lidar คืออะไรและทำงานอย่างไร

Driverless รถยนต์ซึ่งเป็นหนึ่งในจินตนาการของเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดของปี 1990 (การผลักดันจากภาพยนตร์ก่อนหน้านี้เช่น“The Love Bug” และ“Demolition Man”) เป็นความเป็นจริงในวันนี้ต้องขอบคุณความก้าวหน้าอย่างมากทำให้เทคโนโลยีรอบหลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งLIDAR

LiDAR คืออะไร?

LIDAR (ย่อมาจากLight Detection and Ranging) เป็นเทคโนโลยีที่หลากหลายที่วัดระยะห่างของวัตถุโดยการยิงลำแสงไปที่วัตถุและใช้เวลาและความยาวคลื่นของลำแสงสะท้อนเพื่อประมาณระยะทางและในบางการใช้งาน (Laser Imaging) สร้างการแสดง 3 มิติของวัตถุ

ในขณะที่แนวคิดเบื้องหลังเลเซอร์สามารถโยงไปถึงการทำงานของ EH Synge ในปี 1930 แต่ก็ไม่ได้เกิดขึ้นจนกระทั่งต้นทศวรรษ 1960 หลังจากการประดิษฐ์เลเซอร์ โดยพื้นฐานแล้วเป็นการผสมผสานระหว่างการถ่ายภาพที่เน้นเลเซอร์เข้ากับความสามารถในการคำนวณระยะทางโดยใช้เทคนิคเวลาในการบินพบว่ามีการใช้งานที่เก่าแก่ที่สุดในอุตุนิยมวิทยาซึ่งใช้ในการวัดเมฆและในอวกาศซึ่งใช้เครื่องวัดความสูงด้วยเลเซอร์สำหรับการทำแผนที่ พื้นผิวดวงจันทร์ระหว่างภารกิจ Apollo 15 ตั้งแต่นั้นมาเทคโนโลยีได้รับการปรับปรุงและถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ ได้แก่ การตรวจจับกิจกรรมแผ่นดินไหวสมุทรศาสตร์โบราณคดีและการนำทางที่จะกล่าวถึง

LiDAR ทำงานอย่างไร

เทคโนโลยีนี้ค่อนข้างคล้ายกับ RADAR (การนำทางด้วยคลื่นวิทยุที่ใช้โดยเรือและเครื่องบิน) และ SONAR (การตรวจจับวัตถุใต้น้ำและการนำทางโดยใช้เสียงซึ่งส่วนใหญ่ใช้โดยเรือดำน้ำ) ซึ่งทั้งสองใช้หลักการสะท้อนของคลื่นในการตรวจจับวัตถุและระยะทาง การประมาณค่า. อย่างไรก็ตามในขณะที่ RADAR ใช้คลื่นวิทยุและ SONAR จะขึ้นอยู่กับเสียงLIDAR จะขึ้นอยู่กับลำแสง (Laser)

LIDAR ใช้แสงในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ได้แก่ แสงอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้หรือใกล้กับแสงอินฟราเรดไปยังวัตถุในภาพและด้วยเหตุนี้จึงสามารถตรวจจับองค์ประกอบของวัสดุได้ทุกประเภทรวมถึง อโลหะหินฝนสารประกอบทางเคมีละอองลอยเมฆและแม้แต่โมเลกุลเดี่ยว ระบบ LIDAR สามารถยิงแสงได้ถึง 1,000,000 พัลส์ต่อวินาทีและใช้เวลาที่ถ่ายเพื่อให้พัลส์สะท้อนกลับไปที่สแกนเนอร์เพื่อกำหนดระยะทางที่วัตถุและพื้นผิวรอบ ๆ สแกนเนอร์อยู่ เทคนิคที่ใช้ในการกำหนดระยะทางเรียกว่าเวลาบินและสมการได้รับด้านล่าง

ระยะทาง = (ความเร็วแสง x เวลาบิน) / 2

ในการใช้งานส่วนใหญ่นอกเหนือจากการวัดระยะไกลแล้วแผนที่ 3 มิติของสภาพแวดล้อม / วัตถุที่ลำแสงถูกยิงจะถูกสร้างขึ้น ทำได้โดยการยิงลำแสงเลเซอร์อย่างต่อเนื่องที่วัตถุหรือสภาพแวดล้อม

