Шта је лидар и како делује

Аутомобили без возача који су били једна од највећих технолошких фантазија деведесетих (подстакнути ранијим филмовима попут „Љубавна грешка“ и „Човек за рушење“) данас су стварност захваљујући огромном напретку постигнутом око неколико технологија, посебно ЛИДАР-а.

Шта је ЛиДАР?

ЛИДАР (скраћеница од Детецтион анд Ранге Лигхт) је технологија кретања у даљини која мери удаљеност објекта пуцајући снопове светлости на објекат и користи време и таласну дужину одбијеног снопа светлости за процену удаљености и у неким применама (Ласер Имагинг), направите 3Д представу Објекта.

Иако се идеја која стоји иза ласера може пратити у раду ЕХ Сингеа 1930. године, то је било све до раних 1960-их, након проналаска ласера. Суштински комбинација ласерски фокусираног сликања и могућности израчунавања удаљености помоћу технике лета лета, нашла је најраније примене у метеорологији, где је коришћена за мерење облака, и у свемиру, где је ласерски висиномер коришћен за мапирање месечева површина током мисије Аполон 15. Од тада се технологија побољшала и користи се у разним апликацијама, укључујући; откривање сеизмичких активности, океанографија, археологија и навигација да поменемо само неке.

Како функционише ЛиДАР

Технологија је прилично слична технологији РАДАР-а (радио-таласна навигација коју користе бродови и авиони) и СОНАР-а (подводна детекција објеката и навигација помоћу звука, углавном подморница) који обоје користе принцип рефлексије таласа за откривање објеката и даљину процена. Међутим, док је РАДАР заснован на радио таласима, а СОНАР на звуковима, ЛИДАР је заснован на светлосним сноповима (ласерски).

ЛИДАР користи светлост на различитим таласним дужинама, укључујући; ултраљубичасто, видљиво или блиско инфрацрвено светло на објектима који могу да открију све врсте материјалних композиција, укључујући; неметали, стене, киша, хемијска једињења, аеросоли, облаци, па чак и појединачни молекули. ЛИДАР системи могу да испали до 1.000.000 светлосних импулса у секунди и искористе време потребно да се импулси одбију назад у скенер да би одредили удаљеност на којој се налазе предмети и површине око скенера. Техника која се користи за одређивање удаљености позната је као време лета и њена једначина је дата у наставку.

Удаљеност = (Брзина светлости к Време лета) / 2

У већини апликација, осим само удаљених мерења, креира се 3Д мапа околине / објекта на који је испаљен сноп светлости. То се постиже непрекидним испаљивањем ласерског зрака на предмет или околину.

Важно је напоменути да је, за разлику од зрцалне рефлексије која се може добити у равним огледалима, рефлексија искусна у системима ЛИДАР повратно расејана рефлексија док се светлосни таласи дифузују назад кроз правац у коме су дошли. У зависности од примене, ЛИДАР системи користе различите варијације повратног расејања, укључујући Раилеигх и Раман расејање,

Компоненте ЛИДАР система

ЛИДАР систем се обично састоји од 5 елемената за које се очекује да ће бити присутни без обзира на варијације због примене. Ове главне компоненте укључују:

Ласер
Скенери и систем оптике
Процесор
Тачна електроника за подешавање времена
Инерцијална мерна јединица и ГПС

1. Ласер

Ласер служи као извор енергије за светлосне импулсе. Таласна дужина ласера уграђеног у ЛИДАР системе разликује се од апликације до апликације због специфичних захтева одређених апликација. На пример, ваздушни ЛиДАР системи користе ИАГ ласере са 1064 нм пумпаном диодом, док Батиметријски системи користе ИАГ ласере са дуплом диодом са 532 нм који продиру у воду (до 40 метара) са много мање слабљења од верзије у ваздуху са 1064 нм. Међутим, без обзира на примену, ласери који се користе обично су ниске енергије како би се осигурала сигурност.

2. Скенер и оптика

Скенери су важан део сваког ЛИДАР система. Они су задужени за пројектовање ласерских импулса на површине и поврат повратних импулса са површине. Брзина којом слике развија систем ЛИДАР зависи од брзине којом скенери хватају уназад расејане зраке. Без обзира на примену, оптика која се користи у ЛИДАР систему мора бити високе прецизности и квалитета да би се постигли најбољи резултати, посебно за мапирање. Тип сочива, одређени избор стакла, заједно са оптичким премазима који су коришћени, главне су одреднице резолуције и могућности домета ЛИДАР-а.

У зависности од апликације, могу се применити различити начини скенирања за различите резолуције. Скенирање Азимутом и висином, као и двоосно скенирање су неки од најпопуларнијих метода скенирања.

3. Процесори

Процесор великог капацитета је обично у средишту сваког ЛИДАР система. Користи се за синхронизацију и координацију активности свих појединачних компоненти ЛИДАР система осигуравајући да све компоненте раде када би требале. Процесор интегрише податке из скенера, тајмера (ако није уграђен у подсистем за обраду), ГПС-а и ИМУ-а да би произвео податке тачке ЛИДАР. Подаци о тачки надморске висине се затим користе за креирање мапа у зависности од примене. У возилима без возача подаци тачке се користе за пружање мапе окружења у стварном времену која помаже аутомобилима у избегавању препрека и општој навигацији.

Са светлошћу која се креће брзином од око 0,3 метра у наносекунди и хиљадама зрака који се обично рефлектују натраг у скенер, обично се захтева да процесор има велику брзину и велике могућности обраде. Стога је напредак у процесорској снази рачунарских елемената један од главних покретача ЛИДАР технологије.

4. Електроника времена

Тачно одређивање времена је од суштинске важности у ЛИДАР системима јер је цела операција изграђена на време. Електроника за одређивање времена представља ЛИДАР подсистем који бележи тачно време када ласерски импулс одлази и тачно време када се враћа у скенер.

Његова прецизност и тачност се не могу превише нагласити. Због раштркане рефлексије, послати импулси обично имају вишеструке повратке, од којих сваки треба прецизно временски одредити како би се осигурала тачност података.

5. Инерцијална мерна јединица и ГПС

Када је ЛиДАР сензор постављен на мобилну платформу као што су сателити, авиони или аутомобили, неопходно је одредити апсолутни положај и оријентацију сензора како би се задржали корисни подаци. То се постиже употребом система за инерцијално мерење (ИМУ) и система глобалног позиционирања (ГПС). ИМУ се обично састоји од акцелерометра, жироскопа и магнетометра за мерење брзине, оријентације и гравитационих сила, које се заједно комбинују за одређивање угаоне оријентације (нагиб, котрљање и нагиб) скенера у односу на земљу. ГПС, с друге стране, пружа тачне географске информације о положају сензора, омогућавајући тако директно геореференцирање тачака објекта.Ове две компоненте пружају методу за превођење података сензора у статичке тачке за употребу у разним системима.

Додатне информације добијене коришћењем ГПС-а и ИМУ-а пресудне су за интегритет прикупљених података и помажу у обезбеђивању тачне процене удаљености до површина, посебно у мобилним ЛИДАР апликацијама попут аутономних возила и система за замишљање заснованих на авиону.

Врсте ЛиДАР-а

Иако се ЛИДАР системи могу класификовати у типове на основу великог броја фактора, постоје три генеричка типа ЛИДАР система који су;

Даљиномер ЛИДАР
Диференцијална апсорпција ЛИДАР
Доплер ЛИДАР

1. Даљиномер ЛИДАР

Ово су најједноставније врсте ЛИДАР система. Користе се за одређивање удаљености од ЛИДАР скенера до објекта или површине. Коришћењем принципа времена лета описаног у одељку „како то функционише“, време потребно да рефлексиони зрак погоди скенер користи се за одређивање растојања између ЛИДАР система и објекта.

2. Диференцијална апсорпција ЛИДАР

Диференцијални апсорпциони ЛИДАР системи (понекад се називају и ДИАЛ) обично се користе за испитивање присуства одређених молекула или материјала. ДИАЛ системи обично испаљују ласерске зраке са две таласне дужине које су одабране на такав начин да молекул од интереса таласну дужину упије једна од таласних дужина, док друга таласна дужина неће. Апсорпција једне зраке резултира разликом (диференцијалном апсорпцијом) у интензитету повратних зрака које прима скенер. Ова разлика се затим користи за утврђивање нивоа присуства молекула који се истражује. ДИАЛ се користи за мерење хемијских концентрација (као што су озон, водена пара, загађивачи) у атмосфери.

3. Доплер ЛИДАР

Доплер ЛиДАР користи се за мерење брзине циља. Када зраке светлости испаљене са ЛИДАР-а погоди циљ који се креће према ЛИДАР-у или од њега, таласна дужина светлости која се одбија / расипа од циља биће мало промењена. Ово је познато као Доплеров помак - као резултат тога, Доплер ЛиДАР. Ако се мета удаљава од ЛиДАР-а, повратно светло ће имати дужу таласну дужину (понекад се назива и црвени помак), ако се креће према ЛиДАР-у, повратно светло ће бити на краћој таласној дужини (плаво померено).

Неке друге класификације на којима су ЛИДАР системи груписани у типове укључују:

Платформа
Тип повратног расејања

Врсте ЛиДАР-а засноване на платформи

Користећи платформу као критеријум, ЛИДАР системи се могу груписати у четири типа, укључујући;

Земаљски ЛИДАР
У ваздуху ЛИДАР
ЛИДАР у свемиру
Покрет ЛИДАР

Ови ЛИДАР-ови се разликују у конструкцији, материјалима, таласној дужини, изгледима и другим факторима који се обично бирају у складу са оним што функционише у окружењу за које ће бити распоређени.

