Hva er lidar og hvordan fungerer det?

Driverless Cars som var en av de største teknologiske fantasiene på 1990-tallet (drevet av tidligere filmer som "The Love Bug" og "Demolition Man"), er en realitet i dag, takket være den store fremgangen som er gjort rundt flere teknologier, spesielt LIDAR.

Hva er LiDAR?

LIDAR (står for Light Detection and Ranging) er en omfattende teknologi som måler avstanden til et objekt ved å skyte lysstråler mot objektet og bruke tiden og bølgelengden til den reflekterte lysstrålen til å estimere avstanden og i noen applikasjoner (Laser Imaging), lag en 3D-representasjon av objektet.

Mens ideen bak laser kan spores til arbeidet til EH Synge i 1930, var det ikke noe før på begynnelsen av 1960-tallet, etter oppfinnelsen av laser. I det vesentlige en kombinasjon av laserfokusert bildebehandling med muligheten til å beregne avstander ved hjelp av flytidsteknikken, fant den sine tidligste anvendelser i meteorologi, der den ble brukt til å måle skyer, og i verdensrommet, hvor en laserhøydemåler ble brukt til å kartlegge månens overflate under Apollo 15-oppdraget. Siden da har teknologien forbedret seg og har blitt brukt i forskjellige applikasjoner, inkludert; oppdagelse av seismiske aktiviteter, oseanografi, arkeologi og navigering for å nevne noen få.

Hvordan fungerer LiDAR

Teknologien er ganske lik den for RADAR (radiobølgenavigasjon brukt av skip og fly) og SONAR (undervannsobjektdeteksjon og navigering ved hjelp av lyd, hovedsakelig brukt av ubåter) som begge bruker prinsippet om refleksjon av bølger for gjenstandsdeteksjon og avstand anslag. Imidlertid, mens RADAR er basert på radiobølger og SONAR er basert på lyder, er LIDAR basert på lysstråler (Laser).

LIDAR bruker lys over forskjellige bølgelengder inkludert; ultrafiolett, synlig eller i nærheten av infrarødt lys til bildeobjekter og dets som sådan i stand til å oppdage alle slags materialkomposisjoner, inkludert; ikke-metaller, bergarter, regn, kjemiske forbindelser, aerosoler, skyer og til og med enkeltmolekyler. LIDAR-systemer kan skyte opptil 1 000 000 lyspulser per sekund og bruke tiden det tar for pulsen å reflekteres tilbake til skanneren for å bestemme avstanden objekter og overflater rundt skanneren ligger. Teknikken som brukes for avstandsbestemmelse er kjent som flytid, og ligningen er gitt nedenfor.

Avstand = (Lysets hastighet x Flytid) / 2

I de fleste applikasjoner, bortsett fra bare fjernmåling, opprettes et 3D-kart over miljøet / objektet der lysstrålen ble avfyrt. Dette gjøres via kontinuerlig avfyring av laserstrålen mot objektet eller miljøet.

Det er viktig å merke seg at, i motsetning til den speilreflekterende refleksjonen som kan oppnås i plane speil, er refleksjon som oppleves i LIDAR-systemer tilbakespredet refleksjon ettersom lysbølgene diffunderes tilbake i retningen der de kom. Avhengig av applikasjon bruker LIDAR-systemer forskjellige varianter av tilbakespredning, inkludert Rayleigh og Raman-spredning,

Komponenter i et LIDAR-system

Et LIDAR-system består vanligvis av 5 elementer som forventes å være til stede uavhengig av variasjoner på grunn av applikasjon. Disse hovedkomponentene inkluderer:

Laser
Skannere og optikk
Prosessor
Nøyaktig timing elektronikk
Treghetsmåleenhet og GPS

1. Laser

Laseren fungerer som energikilde for lysimpulsene. Bølgelengden til laseren som brukes i LIDAR-systemer, varierer fra applikasjon til applikasjon på grunn av spesifikke krav til visse applikasjoner. For eksempel bruker luftbårne LiDAR-systemer 1064 nm diode-pumpede YAG-lasere, mens Bathymetriske systemer bruker 532 nm dobbel-diode-pumpede YAG-lasere som trenger inn i vann (opptil 40 meter) med mye mindre demping enn den luftbårne 1064 nm-versjonen. Imidlertid, uansett applikasjoner, har laserne som brukes vanligvis lite energi for å sikre sikkerhet.

2. Skanner og optikk

Skannere er en viktig del av ethvert LIDAR-system. De har ansvaret for å projisere laserpulser til overflater og motta tilbake de reflekterte pulser fra overflaten. Hastigheten som bilder blir utviklet av et LIDAR-system avhenger av hastigheten som skannerne fanger opp bakspredte bjelker. Uavhengig av applikasjon, må optikken som brukes i et LIDAR-system være av høy presisjon og kvalitet for å oppnå de beste resultatene spesielt for kartlegging. Type linser, spesifikt glassvalg, sammen med de optiske beleggene som brukes, er viktige faktorer for LIDARs oppløsning og rekkevidde.

Avhengig av applikasjon kan en rekke skannemetoder distribueres for forskjellige oppløsninger. Azimuth- og høydeskanning og skanning med to akser er noen av de mest populære skannemetodene.

3. Prosessorer

En prosessor med høy kapasitet er vanligvis kjernen i ethvert LIDAR-system. Den brukes til å synkronisere og koordinere aktivitetene til alle de enkelte komponentene i LIDAR-systemet for å sikre at alle komponentene fungerer når de skal. Prosessoren integrerer dataene fra skanneren, tidtakeren (hvis ikke innebygd i behandlingsundersystemet), GPS og IMU for å produsere LIDAR-punktdataene. Disse høydepunktdataene blir deretter brukt til å lage kart avhengig av applikasjonen. I førerløse biler brukes punktdataene til å gi et kart over miljøet i sanntid for å hjelpe bilene med hindring av hindringer og generell navigering.

Med lys som beveger seg med en hastighet på ca. 0,3 meter per nanosekunder, og tusenvis av stråler reflekteres vanligvis tilbake til skanneren, kreves det at prosessoren har høy hastighet med høy prosesseringsevne. Dermed har fremskrittene i prosessorkraften til databehandlingselementer vært en av de viktigste driverne for LIDAR-teknologi.

4. Timing Electronics

Nøyaktig timing er avgjørende i LIDAR-systemer ettersom hele operasjonen er bygget i tide. Tidselektronikken representerer LIDAR-undersystemet som registrerer den nøyaktige tiden en laserpuls forlater og den nøyaktige tiden den returnerer til skanneren.

Det er presisjon og nøyaktighet kan ikke vektlegges for mye. På grunn av den spredte refleksjonen har impulser som sendes ut, vanligvis flere returer som hver må presiseres nøyaktig for å sikre nøyaktigheten til dataene.

5. Treghetsmåleenhet og GPS

Når en LiDAR-sensor er montert på en mobil plattform som satellitter, fly eller biler, er det nødvendig å bestemme den absolutte posisjonen og retningen til sensoren for å beholde brukbare data. Dette oppnås ved bruk av et treghetsmålesystem (IMU) og Global Positioning System (GPS). IMU består vanligvis av et akselerometer, gyroskop og et magnetometer for å måle hastighet, orientering og gravitasjonskrefter, som kombineres sammen, brukes til å bestemme vinkelretningen (Pitch, roll and Yaw) til skanneren i forhold til bakken. GPS gir derimot nøyaktig geografisk informasjon om posisjonen til sensoren, og muliggjør direkte georeferanse av objektpunktene.Disse to komponentene gir metoden for å oversette sensordata til statiske punkter for bruk i en rekke systemer.

