Что такое лидар (LiDAR) и как он работает


Беспилотные автомобили, которые были одной из самых больших технологических фантазий 1990-х годов (подпитываемых более ранними фильмами, такими как «Любовный жук» и «Разрушитель»), сегодня стали реальностью благодаря огромному прогрессу, достигнутому в нескольких технологиях, особенно в области лидаров.

Датчики беспилотного автомобиля

Что такое лидар?

LIDAR (расшифровывается как Light Detection and Ranging ) — это технология определения дальности, которая измеряет расстояние до объекта, направляя лучи света на объект, и использует время распространения и длину волны отраженного луча света для оценки расстояния, а в некоторых приложениях создает трехмерное представление объекта.

Хотя идея лазера восходит к работе Э. Х. Синга в 1930 году, она не существовала до начала 1960-х годов, после изобретения лазера. По сути, это сочетание лазерно-фокусированной визуализации с возможностью расчета расстояний с использованием метода времени полета. Оно нашло свое первое применение в метеорологии, где оно использовалось для измерения облаков, и в космосе, где лазерный высотомер использовался для картографирования облаков, а также поверхности Луны во время миссии «Аполлон-15». С тех пор технология улучшилась и использовалась в различных приложениях, в том числе: обнаружение сейсмической активности, океанография, археология и навигация, и это лишь некоторые из них.

Как работает лидар

Эта технология очень похожа на технологию радаров (радиоволновая навигация, используемая кораблями и самолетами) и сонаров/SONAR (обнаружение подводных объектов и навигация с использованием звука, в основном используемая на подводных лодках), которые используют принцип отражения волн для обнаружения объектов и определения расстояния до них. Однако, хотя радары основаны на радиоволнах, а сонары - на звуках, принцип действия лидара основан на световых лучах (лазере).

LIDAR использует свет разных длин волн, в том числе; ультрафиолетовый, видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов и, как таковой, способен обнаруживать все виды составов материалов, в том числе; неметаллы, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли, облака и даже отдельные молекулы. Системы LIDAR могут излучать до 1 000 000 световых импульсов в секунду и использовать время, необходимое для отражения импульсов обратно в сканер, для определения расстояния, на котором расположены объекты и поверхности вокруг сканера. Метод, используемый для определения расстояния, известен как время распространения, и его уравнение приведено ниже.

Расстояние = (Скорость света x Время распространения) / 2

В большинстве приложений, помимо простого дистанционного измерения, создается трехмерная карта окружающей среды/объекта, на который был направлен световой луч. Это делается путем непрерывного воздействия лазерного луча на объект или окружающую среду.

Пример формирования трехмерной карты объекта с помощью лидара

Важно отметить, что в отличие от отражения зеркального типа, которое можно получить в плоских зеркалах, отражение, наблюдаемое в системах LIDAR, представляет собой отражение обратного рассеяния, поскольку световые волны рассеиваются обратно в направлении, откуда они пришли. В зависимости от применения системы LIDAR используют различные варианты обратного рассеяния, включая рэлеевское и комбинационное рассеяние.

Компоненты лидарной системы

Система LIDAR обычно состоит из 5 элементов, которые, как ожидается, будут присутствовать независимо от изменений, связанных с применением. К этим основным компонентам относятся:

  1. Лазер.
  2. Сканеры и оптическая система.
  3. Процессор.
  4. Электронная система точного времени.
  5. Инерционный измерительный блок и GPS.

Далее рассмотрим эти компоненты более подробно.

1. Лазер

Лазер служит источником энергии для световых импульсов. Длина волны лазера, используемого в системах LIDAR, различается от одного приложения к другому из-за конкретных требований определенных приложений. Например, в бортовых лидарных системах используются YAG-лазеры с диодной накачкой 1064 нм, в то время как в батиметрических системах используются YAG-лазеры с двойной диодной накачкой 532 нм, которые проникают в воду (до 40 метров) с гораздо меньшим затуханием, чем бортовая версия 1064 нм. Однако независимо от области применения используемые лазеры обычно имеют низкую энергию для обеспечения безопасности (людей).

2. Сканер и оптика

Сканеры являются важной частью любой лидарной системы. Они отвечают за проецирование лазерных импульсов на поверхности и прием отраженных импульсов от поверхности. Скорость, с которой изображения создаются системой LIDAR, зависит от скорости, с которой сканеры улавливают обратно рассеянные лучи. Независимо от применения, оптика, используемая в лидарной системе, должна быть высокой точности и качества для получения наилучших результатов, особенно при картографировании. Тип линз, выбор конкретного стекла, а также используемые оптические покрытия являются основными факторами, определяющими разрешение и дальность действия лидара.

В зависимости от приложения можно использовать различные методы сканирования для разных разрешений. Сканирование по азимуту и ​​углу места, а также двухосное сканирование являются одними из самых популярных методов сканирования.

