették (olyan korábbi filmek táplálták, mint a „The Love Bug” és a „Demolition Man”), manapság valóság, köszönhetően a számos technológia, különösen a LIDAR hatalmas fejlődésének.

Mi az a LiDAR?

A LIDAR (a fényérzékelés és távolságmérés rövidítése) olyan hatótávolságú technológia, amely az objektum távolságát úgy méri, hogy fénysugarakat lő ki az objektumra, és a visszavert fénysugár idejét és hullámhosszát használja a távolság becslésére, és egyes alkalmazásokban (Laser Képalkotás), hozzon létre egy 3D-s ábrázolást az objektumról.

Míg a lézer ötlete az EH Synge 1930-as munkájára vezethető vissza, ez csak 1960-as évek elején, a lézer feltalálása után volt szó. Lényegében a lézer-fókuszált képalkotás és a távolságok kiszámításának képessége a repülési technika segítségével a legkorábbi alkalmazásokat a meteorológiában találta, ahol felhők mérésére használták, és az űrben, ahol lézeres magasságmérőt használtak a hold felszínét az Apollo 15 küldetés során. Azóta a technológia javult, és különféle alkalmazásokban használják, többek között; a szeizmikus tevékenységek észlelése, az okeanográfia, a régészet és a navigáció, hogy néhányat említsünk.

Hogyan működik a LiDAR

A technológia meglehetősen hasonlít a RADAR (hajók és repülőgépek által használt rádióhullámú navigáció) és a SONAR (víz alatti tárgyak észlelése és hanggal történő navigáció, főleg tengeralattjárók által használt) technológiájára, amelyek mind a hullámok visszaverődésének elvét használják az objektumok észleléséhez, mind a távolsághoz becslés. Míg azonban a RADAR rádióhullámokra, a SONAR pedig hangokra épül, a LIDAR fénysugarakra (lézer) épül.

A LIDAR fényt használ különböző hullámhosszakon, beleértve; ultraibolya, látható vagy közeli infravörös fény a képtárgyakhoz, és mint ilyen, képes mindenféle anyagösszetétel detektálására, beleértve; nemfémek, kőzetek, eső, kémiai vegyületek, aeroszolok, felhők és akár egyes molekulák is. A LIDAR rendszerek másodpercenként akár 1 000 000 fényimpulzust is képesek kiváltani, és az impulzusok visszaverődési idejét visszavezethetik a szkennerre, hogy meghatározzák a szkenner körüli tárgyak és felületek távolságát. A távolság meghatározásához használt technikát repülés idejének nevezik, és ennek az egyenletét az alábbiakban adjuk meg.

Távolság = (fénysebesség x repülési idő) / 2

A legtöbb alkalmazásban, a távoli mérésen kívül, létrehozzák annak a környezetnek / objektumnak a 3D térképét, amelyre a fénysugarat leadták. Ez a lézersugár objektumra vagy környezetre történő folyamatos kilövésével történik.

Fontos megjegyezni, hogy a síktükrökben elérhető tükrös típusú reflexióval ellentétben a LIDAR rendszerekben tapasztalt visszaverődés visszaszórt visszaverődés, mivel a fényhullámok szétszóródnak abban az irányban, ahová jöttek. Az alkalmazástól függően a LIDAR rendszerek a visszaszórás különböző variációit alkalmazzák, beleértve a Rayleigh és a Raman szórást is,

A LIDAR rendszer elemei

A LIDAR rendszer általában 5 elemből áll, amelyek várhatóan jelen lesznek, függetlenül az alkalmazás miatti változásoktól. Ezek a fő elemek a következők:

1. Lézer
2. Szkennerek és optikai rendszer
3. Processzor
4. Pontos időzítő elektronika
5. Inerciális mérőegység és GPS

1. Lézer

A lézer szolgál a fényimpulzusok energiaforrásaként. A LIDAR rendszerekbe telepített lézer hullámhossza alkalmazásonként eltér az egyes alkalmazások sajátos követelményei miatt. Például az Airborne LiDAR rendszerek 1064 nm-es diódás szivattyújú YAG lézereket használnak, míg a Bathymetric rendszerek 532 nm-es kettős diódás szivattyújú YAG lézereket használnak, amelyek sokkal kisebb csillapítással hatolnak be a vízbe (akár 40 méterig), mint a 1064 nm-es változat. Az alkalmazásoktól függetlenül azonban a használt lézerek általában alacsony energiájúak a biztonság érdekében.

