Wat is lidar en hoe werkt het?

Auto's zonder bestuurder, die een van de grootste technologische fantasieën van de jaren negentig waren (aangewakkerd door eerdere films als "The Love Bug" en "Demolition Man"), zijn vandaag een realiteit, dankzij de enorme vooruitgang die is geboekt rond verschillende technologieën, met name LIDAR.

Wat is LiDAR?

LIDAR (staat voor Light Detection and Ranging) is een bereiktechnologie die de afstand van een object meet door lichtstralen op het object af te vuren en de tijd en golflengte van de gereflecteerde lichtbundel gebruikt om de afstand te schatten en in sommige toepassingen (Laser Imaging), maak een 3D-weergave van het object.

Hoewel het idee achter laser terug te voeren is op het werk van EH Synge in 1930, was het pas in de vroege jaren zestig, na de uitvinding van laser, iets. In wezen een combinatie van lasergerichte beeldvorming met de mogelijkheid om afstanden te berekenen met behulp van de vluchttijdtechniek, vond het zijn eerste toepassingen in de meteorologie, waar het werd gebruikt om wolken te meten, en in de ruimte, waar een laserhoogtemeter werd gebruikt om de maanoppervlak tijdens de Apollo 15-missie. Sindsdien is de technologie verbeterd en gebruikt in diverse toepassingen, waaronder; detectie van seismische activiteiten, oceanografie, archeologie en navigatie om er maar een paar te noemen.

Hoe werkt LiDAR

De technologie lijkt sterk op die van RADAR (radiogolfnavigatie gebruikt door schepen en vliegtuigen) en SONAR (onderwaterobjectdetectie en navigatie met geluid, voornamelijk gebruikt door onderzeeërs) die beide het principe van golfreflectie gebruiken voor objectdetectie en afstand. schatting. Hoewel RADAR is gebaseerd op radiogolven en SONAR is gebaseerd op geluiden, is LIDAR gebaseerd op lichtstralen (laser).

LIDAR gebruikt licht over verschillende golflengten, waaronder; ultraviolet, zichtbaar of nabij-infrarood licht om objecten af te beelden en als zodanig alle soorten materiaalcomposities te detecteren, waaronder; niet-metalen, rotsen, regen, chemische verbindingen, aerosolen, wolken en zelfs enkele moleculen. LIDAR-systemen kunnen tot 1.000.000 lichtpulsen per seconde afgeven en de tijd gebruiken die nodig is om de pulsen terug te reflecteren naar de scanner om de afstand te bepalen waarop objecten en oppervlakken rond de scanner zich bevinden. De techniek die wordt gebruikt voor het bepalen van de afstand staat bekend als vluchttijd en de vergelijking wordt hieronder gegeven.

Afstand = (lichtsnelheid x vluchttijd) / 2

In de meeste toepassingen, behalve alleen meten op afstand, wordt een 3D-kaart gemaakt van de omgeving / het object waarop de lichtstraal is afgevuurd. Dit gebeurt door het continu afvuren van de laserstraal op het object of de omgeving.

Het is belangrijk op te merken dat, in tegenstelling tot de spiegelreflectie die kan worden verkregen in vlakke spiegels, reflectie die wordt ervaren in LIDAR-systemen, terugverstrooide reflectie is wanneer de lichtgolven worden teruggediffundeerd door de richting waarin ze kwamen. Afhankelijk van de toepassing gebruiken LIDAR-systemen verschillende variaties van terugverstrooiing, waaronder Rayleigh- en Raman-verstrooiing,

Onderdelen van een LIDAR-systeem

Een LIDAR-systeem bestaat doorgaans uit 5 elementen waarvan wordt verwacht dat ze aanwezig zijn, ongeacht variaties als gevolg van de toepassing. Deze belangrijkste componenten zijn:

Laser
Scanners en optieksysteem
Processor
Nauwkeurige timing-elektronica
Inertiële meeteenheid en GPS

1. Laser

De laser dient als energiebron voor de lichtpulsen. De golflengte van de laser die in LIDAR-systemen wordt ingezet, verschilt van de ene toepassing tot de andere vanwege de specifieke vereisten van bepaalde toepassingen. Airborne LiDAR-systemen gebruiken bijvoorbeeld 1064 nm diode gepompte YAG-lasers, terwijl bathymetrische systemen 532 nm dubbel diode gepompte YAG-lasers gebruiken die water doordringen (tot 40 meter) met veel minder demping dan de 1064 nm-versie in de lucht. Ongeacht de toepassingen hebben de gebruikte lasers echter meestal een laag energieverbruik om de veiligheid te garanderen.