3. Процессоры

В основе любой системы LIDAR обычно лежит процессор высокой производительности. Он используется для синхронизации и координации действий всех отдельных компонентов системы LIDAR, обеспечивая совместную работу всех компонентов. Процессор объединяет данные со сканера, таймера (если он не встроен в подсистему обработки), GPS и IMU для создания данных точки LIDAR. Эти данные о точках высот затем используются для создания карт в зависимости от приложения. В «машинах без водителя» данные о точках используются для создания карты окружающей среды в реальном времени, которая помогает автомобилям избегать препятствий и осуществлять общую навигацию.

Поскольку свет распространяется со скоростью около 0,3 метра в наносекунду и тысячи лучей обычно отражаются обратно в сканер, процессор обычно должен быть высокоскоростным и с высокими вычислительными возможностями. Таким образом, развитие вычислительной мощности вычислительных элементов стало одной из основных движущих сил технологии LIDAR.

4. Электронная система синхронизации

Точное время имеет решающее значение в системах LIDAR, поскольку вся операция строится по времени. Электронный блок синхронизации представляет собой подсистему LIDAR, которая фиксирует точное время выхода лазерного импульса и точное время его возвращения в сканер.

Его точность и аккуратность невозможно переоценить. Из-за рассеянного отражения посылаемые импульсы обычно имеют несколько возвратов, каждый из которых должен быть точно рассчитан по времени, чтобы обеспечить точность данных.

5. Инерциальный измерительный блок и GPS

Когда датчик лидар установлен на мобильной платформе, такой как спутники, самолеты или автомобили, необходимо определить абсолютное положение и ориентацию датчика, чтобы сохранить полезные данные. Это достигается за счет использования инерциальной системы измерения (IMU) и системы глобального позиционирования (GPS). IMU обычно состоит из акселерометра, гироскопа и магнитометра для измерения скорости, ориентации и гравитационных сил, которые в совокупности используются для определения угловой ориентации (тангажа, крена и рыскания) сканера относительно земли. С другой стороны, GPS предоставляет точную географическую информацию о положении датчика, что позволяет осуществлять прямую географическую привязку точек объекта. Эти два компонента обеспечивают метод перевода данных датчиков в статические точки для использования в различных системах.

Дополнительная информация, полученная с помощью GPS и IMU, имеет решающее значение для целостности полученных данных и помогает обеспечить правильную оценку расстояния до поверхностей, особенно в мобильных приложениях LIDAR, таких как автономные транспортные средства и системы визуализации на базе самолетов.

Типы лидаров

Хотя системы LIDAR можно разделить на типы на основе множества факторов, существует три основных типа таких систем:

  1. Дальномерный лидар.
  2. Лидар дифференциального поглощения.
  3. Допплеровский лидар.

1. Дальномерный лидар

Это самый простой вид лидарных систем. Они используются для определения расстояния от сканера LIDAR до объекта или поверхности. Используя принцип времени распространения, описанный в предыдущем разделе, время, необходимое отраженному лучу для попадания в сканер, используется для определения расстояния между системой LIDAR и объектом.

2. Лидар дифференциального поглощения

Системы LIDAR с дифференциальным поглощением (иногда называемые DIAL) обычно используются для исследования присутствия определенных молекул или материалов. Системы DIAL обычно излучают лазерные лучи двух длин волн, которые выбираются таким образом, что одна из длин волн будет поглощаться интересующей молекулой, а другая длина волны не будет поглощаться. Поглощение одного из лучей приводит к различию (дифференциальному поглощению) интенсивности обратных лучей, принимаемых сканером. Эта разница затем используется для определения уровня присутствия исследуемой молекулы. DIAL использовался для измерения концентрации химических веществ (таких как озон, водяной пар, загрязняющие вещества) в атмосфере.

3. Доплеровский лидар

Допплеровский лидар используется для измерения скорости цели. Когда лучи света, испускаемые лидаром, попадают на цель, движущуюся к лидару или от него, длина волны света, отраженного/рассеянного от цели, немного изменится. Это известно как доплеровский сдвиг — в результате получается доплеровский лидар. Если цель удаляется от лидара, отраженный свет будет иметь большую длину волны (иногда называемую красным смещением), если двигаться к лидару, отраженный свет будет иметь более короткую длину волны (с синим смещением).

Некоторые из других классификаций, по которым системы LIDAR группируются по типам, включают:

  1. Платформа.
  2. Тип обратного рассеяния.

Типы лидаров на основе платформы

Используя платформу в качестве критерия, системы LIDAR можно разделить на четыре типа, в том числе:

  1. Наземный лидар.
  2. Бортовой лидар.
  3. Космический лидар.
  4. Лидар движения.

Эти лидары различаются по конструкции, материалам, длине волны, внешнему виду и другим факторам, которые обычно выбираются в соответствии с тем, что работает в среде, в которой они будут развернуты.