2. Szkenner és optika

A szkennerek minden LIDAR rendszer fontos részét képezik. Feladata a lézerimpulzusok felületre vetítése és a visszaverődő impulzusok visszaszerzése a felszínről. A képek LIDAR rendszer általi fejlesztésének sebessége attól függ, hogy a szkennerek milyen sebességgel rögzítik a visszaszórt gerendákat. Az alkalmazástól függetlenül a LIDAR rendszerben használt optikának nagy pontossággal és minőséggel kell rendelkeznie, hogy a legjobb eredményt érje el, különösen a térképezés során. A lencsék típusa, az egyedi üvegválasztás, valamint az alkalmazott optikai bevonatok meghatározzák a LIDAR felbontását és hatótávolságát.

Az alkalmazástól függően különféle szkennelési módszerek telepíthetők különböző felbontásokhoz. Az azimut- és magassági szkennelés, valamint a kéttengelyes szkennelés a legnépszerűbb szkennelési módszer.

3. Feldolgozók

A nagy kapacitású processzor általában minden LIDAR rendszer középpontjában áll. Arra használják, hogy szinkronizálják és összehangolják a LIDAR rendszer minden egyes elemének tevékenységét, biztosítva, hogy az összes alkatrész akkor működjön, amikor kell. A processzor integrálja a szkenner, az időzítő (ha nincs beépítve a feldolgozó alrendszerbe), a GPS és az IMU adatait a LIDAR pontadatok előállításához. Ezeket a magassági pontok adatait felhasználják az alkalmazás függvényében térképek létrehozására. A sofőr nélküli autókban a pontadatok felhasználásával valós idejű térképet készítenek a környezetről, hogy segítsék az autókat az akadályok elkerülésében és az általános navigációban.

Mivel a fény körülbelül 0,3 méter / nanomásodperc sebességgel halad, és több ezer nyaláb általában visszaverődik a szkennerre, a processzornak általában nagy sebességűnek kell lennie, nagy feldolgozási képességekkel. Így a számítási elemek feldolgozási teljesítményének fejlődése a LIDAR technológia egyik fő mozgatórugója volt.

4. Időzítő elektronika

A pontos időzítés elengedhetetlen a LIDAR rendszerekben, mivel a teljes művelet időben épül fel. Az időzítő elektronika a LIDAR alrendszert képviseli, amely rögzíti a lézer impulzus távozásának pontos idejét és a szkennerre való visszatérés pontos idejét.

Pontosságát és pontosságát nem lehet túl hangsúlyozni. A szórt visszaverődés miatt a kiküldött impulzusoknak általában több visszatérése van, amelyek mindegyikét pontosan be kell időzíteni az adatok pontosságának biztosítása érdekében.

5. Inerciális mérőegység és GPS

Ha egy LiDAR érzékelőt mobil platformra, például műholdakra, repülőgépekre vagy gépjárművekre szerelnek, meg kell határozni az érzékelő abszolút helyzetét és irányát a használható adatok megőrzése érdekében. Ezt egy inerciális mérőrendszer (IMU) és a globális helymeghatározó rendszer (GPS) segítségével érik el. Az IMU általában gyorsulásmérőből, giroszkópból és magnetométerből áll a sebesség, az orientáció és a gravitációs erők mérésére, amelyeket együttesen használnak a szkenner szögeltérésének (Pitch, roll és Yaw) meghatározásához a talajhoz viszonyítva. A GPS viszont pontos földrajzi információkat nyújt az érzékelő helyzetéről, ezáltal lehetővé téve a tárgypontok közvetlen georeferenciáját.Ez a két komponens biztosítja az eljárást az érzékelő adatok statikus pontokká történő átalakítására, különféle rendszerekben történő felhasználásra.

A GPS és az IMU használatával megszerzett extra információk döntő fontosságúak a megszerzett adatok integritása szempontjából, és segítenek biztosítani a felületek távolságának helyes becslését, különösen a mobil LIDAR alkalmazásokban, mint például az Autonomous járművek és az Air Plane alapú imagine rendszerek.