2. Scanner en optica

Scanners vormen een belangrijk onderdeel van elk LIDAR-systeem. Ze zijn verantwoordelijk voor het projecteren van laserpulsen op oppervlakken en ontvangen de gereflecteerde pulsen van het oppervlak. De snelheid waarmee beelden worden ontwikkeld door een LIDAR-systeem is afhankelijk van de snelheid waarmee de scanners de terugverstrooide bundels opvangen. Ongeacht de toepassing, de optica die in een LIDAR-systeem wordt gebruikt, moet van hoge precisie en kwaliteit zijn om de beste resultaten te verkrijgen, vooral voor het in kaart brengen. Het type lenzen, de specifieke glaskeuze en de gebruikte optische coatings zijn belangrijke bepalende factoren voor de resolutie en het bereik van de LIDAR.

Afhankelijk van de toepassing kunnen verschillende scanmethoden worden ingezet voor verschillende resoluties. Azimut- en elevatiescannen en scannen met twee assen behoren tot de meest populaire scanmethoden.

3. Processoren

Een processor met hoge capaciteit vormt meestal het hart van elk LIDAR-systeem. Het wordt gebruikt om de activiteiten van alle individuele componenten van het LIDAR-systeem te synchroniseren en te coördineren, zodat alle componenten werken wanneer ze zouden moeten werken. De processor integreert de gegevens van de scanner, de timer (indien niet ingebouwd in het verwerkingssubsysteem), de GPS en de IMU om de LIDAR-puntgegevens te produceren. Deze hoogtepuntgegevens worden vervolgens gebruikt om kaarten te maken, afhankelijk van de toepassing. In Driverless Cars worden de puntgegevens gebruikt om een realtime kaart van de omgeving te bieden om de auto's te helpen bij het vermijden van obstakels en algemene navigatie.

Met licht dat reist met een snelheid van ongeveer 0,3 meter per nanoseconden en duizenden bundels die gewoonlijk worden teruggekaatst naar de scanner, moet de processor meestal een hoge snelheid hebben met hoge verwerkingsmogelijkheden. De vooruitgang in de verwerkingskracht van computerelementen is dus een van de belangrijkste drijfveren van LIDAR-technologie geweest.

4. Timing-elektronica

Nauwkeurige timing is van essentieel belang in LIDAR-systemen, aangezien de hele operatie op tijd wordt gebouwd. De tijdelektronica vertegenwoordigt het LIDAR-subsysteem dat de exacte tijd registreert waarop een laserpuls vertrekt en de exacte tijd dat deze terugkeert naar de scanner.

Zijn precisie en nauwkeurigheid kan niet genoeg worden benadrukt. Vanwege de verstrooide reflectie hebben uitgezonden pulsen meestal meerdere retourzendingen, die elk nauwkeurig moeten worden getimed om de nauwkeurigheid van de gegevens te garanderen.

5. Inertiële meeteenheid en GPS

Wanneer een LiDAR-sensor is gemonteerd op een mobiel platform zoals satellieten, vliegtuigen of auto's, is het nodig om de absolute positie en oriëntatie van de sensor te bepalen om bruikbare gegevens vast te houden. Dit wordt bereikt door het gebruik van een traagheidsmeetsysteem (IMU) en Global Positioning System (GPS). De IMU bestaat gewoonlijk uit een accelerometer, gyroscoop en een magnetometer om de snelheid, oriëntatie en zwaartekracht te meten, die samen worden gebruikt om de hoekoriëntatie (pitch, roll en yaw) van de scanner ten opzichte van de grond te bepalen. De gps geeft daarentegen nauwkeurige geografische informatie over de positie van de sensor, waardoor directe georeferentie van de objectpunten mogelijk is.Deze twee componenten bieden de methode voor het vertalen van sensorgegevens naar statische punten voor gebruik in een verscheidenheid aan systemen.

De extra informatie die wordt verkregen met behulp van de GPS en IMU is cruciaal voor de integriteit van de verkregen gegevens, en het helpt ervoor te zorgen dat de afstand tot oppervlakken correct wordt ingeschat, vooral in mobiele LIDAR-toepassingen zoals autonome voertuigen en op vliegtuigen gebaseerde beeldsystemen.

Soorten LiDAR

Hoewel LIDAR-systemen op basis van een behoorlijk aantal factoren in typen kunnen worden ingedeeld, zijn er drie generieke typen LIDAR-systemen:

Afstandsmeter LIDAR
Differentiële absorptie LIDAR
Doppler LIDAR

1. Afstandsmeter LIDAR

Dit zijn de eenvoudigste soorten LIDAR-systemen. Ze worden gebruikt om de afstand van de LIDAR-scanner tot een object of oppervlak te bepalen. Door gebruik te maken van het vluchttijdprincipe dat wordt beschreven in het gedeelte "hoe het werkt", wordt de tijd die de reflectiebundel nodig heeft om de scanner te raken, gebruikt om de afstand tussen het LIDAR-systeem en het object te bepalen.

2. Differentiële absorptie LIDAR

Differentiële absorptie LIDAR-systemen (soms DIAL genoemd) worden meestal gebruikt bij het onderzoeken van de aanwezigheid van bepaalde moleculen of materialen. DIAL-systemen vuren gewoonlijk laserstralen af met twee golflengten die zo zijn geselecteerd dat een van de golflengten wordt geabsorbeerd door het molecuul van belang en de andere golflengte niet. De absorptie van een van de bundels resulteert in een verschil (differentiële absorptie) in de intensiteit van de retourstralen die door de scanner worden opgevangen. Dit verschil wordt vervolgens gebruikt om de aanwezigheid van het onderzochte molecuul af te leiden. DIAL is gebruikt om chemische concentraties (zoals ozon, waterdamp, verontreinigende stoffen) in de atmosfeer te meten.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR wordt gebruikt om de snelheid van een doelwit te meten. Wanneer lichtstralen die worden afgevuurd door de LIDAR een doel raken dat zich naar of weg van het LIDAR beweegt, zal de golflengte van het licht dat wordt gereflecteerd / verstrooid vanaf het doel enigszins worden gewijzigd. Dit staat bekend als een Doppler-verschuiving - met als resultaat Doppler LiDAR. Als het doel zich van de LiDAR verwijdert, zal het retourlicht een langere golflengte hebben (soms aangeduid als een rode verschuiving), als het naar de LiDAR beweegt, zal het retourlicht een kortere golflengte hebben (blauw verschoven).

Enkele van de andere classificaties waarop LIDAR-systemen in typen zijn gegroepeerd, zijn onder meer:

Platform
Type terugverstrooiing

Typen LiDAR op basis van platform

Door platform als criterium te gebruiken, kunnen LIDAR-systemen in vier typen worden gegroepeerd, waaronder;

LIDAR op de grond
LIDAR in de lucht
LIDAR in de ruimte
Beweging LIDAR

Deze LIDAR's verschillen in constructie, materialen, golflengte, uitzicht en andere factoren die gewoonlijk worden geselecteerd om te passen bij wat werkt in de omgeving waarvoor ze moeten worden ingezet.

Soorten LIDAR op basis van type terugverstrooiing

Tijdens mijn beschrijving van hoe LIDAR-systemen werken, zei ik dat reflectie in LIDAR via terugverstrooiing verloopt. Verschillende soorten backscattering-uitgangen en het wordt soms gebruikt om het type LIDAR te beschrijven. Soorten terugverstrooiing omvatten;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescentie

Toepassingen van LiDAR

Vanwege zijn extreme nauwkeurigheid en flexibiliteit heeft LIDAR een groot aantal toepassingen, met name de productie van kaarten met een hoge resolutie. Naast landmeetkunde is LIDAR ook gebruikt in de landbouw, archeologie en in robots, aangezien het momenteel een van de belangrijkste factoren is voor de autonome voertuigrace, aangezien het de belangrijkste sensor is die wordt gebruikt in de meeste voertuigen waarbij het LIDAR-systeem een vergelijkbare rol vervult als die van de ogen voor de voertuigen.

Er zijn honderden andere toepassingen van LiDAR en zullen proberen er hieronder zoveel mogelijk te noemen.