Типы лидаров в зависимости от типа обратного рассеяния

Описывая, как работают системы LIDAR, мы писали, что отражение в лидарах осуществляется посредством обратного рассеяния. Существуют различные типы выходов обратного рассеяния и иногда их используют для описания типа лидара. Типы обратного рассеяния включают в себя:

  1. Mie.
  2. Рэлеевское.
  3. Рамановское.
  4. Флуоресценция.

Применение лидаров

Благодаря своей исключительной точности и гибкости лидары находят широкое применение, в частности, для создания карт высокого разрешения. Помимо геодезических работ, лидары используется в сельском хозяйстве, археологии и робототехнике, поскольку в настоящее время они является одним из основных факторов развития  автономных транспортных средств, являясь основным датчиком, используемым в большинстве транспортных средств, при этом система LIDAR выполняет роль, аналогичную роли глаз для транспортных средств.

Существуют сотни других применений лидаров, вот лишь некоторые наиболее значимые из них:

  1. Автономные транспортные средства.
  2. 3D-изображения.
  3. Земельное обследование.
  4. Проверка линии электропередачи.
  5. Управление туризмом и парками.
  6. Экологическая оценка для защиты леса.
  7. Моделирование наводнений.
  8. Экологическая и земельная классификация.
  9. Моделирование загрязнения.
  10. Разведка нефти и газа.
  11. Метеорология.
  12. Океанография.
  13. Все виды военного применения.
  14. Планирование сотовой сети.
  15. Астрономия.

Ограничения лидара

Лидары, как и любая другая технология, имеет свои недостатки. Плохие погодные условия сильно влияют на дальность действия и точность систем LIDAR. Например, в условиях тумана генерируется значительное количество ложных сигналов из-за отражения лучей от тумана. Обычно это приводит к эффекту рассеяния и поэтому большая часть выпущенного луча не возвращается обратно в сканер. Аналогичное явление наблюдается и с дождем, поскольку частицы дождя вызывают ложные отражения.

Помимо погоды, системы LIDAR можно обмануть (намеренно или ненамеренно), заставив их думать, что объект существует, мигая на него «огоньками». Так, наведение простой лазерной указки на систему LIDAR, установленную на автономных транспортных средствах, может дезориентировать навигационные системы автомобиля, создавая впечатление существования объекта там, где его нет. Этот недостаток, особенно в применении лазеров в беспилотных автомобилях, вызывает множество проблем с безопасностью, поскольку угонщикам автомобилей не потребуется много времени, чтобы отточить принцип использования при атаках. Это также могло привести к авариям, когда автомобили внезапно останавливались посреди дороги, если они чувствовали, что это был другой автомобиль или пешеход.

Преимущества и недостатки лмдаров

Подводя итог этой статье, нам, вероятно, следует рассмотреть причины, по которым лидар может хорошо подойти для вашего проекта, и причины, по которым вам, вероятно, следует его избегать.

Преимущества

  1. Высокая скорость и точный сбор данных.
  2. Высокая проникающая способность.
  3. Не зависит от интенсивности света окружающей среды и может использоваться ночью или на солнце.
  4. Визуализация высокого разрешения по сравнению с другими методами.
  5. Никаких геометрических искажений.
  6. Легко интегрируется с другими методами сбора данных.
  7. Лидар минимально зависит от человека, что хорошо в некоторых приложениях, где человеческая ошибка может повлиять на надежность данных.

Недостатки

  1. Стоимость лидаров делает их излишним для некоторых проектов ввиду их дороговизны.
  2. Системы LIDAR плохо работают в условиях сильного дождя, тумана или снега.
  3. Системы LIDAR генерируют большие наборы данных, для обработки которых требуются высокие вычислительные ресурсы.
  4. Ненадежен при работе с турбулентной водой.
  5. В зависимости от принятой длины волны производительность систем лидаров ограничена высотой, поскольку импульсы, излучаемые в лидарах определенного типа, становятся неэффективными на определенных высотах.

Лидары для начинающих

Из-за стоимости лидаров большинство систем лидаров на рынке (например, лидары velodyne) используются в промышленных приложениях (для объединения всех приложений, не связанных с хобби).

Внешний вид лидара для начинающих

Наиболее близкой к системе LIDAR «любительского уровня», доступной на данный момент, являются твердотельные датчики LiDAR iLidar, разработанные компанией Hybo. Это небольшая система LiDAR, способная создавать 3D-карты (без вращения датчика) с эффективной максимальной дальностью действия 6 метров. Датчик оснащен портом USB рядом с портом UART/SPI/i2C, через который можно установить связь между датчиком и микроконтроллером.

iLidar был разработан, чтобы удовлетворить потребности каждого, а относительная простота делают его привлекательным для производителей.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
295 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *