Ano ang lidar at paano ito gumagana

Ang mga Driverless Cars na kung saan ay isa sa pinakamalaking pantasyang panteknolohiya noong dekada 1990 (pinasimulan ng mga naunang pelikula tulad ng "The Love Bug" at "Demolition Man"), ay isang katotohanan ngayon, salamat sa malaking pagsulong na ginawa sa paligid ng maraming mga teknolohiya lalo na ang LIDAR.

Ano ang LiDAR?

Ang LIDAR (ibig sabihin sa Light Detection at Ranging) ay isang sumasaklaw na teknolohiya na sumusukat sa distansya ng isang bagay sa pamamagitan ng pagpapaputok ng mga ilaw ng ilaw sa bagay at gamitin ang oras at haba ng haba ng nakalarawan na sinag ng ilaw upang tantyahin ang distansya at sa ilang mga aplikasyon (Laser Imaging), lumikha ng isang 3D na representasyon ng Bagay.

Habang ang ideya sa likod ng laser ay maaaring masubaybayan sa gawain ng EH Synge noong 1930, Ito ay hindi isang bagay hanggang sa unang bahagi ng 1960, pagkatapos ng pag-imbento ng laser. Mahalagang isang kumbinasyon ng imaging na nakatuon sa laser na may kakayahang makalkula ang mga distansya gamit ang oras ng diskarte sa paglipad, nahanap nito ang mga pinakamaagang aplikasyon sa Meteorology, kung saan ginamit ito upang masukat ang mga ulap, at sa Space, kung saan ginamit ang isang laser altimeter para sa pagmamapa ng ibabaw ng buwan sa panahon ng misyon ng Apollo 15. Simula noon, ang teknolohiya ay napabuti at ginagamit sa magkakaibang mga aplikasyon kabilang ang; pagtuklas ng mga seismic na gawain, karagatan, arkeolohiya at nabigasyon upang mabanggit ang ilan.

Paano Gumagana ang LiDAR

Ang teknolohiya ay halos kapareho ng sa RADAR (pag-navigate sa radio-wave na ginagamit ng mga barko at eroplano) at SONAR (pagtuklas ng bagay sa ilalim ng tubig at pag-navigate gamit ang tunog, na pangunahing ginagamit ng mga submarino) na parehong gumagamit ng prinsipyo ng pagsasalamin ng mga alon para sa pagtuklas ng bagay at distansya pagtatantiya Gayunpaman, habang ang RADAR ay batay sa mga alon ng radyo at ang SonAR ay batay sa mga tunog, ang LIDAR ay batay sa Light beams (Laser).

Gumagamit ang LIDAR ng ilaw sa iba't ibang mga wavelength kasama ang; ultraviolet, nakikita, o malapit sa infrared light sa mga object ng imahe at nito, tulad nito, nakakakita ng lahat ng uri ng mga komposisyon ng materyal, kabilang ang; mga hindi metal, bato, ulan, mga compound ng kemikal, aerosol, ulap at kahit na mga solong molekula. Ang mga system ng LIDAR ay maaaring mag-apoy ng hanggang sa 1000,000 light pulses bawat segundo at gamitin ang oras na kinakailangan upang masasalamin ang mga pulso pabalik sa scanner upang matukoy ang distansya kung saan matatagpuan ang mga bagay at ibabaw sa paligid ng scanner. Ang pamamaraan na ginamit para sa pagpapasiya ng distansya ay kilala bilang oras ng paglipad at ang equation ay ibinibigay sa ibaba.

Distansya = (Bilis ng Liwanag x Oras ng Paglipad) / 2

Sa karamihan ng mga application, bukod sa malayong pagsukat lamang, nilikha ang isang 3D na mapa ng kapaligiran / bagay kung saan pinaputok ang light beam. Ginagawa ito sa pamamagitan ng tuluy-tuloy na pagpapaputok ng laser beam sa bagay o kapaligiran.

Mahalagang tandaan na, taliwas sa haka-haka na uri ng pagmuni-muni na maaaring makuha sa mga salamin sa eroplano, ang pagmuni-muni na naranasan sa mga system ng LIDAR ay backscattered na pagsasalamin habang ang mga ilaw na alon ay nagkakalat pabalik sa direksyon kung saan sila nanggaling. Nakasalalay sa application, ang mga system ng LIDAR ay gumagamit ng iba't ibang mga pagkakaiba-iba ng backscattering kabilang ang pagsabog ng Rayleigh at Raman,

Mga bahagi ng isang LIDAR System

Ang isang sistemang LIDAR ay karaniwang binubuo ng 5 mga elemento na inaasahang naroroon na hindi alintana ang mga pagkakaiba-iba dahil sa aplikasyon. Ang mga pangunahing sangkap na ito ay kinabibilangan ng:

Laser
Sistema ng mga Scanner at Optics
Nagpoproseso
Tumpak na electronics ng tiyempo
Yunit ng Pagsukat ng Inertial at GPS

1. Laser

Ang Laser ay nagsisilbing mapagkukunan ng enerhiya para sa light pulses. Ang haba ng daluyong ng laser na ipinakalat sa mga system ng LIDAR ay naiiba mula sa isang aplikasyon patungo sa isa pa dahil sa mga tiyak na kinakailangan ng ilang mga application. Halimbawa, ang mga system ng Airborne LiDAR ay gumagamit ng 1064 nm diode pumped YAG lasers habang ang mga system ng Bathymetric ay gumagamit ng 532nm double diode pumped YAG lasers na tumagos sa tubig (hanggang sa 40 metro) na may mas kaunting pagpapalambing kaysa sa airborne 1064nm na bersyon. Gayunpaman, hindi alintana ang mga aplikasyon, ang mga laser na ginamit ay karaniwang may mababang enerhiya upang matiyak ang kaligtasan.

2. Scanner at Optics

Ang mga scanner ay isang mahalagang bahagi ng anumang LIDAR system. Sila ang namahala sa pag-project ng mga pulso ng laser sa mga ibabaw at pagtanggap ng mga nakalantad na pulso mula sa ibabaw. Ang bilis kung saan ang mga imahe ay binuo ng isang LIDAR system ay nakasalalay sa bilis ng pagkuha ng mga scanner ng mga backscattered beam. Hindi alintana ang aplikasyon, ang mga optika na ginamit sa isang LIDAR system ay dapat na may mataas na katumpakan at kalidad upang makuha ang pinakamahusay na mga resulta lalo na para sa pagmamapa. Ang uri ng mga lente, tiyak na pagpipilian ng salamin, kasama ang ginamit na mga optikong patong ay pangunahing mga mapagpasya ng resolusyon at mga kakayahan sa saklaw ng LIDAR.

Nakasalalay sa application, maaaring i-deploy ang iba't ibang mga pamamaraan sa pag-scan para sa iba't ibang mga resolusyon. Ang pag-scan ng azimuth at pag-scan, at pag-scan ng dual axis ay ilan sa pinakatanyag na pamamaraan ng pag-scan.

3. Mga nagpoproseso

Ang isang mataas na kapasidad na processor ay karaniwang nasa gitna ng anumang LIDAR system. Ginagamit ito upang pagsabayin at iugnay ang mga aktibidad ng lahat ng mga indibidwal na sangkap ng LIDAR system na tinitiyak na ang lahat ng mga bahagi ay gumagana kung kailan nila dapat. Isinasama ng processor ang data mula sa scanner, ang timer (kung hindi naitayo sa subsystem ng pagproseso), ang GPS at ang IMU upang makabuo ng data ng point na LIDAR. Ang data ng punto ng pag-angat na ito ay ginagamit upang lumikha ng mga mapa depende sa application. Sa Mga Kotse na Walang Driver, ginagamit ang data ng point upang magbigay ng isang real-time na mapa ng kapaligiran upang matulungan ang mga kotse na maiwasan ang sagabal at pangkalahatang pag-navigate.

Sa magaan na paglalakbay sa bilis na halos 0.3metres bawat nanoseconds at libu-libong mga beam na karaniwang sumasalamin pabalik sa scanner, ang processor ay karaniwang kinakailangan na maging mataas ang bilis na may mataas na mga kakayahan sa pagproseso. Kaya, ang mga pagsulong sa kapangyarihan ng pagproseso ng mga elemento ng computing ay naging isa sa mga pangunahing driver ng teknolohiya ng LIDAR.

4. Timing Electronics

Ang tumpak na tiyempo ay ang kakanyahan sa mga system ng LIDAR dahil ang buong operasyon ay binuo sa oras. Ang timer electronics ay kumakatawan sa LIDAR subsystem na nagtatala ng eksaktong oras na umalis ang isang laser pulse at ang eksaktong oras na bumalik ito sa scanner.

Ito ay katumpakan at kawastuhan ay hindi maaaring bigyang diin. Dahil sa nakakalat na pagmuni-muni, ang mga pulso na ipinapadala ay karaniwang may maraming mga pagbalik bawat isa sa mga ito ay kailangang tumpak na mag-time upang matiyak ang kawastuhan ng data.

5. Yunit ng Pagsukat ng Inertial at GPS

Kapag ang isang sensor ng LiDAR ay naka-mount sa isang mobile platform tulad ng mga satellite, eroplano o sasakyan, kinakailangan upang matukoy ang ganap na posisyon at ang oryentasyon ng sensor upang mapanatili ang magagamit na data. Nakamit ito sa pamamagitan ng paggamit ng isang Inertial na sistema ng pagsukat (IMU) at Global Positioning System (GPS). Ang IMU ay karaniwang binubuo ng isang accelerometer, gyroscope, at isang magnetometer upang sukatin ang bilis, oryentasyon, at mga puwersang gravitational, na pinagsama-sama, ay ginagamit upang matukoy ang angular orientation (Pitch, roll at Yaw) ng scanner na may kaugnayan sa lupa. Ang GPS sa kabilang banda ay nagbibigay ng tumpak na impormasyong pangheograpiya patungkol sa posisyon ng sensor, kaya't pinapayagan ang direktang georeferencing ng mga puntos ng object.Ang dalawang sangkap na ito ay nagbibigay ng pamamaraan para sa pagsasalin ng data ng sensor sa mga static point para magamit sa iba't ibang mga system.

Ang labis na impormasyon na nakuha gamit ang GPS at IMU ay mahalaga sa integridad ng nakuha na data, at nakakatulong ito na matiyak na ang distansya sa mga ibabaw ay wastong tinantya, lalo na sa mga mobile na application ng LIDAR tulad ng mga awtomatikong sasakyan at Air Plane based na mga sistemang akala.

Mga uri ng LiDAR

Habang ang mga system ng LIDAR ay maaaring maiuri sa mga uri batay sa maraming bilang ng mga kadahilanan, mayroong tatlong mga generic na uri ng LIDAR Systems na;

Range finder LIDAR
Pagkakaiba ng pagsipsip LIDAR
Doppler LIDAR

1. Saklaw ng Finder LIDAR

Ito ang pinakasimpleng uri ng mga LIDAR system. Ginagamit ang mga ito upang matukoy ang distansya mula sa LIDAR scanner sa isang bagay o ibabaw. Sa pamamagitan ng paggamit ng oras ng prinsipyo ng paglipad na inilarawan sa ilalim ng seksyong "kung paano ito gumagana", ang oras na ginugol para sa sinag ng pagninilay upang maabot ang scanner ay ginagamit upang matukoy ang distansya sa pagitan ng LIDAR system at ng bagay.

2. Pagkakaiba ng Pagsipsip LIDAR

Ang magkakaibang pagsipsip na mga system ng LIDAR (kung minsan ay tinutukoy bilang DIAL), ay karaniwang ginagamit sa pag-iimbestiga ng pagkakaroon ng ilang mga molekula o materyales. Ang mga DIAL system ay karaniwang sunog ng laser beams ng dalawang haba ng daluyong na napili sa paraang ang isa sa mga haba ng daluyong ay mahihigop ng molekula ng interes habang ang ibang haba ng daluyong ay hindi. Ang pagsipsip ng isa sa mga beams ay nagreresulta sa isang pagkakaiba (pagkakaiba ng pagsipsip) sa tindi ng mga return beam na natanggap ng scanner. Ginagamit ang pagkakaiba na ito upang mabawasan ang antas ng pagkakaroon ng molekula na iniimbestigahan. Ginamit ang DIAL upang masukat ang mga konsentrasyon ng kemikal (tulad ng osono, singaw ng tubig, mga pollutant) sa himpapawid.

3. Doppler LIDAR

Ginagamit ang Doppler LiDAR upang sukatin ang tulin ng isang target. Kapag ang mga light beam na pinaputok mula sa LIDAR ay tumama sa isang target na gumagalaw patungo o malayo sa LIDAR, ang haba ng haba ng haba ng ilaw na sumasalamin / nakakalat sa target ay mababago nang bahagya. Kilala ito bilang isang shift ng Doppler - bilang isang resulta, Doppler LiDAR. Kung ang target ay papalayo mula sa LiDAR, ang ilaw ng pagbalik ay magkakaroon ng mas mahabang haba ng haba ng haba (kung minsan ay tinutukoy bilang isang pulang paglilipat), kung ang paglipat patungo sa LiDAR ang ilaw na bumalik ay magiging sa isang mas maikling haba ng daluyong (asul na shifted).

Ang ilan sa iba pang mga pag-uuri kung saan ang mga system ng LIDAR ay naka-grupo sa mga uri ay kinabibilangan ng:

Platform
Uri ng Backscattering

Mga uri ng LiDAR batay sa Platform

Paggamit ng platform bilang isang pamantayan, ang mga system ng LIDAR ay maaaring mapangkat sa apat na uri kabilang ang;

Nakabatay sa lupa na LIDAR
Airborne LIDAR
Spaceborne LIDAR
Paggalaw LIDAR

Ang mga LIDAR na ito ay magkakaiba sa konstruksyon, materyales, haba ng daluyong, pananaw at iba pang mga kadahilanan na karaniwang napili upang umangkop sa kung ano ang gumagana sa kapaligiran kung saan sila dapat i-deploy.

Mga uri ng LIDAR Batay sa Uri ng Backscattering

Sa panahon ng aking paglalarawan kung paano gumagana ang mga system ng LIDAR, nabanggit ko na ang pagmuni-muni sa LIDAR ay sa pamamagitan ng backscattering. Iba't ibang uri ng mga exit sa backscatter at kung minsan ay ginagamit nito upang ilarawan ang uri ng LIDAR. Kabilang sa mga uri ng backscattering;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescence

Mga aplikasyon ng LiDAR

Dahil sa matinding katumpakan at kakayahang umangkop ang LIDAR ay may malawak na bilang ng mga aplikasyon, sa partikular, ang paggawa ng mga mapang may mataas na resolusyon. Pati na rin sa pagsisiyasat, ang LIDAR ay ginamit sa agrikultura, arkeolohiya, at sa mga robot dahil sa kasalukuyan ito ay isa sa mga pangunahing tagapagtaguyod ng karera ng autonomous na sasakyan, na siyang pangunahing sensor na ginagamit sa karamihan ng mga sasakyan na may sistemang LIDAR na gumaganap ng isang papel na katulad sa ang mga mata para sa mga sasakyan.

Mayroong 100s ng iba pang mga application ng LiDAR at susubukan na banggitin hangga't maaari sa ibaba.

Mga Awtomatikong Sasakyan
3D Imaging
Land Survey
Pag-iinspeksyon sa Linya ng Lakas
Pangangasiwa sa Turismo at Mga Parke
Pagtatasa sa Kapaligiran para sa pangangalaga ng Kagubatan
Pagmomodelo sa Baha
Pag-uuri ng Ecological & Land
Pagmomodelo ng Polusyon
Pagtuklas sa Langis at Gas
Meteorolohiya
Oceanography
Lahat ng uri ng mga Aplikasyon ng militar
Pagpaplano ng Cell Network
Astronomiya

Mga Limitasyon ng LiDAR

Ang LIDAR tulad ng bawat iba pang teknolohiya ay may mga pagkukulang. Ang saklaw at kawastuhan ng mga system ng LIDAR ay hindi maaapektuhan sa masamang kondisyon ng panahon. Halimbawa, sa mga kundisyon ng Foggy, isang makabuluhang halaga ng maling signal ang nabuo dahil sa mga sinag na nasasalamin ng fog. Karaniwan itong humahantong sa epekto ng pagsabog ng mie at tulad nito, ang isang karamihan ng fired fired ay hindi bumalik sa scanner. Ang isang katulad na pangyayari ay naranasan sa pag-ulan dahil ang mga partikulo ng ulan ay nagdudulot ng maling pagbabalik.