Den ekstra informasjonen som innhentes ved hjelp av GPS og IMU, er avgjørende for integriteten til innhentede data, og det hjelper med å sikre at avstanden til overflatene blir estimert riktig, spesielt i mobile LIDAR-applikasjoner som autonome kjøretøyer og Air Plane-baserte forestillingssystemer.

Typer LiDAR

Mens LIDAR-systemer kan klassifiseres i typer basert på ganske mange faktorer, er det tre generiske typer LIDAR-systemer som er;

Avstandssøker LIDAR
Differensiell absorpsjon LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Dette er den enkleste typen LIDAR-systemer. De brukes til å bestemme avstanden fra LIDAR-skanneren til et objekt eller en overflate. Ved å bruke time of flight-prinsippet som er beskrevet under “hvordan det fungerer”, brukes tiden det tar for refleksjonsstrålen å treffe skanneren, til å bestemme avstanden mellom LIDAR-systemet og objektet.

2. Differensiell absorpsjon LIDAR

Differensialabsorpsjon LIDAR-systemer (noen ganger referert til som DIAL), brukes vanligvis til å undersøke tilstedeværelsen av visse molekyler eller materialer. DIAL-systemer avfyrer vanligvis laserstråler med to bølgelengder som er valgt på en slik måte at en av bølgelengdene vil bli absorbert av molekylet av interesse mens den andre bølgelengden ikke vil være. Absorpsjonen av en av bjelkene resulterer i en forskjell (differensial absorpsjon) i intensiteten til returstrålene som mottas av skanneren. Denne forskjellen brukes deretter til å utlede nivået av tilstedeværelse av molekylet som undersøkes. DIAL har blitt brukt til å måle kjemiske konsentrasjoner (som ozon, vanndamp, forurensende stoffer) i atmosfæren.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR brukes til å måle hastigheten til et mål. Når lysstråler fra LIDAR treffer et mål som beveger seg mot eller bort fra LIDAR, vil bølgelengden til lyset som reflekteres / spres utenfor målet endres litt. Dette er kjent som et Doppler-skifte - som et resultat, Doppler LiDAR. Hvis målet beveger seg vekk fra LiDAR, vil returlyset ha en lengre bølgelengde (noen ganger referert til som et rødt skift).

Noen av de andre klassifiseringene som LIDAR-systemer er gruppert i typer inkluderer:

Plattform
Type tilbakespredning

Typer LiDAR basert på plattform

Ved å bruke plattform som et kriterium kan LIDAR-systemer grupperes i fire typer inkludert;

Jordbasert LIDAR
Luftbåren LIDAR
Spaceborne LIDAR
Bevegelse LIDAR

Disse LIDAR-ene er forskjellige i konstruksjon, materialer, bølgelengde, utsikter og andre faktorer som vanligvis velges for å passe det som fungerer i det miljøet de skal distribueres for.

Typer LIDAR Basert på type tilbakespredning

Under beskrivelsen av hvordan LIDAR-systemer fungerer, nevnte jeg at refleksjon i LIDAR er via tilbakespredning. Ulike utganger for tilbakespredning og noen ganger brukes til å beskrive typen LIDAR. Typer av tilbakespredning inkluderer;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescens

Søknader om LiDAR

På grunn av sin ekstreme nøyaktighet og fleksibilitet har LIDAR et bredt antall applikasjoner, spesielt produksjon av kart med høy oppløsning. I tillegg til kartlegging har LIDAR blitt brukt i jordbruk, arkeologi og i roboter, ettersom den for øyeblikket er en av de viktigste aktiveringene av det autonome kjøretøysløpet, og er den største sensoren som brukes i de fleste kjøretøyer med LIDAR-systemet som utfører en rolle som den øynene for kjøretøyene.

Det er hundrevis av andre applikasjoner av LiDAR, og vil prøve å nevne så mange som mulig nedenfor.

Autonome kjøretøy
3D-bildebehandling
Landmåling
Inspeksjon av kraftledninger
Turisme og parkadministrasjon
Miljøvurdering for skogvern
Flommodellering
Økologisk og landklassifisering
Forurensningsmodellering
Olje- og gassutforskning
Meteorologi
Oseanografi
Alle slags militære applikasjoner
Cell Network Network Planning
Astronomi

LiDAR-begrensninger

LIDAR som alle andre teknologier har sine mangler. Den rekkevidde og presisjon av LIDAR systemer er hardt rammet under dårlige værforhold. For eksempel, i tåkeforhold, genereres en betydelig mengde falske signaler på grunn av at bjelker reflekteres av tåken. Dette fører vanligvis til miespredningseffekten, og som sådan kommer en stor del av den avfyrte strålen ikke tilbake til skanneren. En lignende forekomst oppleves med regn, da regnpartikler forårsaker falsk retur.

Bortsett fra vær, kan LIDAR-systemer lures (enten bevisst eller ubevisst) til å tro at et objekt eksisterer ved å blinke "lys" på det. Ifølge et papir som ble publisert i 2015, kan det å blinke en enkel laserpeker på LIDAR-systemet montert på autonome kjøretøy desorienterer kjøretøyets navigasjonssystemer og gi det inntrykk av at det eksisterer et objekt der det ikke er noen. Denne feilen, spesielt i førerløs bilanvendelse av lasere, åpner for mange sikkerhetsproblemer, da det ikke vil ta lang tid før biljakkere foredler prinsippet for bruk i angrep. Det kan også føre til ulykker med biler som stopper plutselig midt på veien hvis de ante hva de trodde var en annen bil eller en fotgjenger.

Fordeler og ulemper ved LiDAR

For å avslutte denne artikkelen, bør vi sannsynligvis se på grunner til at du LIDAR kan passe godt for prosjektet ditt og grunner til at du sannsynligvis burde unngå det.

Fordeler

1. Høy hastighet og nøyaktig datainnsamling

2. Høy penetrasjon

3. Ikke påvirket av lysintensiteten i omgivelsene og kan brukes om natten eller i solen.

4. High Resolution Imaging sammenlignet med andre metoder.

5. Ingen geometriske forvrengninger

6. Integreres enkelt med andre datainnsamlingsmetoder.

7. LIDAR har minimal menneskelig avhengighet som er bra i visse applikasjoner der menneskelige feil kan påvirke påliteligheten til data.

Ulemper

1. Kostnaden for LIDAR gjør det overkill for visse prosjekter. LIDAR kan best beskrives som relativt dyrt.

2. LIDAR-systemer fungerer dårlig i kraftig regn, tåke eller snøforhold.

3. LIDAR-systemer genererer store datasett som krever store beregningsressurser å behandle.

4. Upålitelig i turbulente vannapplikasjoner.

5. Avhengig av bølgelengden som er tatt i bruk, er ytelsen til LIDAR-systemer begrenset høyde ettersom pulser som avfyres i visse typer LIDARer blir ineffektive i visse høyder.

LIDAR for hobbyist og produsenter

På grunn av kostnadene ved LIDAR brukes de fleste LIDAR-systemene i markedet (som velodyne LIDAR) i industrielle applikasjoner (for å samle alle "ikke-hobbyistiske" applikasjoner).

Det nærmeste LIDAR-systemet som er tilgjengelig akkurat nå, er iLidar Solid-State LiDAR-sensorer designet av Hybo. Det er et lite LiDAR-system som kan 3D-kartlegging (uten å rotere sensoren) med en effektiv maksimal rekkevidde på 6 meter. Sensoren er utstyrt med en USB-port ved siden av en UART / SPI / i2C-port der kommunikasjon kan opprettes mellom sensoren og en mikrokontroller.

iLidar ble designet for å passe alle, og funksjonene knyttet til LiDAR gjør det attraktivt for produsenter.