Autonome voertuigen
3D-beeldvorming
Landonderzoek
Power Line Inspectie
Toerisme en parkbeheer
Milieubeoordeling voor bosbescherming
Modellering van overstromingen
Ecologische en landclassificatie
Vervuilingsmodellering
Olie- en gasexploratie
Meteorologie
Oceanografie
Alle soorten militaire toepassingen
Planning van het celnetwerk
Astronomie

Beperkingen van LiDAR

LIDAR heeft net als elke andere technologie zijn tekortkomingen. Het bereik en de nauwkeurigheid van LIDAR-systemen worden zwaar beïnvloed tijdens slechte weersomstandigheden. In mistige omstandigheden wordt bijvoorbeeld een aanzienlijke hoeveelheid valse signalen gegenereerd doordat stralen worden gereflecteerd door de mist. Dit leidt meestal tot het mie-verstrooiingseffect en als zodanig keert een groot deel van de afgevuurde straal niet terug naar de scanner. Een soortgelijk voorval doet zich voor bij regen, aangezien regendeeltjes onechte opbrengsten veroorzaken.

Afgezien van het weer, kunnen LIDAR-systemen voor de gek gehouden worden (al dan niet opzettelijk) om te denken dat een object bestaat door er "lichten" naar te laten flitsen. Volgens een artikel dat in 2015 werd gepubliceerd, zou het flitsen van een eenvoudige laserpointer naar het LIDAR-systeem dat op autonome voertuigen is gemonteerd, de navigatiesystemen van het voertuig kunnen desoriënteren, waardoor het de indruk wekt dat er een object bestaat dat er niet is. Deze fout, vooral bij het gebruik van lasers zonder bestuurder in auto's, roept veel zorgen op over de veiligheid, aangezien het niet lang zal duren voordat carjackers het principe voor gebruik bij aanvallen hebben verfijnd. Het kan ook leiden tot ongevallen waarbij auto's plotseling halverwege de weg stoppen als ze voelden wat ze dachten dat een andere auto of een voetganger was.

Voordelen en nadelen van LiDAR

Om dit artikel af te ronden, moeten we waarschijnlijk kijken naar de redenen waarom uw LIDAR geschikt zou kunnen zijn voor uw project en redenen waarom u het waarschijnlijk zou moeten vermijden.

Voordelen

1. Hoge snelheid en nauwkeurige data-acquisitie

2. Hoge penetratie

3. Wordt niet beïnvloed door de intensiteit van het licht in zijn omgeving en kan 's nachts of in de zon worden gebruikt.

4. Hoge resolutie beeldvorming in vergelijking met andere methoden.

5. Geen geometrische vervormingen

6. Gemakkelijk te integreren met andere methoden voor data-acquisitie.

7. LIDAR heeft een minimale menselijke afhankelijkheid, wat goed is in bepaalde toepassingen waar menselijke fouten de betrouwbaarheid van gegevens kunnen aantasten.

Nadelen

1. De kosten van LIDAR maken het voor bepaalde projecten overdreven. LIDAR kan het beste worden omschreven als relatief duur.

2. LIDAR-systemen presteren slecht bij zware regen, mist of sneeuw.

3. LIDAR-systemen genereren grote datasets die hoge rekenkracht nodig hebben om te verwerken.

4. Onbetrouwbaar in turbulente watertoepassingen.

5. Afhankelijk van de toegepaste golflengte zijn de prestaties van LIDAR-systemen beperkt in hoogte, aangezien de pulsen die in bepaalde soorten LIDAR's worden afgevuurd, op bepaalde hoogtes niet meer werken.

LIDAR voor hobbyist en makers

Vanwege de kosten van LIDAR's worden de meeste LIDAR-systemen op de markt (zoals de velodyne LIDAR's) gebruikt in industriële toepassingen (om alle "niet-hobbyistische" toepassingen samen te brengen).

Het LIDAR-systeem dat het dichtst in de buurt komt van "hobbyist-grade" op dit moment zijn de iLidar Solid-State LiDAR-sensoren ontworpen door Hybo. Het is een klein LiDAR-systeem dat in staat is tot 3D-mapping (zonder de sensor te draaien) met een effectief bereik van maximaal 6 meter. De sensor is uitgerust met een USB-poort naast een UART / SPI / i2C-poort waardoor communicatie tussen de sensor en een microcontroller tot stand kan worden gebracht.

iLidar is ontworpen voor iedereen en de functies die aan LiDAR zijn gekoppeld, maken het aantrekkelijk voor makers.