Bukod sa panahon, ang mga system ng LIDAR ay maaaring lokohin (alinman sa kusa o hindi sinasadya) upang isipin ang isang bagay na umiiral sa pamamagitan ng pag-flash ng "mga ilaw" dito. Ayon sa isang papel na inilathala noong 2015, ang pag-flash ng isang simpleng laser pointer sa sistemang LIDAR na naka-mount sa mga autonomous na sasakyan ay maaaring magbalisa sa mga sistema ng pag-navigate ng sasakyan, na nagbibigay nito ng impression ng pagkakaroon ng isang bagay kung saan wala. Ang kapintasan na ito lalo na sa application ng mga driver na walang driver na kotse, magbubukas ng maraming mga alalahanin sa seguridad dahil hindi magtatagal para sa mga carjacker upang pinuhin ang prinsipyo para magamit sa pag-atake. Maaari rin itong humantong sa mga aksidente sa mga kotse na huminto bigla sa gitna ng kalsada kung maramdaman nila kung ano ang pinaniniwalaan nilang isa pang kotse o isang naglalakad.

Mga Kalamangan at Kalamangan ng LiDAR

Upang mabalot ang artikulong ito, malamang na dapat naming tingnan ang mga dahilan kung bakit ka LIDAR ay maaaring maging angkop para sa iyong proyekto at mga kadahilanan kung bakit mo ito dapat iwasan.

Mga kalamangan

1. Mataas na Bilis at tumpak na pagkuha ng data

2. Mataas na Pagtagos

3. Hindi apektado ng tindi ng ilaw sa kapaligiran nito at maaaring magamit sa gabi o sa araw.

4. Mataas na Resolution ng Imaging kumpara sa iba pang mga pamamaraan.

5. Walang Mga Pag-distansya ng Geometrical

6. Madaling isinasama sa iba pang mga pamamaraan ng pagkuha ng data.

7. Ang LIDAR ay may minimum na pagpapakandili ng tao na mabuti sa ilang mga aplikasyon kung saan ang error ng tao ay maaaring makaapekto sa pagiging maaasahan ng data.

Mga Dehado

1. Ang gastos ng LIDAR ay ginagawang labis na paggamit para sa ilang mga proyekto. Ang LIDAR ay pinakamahusay na inilarawan bilang medyo mahal.

2. Ang mga system ng LIDAR ay hindi maganda ang pagganap sa matinding pag-ulan, hamog o niyebe.

3. Ang mga system ng LIDAR ay lumilikha ng malalaking mga dataset na nangangailangan ng mataas na mapagkukunan ng computational upang maproseso.

4. Hindi maaasahan sa magulong application ng tubig.

5. Nakasalalay sa haba ng daluyong na pinagtibay, ang pagganap ng mga system ng LIDAR ay limitado ang taas habang ang mga pulso na pinaputok sa ilang uri ng LIDAR ay naging hindi epektibo sa ilang mga altitude.

LIDAR para sa Hobbyist at Makers

Dahil sa gastos ng LIDARs, karamihan sa mga system ng LIDAR sa merkado (tulad ng velodyne LIDARs) ay ginagamit sa mga pang-industriya na aplikasyon (upang pagsamahin ang lahat ng mga application na "hindi hobbyist").

Ang pinakamalapit sa "hobbyist grade" LIDAR system na magagamit ngayon ay ang iLidar Solid-State LiDAR sensors na dinisenyo ng Hybo. Ito ay isang maliit na LiDAR system na may kakayahang 3D mapping (nang hindi umiikot ang sensor) na may mabisang maximum na saklaw na 6 na metro. Ang sensor ay nilagyan ng isang USB port sa tabi ng isang UART / SPI / i2C port kung saan maaaring maitatag ang komunikasyon sa pagitan ng sensor at isang microcontroller.

Ang iLidar ay idinisenyo upang umangkop sa lahat at ang mga tampok na nauugnay sa LiDAR ay ginagawang kaakit-akit sa mga gumagawa.