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเมื่อเทียบกับการสะท้อนแบบพิเศษที่มีอยู่ในกระจกระนาบแล้วการสะท้อนที่เกิดขึ้นในระบบ LIDAR จะเป็นการสะท้อนแบบย้อนแสงเนื่องจากคลื่นแสงจะกระจายกลับไปตามทิศทางที่พวกมันมา ขึ้นอยู่กับการใช้งานระบบ LIDAR ใช้การกระจายย้อนกลับที่แตกต่างกันรวมถึงการกระจายแบบเรย์ลีและรามาน

ส่วนประกอบของระบบ LIDAR

โดยทั่วไประบบ LIDAR ประกอบด้วย 5 องค์ประกอบซึ่งคาดว่าจะมีอยู่โดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างอันเนื่องมาจากการใช้งาน ส่วนประกอบหลักเหล่านี้ ได้แก่:

เลเซอร์
ระบบสแกนเนอร์และเลนส์
โปรเซสเซอร์
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จับเวลาที่แม่นยำ
หน่วยวัดเฉื่อยและ GPS

1. เลเซอร์

เลเซอร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานสำหรับพัลส์แสง ความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ติดตั้งในระบบ LIDAR นั้นแตกต่างกันไปในแต่ละแอปพลิเคชันเนื่องจากข้อกำหนดเฉพาะของแอปพลิเคชันบางอย่าง ตัวอย่างเช่นระบบ Airborne LiDAR ใช้เลเซอร์ YAG แบบปั๊มไดโอด 1064 นาโนเมตรในขณะที่ระบบ Bathymetric ใช้เลเซอร์ YAG แบบไดโอดแบบปั๊มคู่ขนาด 532 นาโนเมตรซึ่งเจาะน้ำได้ (สูงถึง 40 เมตร) โดยมีการลดทอนน้อยกว่ารุ่น 1064 นาโนเมตรในอากาศ อย่างไรก็ตามโดยไม่คำนึงถึงการใช้งานเลเซอร์ที่ใช้มักใช้พลังงานต่ำเพื่อความปลอดภัย

2. สแกนเนอร์และเลนส์

เครื่องสแกนเป็นส่วนสำคัญของระบบ LIDAR ใด ๆ พวกเขารับผิดชอบในการฉายพัลส์เลเซอร์ไปยังพื้นผิวและรับพัลส์ที่สะท้อนกลับจากพื้นผิว ความเร็วในการพัฒนาภาพโดยระบบ LIDAR จะขึ้นอยู่กับความเร็วที่สแกนเนอร์จับลำแสงที่กระจายด้านหลัง ไม่ว่าแอปพลิเคชันใดเลนส์ที่ใช้ในระบบ LIDAR จะต้องมีความแม่นยำและคุณภาพสูงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำแผนที่ ประเภทของเลนส์ตัวเลือกกระจกที่เฉพาะเจาะจงพร้อมกับการเคลือบแสงที่ใช้เป็นปัจจัยสำคัญของความละเอียดและความสามารถในช่วงของ LIDAR

วิธีการสแกนที่หลากหลายสามารถปรับใช้ได้สำหรับความละเอียดที่แตกต่างกันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน Azimuth และการสแกนระดับความสูงและการสแกนสองแกนเป็นวิธีการสแกนที่ได้รับความนิยมมากที่สุด

3. โปรเซสเซอร์

โปรเซสเซอร์ความจุสูงมักเป็นหัวใจสำคัญของระบบ LIDAR ใช้เพื่อซิงโครไนซ์และประสานกิจกรรมของส่วนประกอบแต่ละส่วนของระบบ LIDAR เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดทำงานได้ตามที่ควร โปรเซสเซอร์จะรวมข้อมูลจากสแกนเนอร์ตัวจับเวลา (หากไม่ได้ติดตั้งไว้ในระบบย่อยการประมวลผล) GPS และ IMU เพื่อสร้างข้อมูลจุด LIDAR จากนั้นข้อมูลจุดยกระดับเหล่านี้จะถูกใช้เพื่อสร้างแผนที่ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน ในรถยนต์ไร้คนขับข้อมูลจุดจะใช้เพื่อจัดทำแผนที่สภาพแวดล้อมแบบเรียลไทม์เพื่อช่วยให้รถยนต์หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางและการนำทางทั่วไป