A LiDAR típusai

Míg a LIDAR rendszerek számos tényező alapján típusokba sorolhatók, a LIDAR rendszereknek három általános típusa van;

1. LIDAR távolságmérő
2. Differenciálabszorpció LIDAR
3. Doppler LIDAR

1. LIDAR távolságmérő

Ezek a legegyszerűbb típusú LIDAR rendszerek. Ezeket használják a LIDAR szkenner és egy objektum vagy felület közötti távolság meghatározására. A „hogyan működik” szakaszban leírt repülési idő elvének alkalmazásával a LIDAR rendszer és az objektum közötti távolság meghatározásához azt az időt használják, amelyre a visszaverődés nyalábja eljut a szkennerig.

2. Differenciálabszorpció LIDAR

Differenciálabszorpciós LIDAR rendszereket (amelyeket néha DIAL-nek is neveznek) általában bizonyos molekulák vagy anyagok jelenlétének vizsgálatára használják. A DIAL rendszerek általában két hullámhosszú lézersugarat lőnek ki, amelyeket úgy választanak meg, hogy az egyik hullámhosszat elnyeli a kérdéses molekula, míg a másik hullámhosszat nem. Az egyik sugár abszorpciója különbséget (differenciál abszorpció) eredményez a szkenner által beérkező visszatérő sugár intenzitásában. Ezt a különbséget felhasználják a vizsgált molekula jelenlétének szintjére. A DIAL-t a kémiai koncentrációk (például ózon, vízgőz, szennyező anyagok) mérésére használták a légkörben.

3. Doppler LIDAR

A Doppler LiDAR a célsebesség mérésére szolgál. Amikor a LIDAR-ból kilövő fénysugarak eltalálják a LIDAR felé haladó vagy attól távol mozgó célpontot, a célról visszaverődő / szétszórt fény hullámhossza kissé megváltozik. Ezt Doppler-váltásnak nevezik - ennek eredményeként Doppler LiDAR. Ha a cél eltávolodik a LiDAR-tól, a visszatérő lámpa hosszabb hullámhosszú lesz (néha vörös eltolásnak is nevezik), ha a LiDAR felé halad, a visszatérő lámpa rövidebb (kék eltolt) hullámhosszú lesz.

Néhány egyéb osztályozás, amelyen a LIDAR rendszerek típusokba vannak csoportosítva, a következők:

1. Felület
2. A visszaszórás típusa

A LiDAR típusai platform alapján

A platformot kritériumként használva a LIDAR rendszerek négy típusba sorolhatók, beleértve;

1. Földi LIDAR
2. Légi LIDAR
3. Spaceborne LIDAR
4. Mozgás LIDAR

Ezek a LIDAR-ok felépítésükben, anyagukban, hullámhosszukban, kitekintésükben és egyéb tényezőkben különböznek egymástól, amelyeket általában úgy választanak meg, hogy megfeleljenek annak, ami működik abban a környezetben, amelyre telepíteni kívánják.

A LIDAR típusai a visszaszóródás típusa alapján

A LIDAR rendszerek működésének leírása során megemlítettem, hogy a LIDAR-ban való visszaverődés visszaszóródáson keresztül történik. Különböző típusú visszaszórási kimenetek, és néha a LIDAR típusának leírására használják. A visszaszórás típusai:

1. Mie
2. Rayleigh
3. Raman
4. Fluoreszcencia

A LiDAR alkalmazásai

Rendkívüli pontossága és rugalmassága miatt a LIDAR számos alkalmazással rendelkezik, különösen nagy felbontású térképek készítésével. A felmérés mellett a LIDAR-ot a mezőgazdaságban, a régészetben és a robotokban használták, mivel jelenleg az autonóm járműverseny egyik fő elősegítője, mivel ez a legtöbb érzékelő, amelyet a legtöbb LIDAR rendszerű járműnél használnak, és amelyek hasonló szerepet töltenek be. a járművek szeme.

A LiDAR további száz alkalmazásával rendelkezik, és megpróbálnak minél többet megemlíteni az alábbiakban.

1. Autonóm járművek
2. 3D képalkotás
3. Földmérés
4. Áramvezeték-ellenőrzés
5. Turizmus és parkok kezelése
6. Az erdővédelem környezeti értékelése
7. Árvíz modellezése
8. Ökológiai és földosztályozás
9. Szennyezés modellezése
10. Olaj- és gázkutatás
11. Meteorológia
12. Óceántan
13. Mindenféle katonai alkalmazás
14. Cellahálózat-tervezés
15. Csillagászat

LiDAR korlátozások

A LIDAR-nak, mint minden más technológiának, vannak hiányosságai. A LIDAR rendszerek hatótávolságát és pontosságát rossz időjárási viszonyok befolyásolják. Ködös körülmények között például jelentős mennyiségű hamis jel keletkezik a köd által visszaverődő sugarak miatt. Ez általában a mie szóródási hatásához vezet, és mint ilyen, a kilőtt sugár nagy része nem tér vissza a szkennerbe. Hasonló esetek tapasztalhatók az esőnél is, mivel az eső részecskék hamis visszatérést okoznak.

Az időjárástól eltekintve a LIDAR rendszereket (akár szándékosan, akár öntudatlanul) meg lehet téveszteni, ha azt gondolják, hogy egy tárgy létezik, ha „fényeket” villognak rá. Szerint a papír megjelent 2015-ben, villogó egyszerű lézer a LIDAR rendszer szerelt autonóm járművek is megzavarják a navigációs rendszerek a jármű, amely azt a benyomást kelti, hogy létezik egy tárgy ott, ahol nincs. Ez a hiba, különösen a lézerek vezető nélküli autós alkalmazásában, rengeteg biztonsági aggodalmat nyit meg, mivel nem sok időbe telik, amíg az autógyártók pontosítani fogják a támadásokban használt alapelvet. Balesethez is vezethet, ha az út közepén hirtelen megállnak az autók, ha megérzik, amit egy másik autónak vagy gyalogosnak vélnek.

A LiDAR előnyei és hátrányai

A cikk elkészítéséhez valószínűleg meg kell vizsgálnunk azokat az okokat, amelyek miatt a LIDAR alkalmas lehet a projektjére, és azokat az okokat, amelyek miatt valószínűleg el kellene kerülnie.

Előnyök

1. Nagy sebességű és pontos adatgyűjtés

2. Magas behatolás

3. Nem befolyásolja a fény intenzitása a környezetében, és éjszaka vagy napsütésben használható.

4. Nagy felbontású képalkotás más módszerekhez képest.

5. Nincs geometriai torzulás

6. Könnyen integrálható más adatgyűjtési módszerekkel.

7. A LIDAR minimális emberi függőséggel rendelkezik, ami bizonyos alkalmazásokban jó, ahol az emberi tévedés befolyásolhatja az adatok megbízhatóságát.

Hátrányok

1. A LIDAR költségei bizonyos projektek esetében túlteljesek. A LIDAR a legjobban viszonylag drága.

2. A LIDAR rendszerek rosszul teljesítenek erős esőben, ködben vagy hóban.

3. A LIDAR rendszerek nagy adatkészleteket hoznak létre, amelyek feldolgozásához nagy számítási erőforrásokra van szükség.

4. Megbízhatatlan turbulens vízben.

5. Az alkalmazott hullámhossztól függően a LIDAR rendszerek teljesítménye korlátozott magasságú, mivel bizonyos típusú LIDAR-okban leadott impulzusok bizonyos magasságokban hatástalanná válnak.

LIDAR a hobbi és készítők számára

A LIDAR-ok költségei miatt a piacon a legtöbb LIDAR-rendszert (mint például a velodyne LIDAR-okat) ipari alkalmazásokban használják (az összes „nem hobbi” alkalmazás összefogására).

A jelenleg elérhető „hobbi kategóriájú” LIDAR rendszerhez a legközelebb a Hybo által tervezett iLidar Solid-State LiDAR érzékelők találhatók. Ez egy kicsi LiDAR rendszer, amely képes 3D leképezésre (az érzékelő elforgatása nélkül), hatékony maximális hatótávolsága 6 méter. Az érzékelő egy USB porttal van felszerelve az UART / SPI / i2C port mellett, amelyen keresztül kommunikáció létesíthető az érzékelő és a mikrovezérlő között.

Az iLidar-t úgy tervezték, hogy mindenki számára megfeleljen, és a LiDAR-hoz kapcsolódó funkciók vonzóvá teszik a gyártókat.