Врсте ЛИДАР-а засноване на врсти повратног расејања

Током мог описа како функционишу ЛИДАР системи, споменуо сам да се у ЛИДАР-у рефлексија врши повратним распршивањем. Различити типови излаза за повратно расипање и понекад се користе за описивање типа ЛИДАР. Врсте повратног расејања укључују;

Мие
Раилеигх
Раман
Флуоресценција

Примене ЛиДАР-а

Због своје крајње тачности и флексибилности, ЛИДАР има широк број апликација, посебно израду мапа високе резолуције. Поред истраживања, ЛИДАР се користи у пољопривреди, археологији и роботима, јер је тренутно један од главних покретача аутономне трке возила, будући да је главни сензор који се користи у већини возила са системом ЛИДАР који има улогу сличну улози очи за возила.

Постоји 100 других апликација ЛиДАР-а и покушаћемо да наведемо што је више могуће у наставку.

Аутономна возила
3Д Имагинг
Премер земљишта
Инспекција далековода
Туризам и управљање парковима
Еколошка процена за заштиту шума
Моделирање поплава
Еколошка и класификација земљишта
Моделовање загађења
Истраживање нафте и гаса
Метеорологија
Океанографија
Све врсте војних апликација
Планирање ћелијске мреже
Астрономија

Ограничења ЛиДАР-а

ЛИДАР као и свака друга технологија има своје недостатке. Опсег и тачност ЛиДАР система су тешко погођена током лоших временских услова. На пример, у условима магле ствара се значајна количина лажних сигнала због снопова који се одбијају у магли. То обично доводи до ефекта расипања миеа и као такав, главнина испаљеног зрака се не враћа назад у скенер. Слична појава се јавља и код кише јер честице кише узрокују лажни повратак.

Поред времена, ЛИДАР системи се могу преварити (намерно или ненамерно) да би помислили да постоји неки објекат трепћући „лампицама“ на њему. Према раду објављеном 2015. године, бљескање једноставног ласерског показивача на ЛИДАР систему постављеном на аутономним возилима могло би да дезоријентише навигационе системе возила, стварајући утисак о постојању објекта где га уопште нема. Ова грешка, посебно у примени ласера на аутомобилима без возача, отвара многе сигурносне проблеме, јер аутокамерима неће требати дуго да усаврше принцип употребе у нападима. То би такође могло довести до несрећа када би се аутомобили нагло зауставили насред пута ако би осетили оно за шта верују да је други аутомобил или пешак.

Предности и недостаци ЛиДАР-а

Да бисмо завршили овај чланак, вероватно бисмо требали размотрити разлоге због којих сте ЛИДАР добро одговарали вашем пројекту и разлоге због којих бисте га вероватно требали избегавати.

Предности

1. Велика брзина и тачно прикупљање података

2. Висока пенетрација

3. Не утиче на интензитет светлости у свом окружењу и може се користити ноћу или на сунцу.

4. Слика високе резолуције у поређењу са другим методама.

5. Нема геометријских изобличења

6. Лако се интегрише са другим методама прикупљања података.

7. ЛИДАР има минималну зависност од човека, што је добро у одређеним апликацијама где би људска грешка могла утицати на поузданост података.

Мане

1. Трошкови ЛИДАР-а чине га претјераним за одређене пројекте. ЛИДАР је најбоље описати као релативно скуп.

2. ЛИДАР системи се лоше понашају по јакој киши, магли или снегу.

3. ЛИДАР системи генеришу велике скупове података који захтевају велике рачунске ресурсе за обраду.

4. Непоуздан у применама узбуркане воде.

5. У зависности од усвојене таласне дужине, перформансе ЛИДАР система су ограничене надморске висине јер импулси отпуштени у одређеним врстама ЛИДАР-а постају неефикасни на одређеним висинама.

ЛИДАР за хобисте и произвођаче

Због трошкова ЛИДАР-а, већина ЛИДАР система на тржишту (попут велодине ЛИДАР-а) користи се у индустријским апликацијама (за окупљање свих „не-хобистичких“ апликација).

Тренутно најближи ЛИДАР систему који је „хоби разред“, су иЛидар ССД ЛиДАР сензори који је дизајнирао Хибо. То је мали ЛиДАР систем способан за 3Д мапирање (без окретања сензора) са ефективним максималним дометом од 6 метара. Сензор је опремљен УСБ прикључком уз УАРТ / СПИ / и2Ц порт путем којег се може успоставити комуникација између сензора и микроконтролера.

иЛидар је дизајниран да одговара свима, а карактеристике повезане са ЛиДАР-ом чине га привлачним за произвођаче.