ด้วยแสงที่เดินทางด้วยความเร็วประมาณ 0.3 เมตรต่อนาโนวินาทีและโดยปกติแล้วลำแสงหลายพันลำแสงจะสะท้อนกลับมายังสแกนเนอร์โปรเซสเซอร์มักจะต้องมีความเร็วสูงและมีความสามารถในการประมวลผลสูง ดังนั้นความก้าวหน้าในพลังการประมวลผลขององค์ประกอบคอมพิวเตอร์จึงเป็นหนึ่งในตัวขับเคลื่อนสำคัญของเทคโนโลยี LIDAR

4. Timing Electronics

เวลาที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในระบบ LIDAR เนื่องจากการทำงานทั้งหมดถูกสร้างขึ้นตามเวลา ระบบอิเล็กทรอนิกส์จับเวลาหมายถึงระบบย่อย LIDAR ที่บันทึกเวลาที่แน่นอนที่พัลส์เลเซอร์ออกและเวลาที่แน่นอนที่ส่งกลับไปยังสแกนเนอร์

ความแม่นยำและความแม่นยำไม่สามารถเน้นได้ เนื่องจากการสะท้อนที่กระจัดกระจายพัลส์ที่ส่งออกมักจะมีการส่งคืนหลายครั้งซึ่งแต่ละครั้งจะต้องมีการกำหนดเวลาอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลถูกต้อง

5. หน่วยวัดเฉื่อยและ GPS

เมื่อติดตั้งเซ็นเซอร์ LiDAR บนแพลตฟอร์มเคลื่อนที่เช่นดาวเทียมเครื่องบินหรือรถยนต์จำเป็นต้องกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนและการวางแนวของเซ็นเซอร์เพื่อเก็บข้อมูลที่ใช้งานได้ สิ่งนี้ทำได้โดยใช้ระบบการวัดความเฉื่อย (IMU) และระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS) IMU มักประกอบด้วยเครื่องวัดความเร่งไจโรสโคปและเครื่องวัดความเร็วรอบทิศทางและแรงโน้มถ่วงซึ่งรวมเข้าด้วยกันเพื่อกำหนดแนวเชิงมุม (ระยะทางม้วนและการหันเห) ของเครื่องสแกนที่สัมพันธ์กับพื้นดิน ในทางกลับกัน GPS จะให้ข้อมูลทางภูมิศาสตร์ที่ถูกต้องเกี่ยวกับตำแหน่งของเซ็นเซอร์จึงช่วยให้สามารถอ้างอิงทางภูมิศาสตร์ของจุดวัตถุได้โดยตรงส่วนประกอบทั้งสองนี้จัดเตรียมวิธีการแปลข้อมูลเซ็นเซอร์เป็นจุดคงที่เพื่อใช้ในระบบต่างๆ

ข้อมูลเพิ่มเติมที่ได้รับโดยใช้ GPS และ IMU มีความสำคัญต่อความสมบูรณ์ของข้อมูลที่ได้รับและช่วยให้มั่นใจได้ว่าระยะทางไปยังพื้นผิวถูกประมาณอย่างถูกต้องโดยเฉพาะในแอปพลิเคชัน LIDAR แบบพกพาเช่นยานพาหนะอัตโนมัติและระบบจินตนาการที่ใช้เครื่องบิน

ประเภทของ LiDAR

ในขณะที่ระบบ LIDAR สามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆโดยพิจารณาจากปัจจัยหลายประการ แต่ระบบ LIDAR ทั่วไปมีอยู่สามประเภท ได้แก่

เครื่องหาระยะ LIDAR
การดูดซึมแบบ Differential LIDAR
ดอปเลอร์ LIDAR

1. Range Finder LIDAR

นี่เป็นระบบ LIDAR ที่ง่ายที่สุด ใช้เพื่อกำหนดระยะห่างจากเครื่องสแกน LIDAR ไปยังวัตถุหรือพื้นผิว โดยใช้หลักการเวลาของการบินที่อธิบายไว้ในหัวข้อ“ วิธีการทำงาน” เวลาที่ลำแสงสะท้อนไปกระทบสแกนเนอร์จะใช้เพื่อกำหนดระยะห่างระหว่างระบบ LIDAR กับวัตถุ

2. การดูดซึมที่แตกต่างกัน LIDAR

ระบบ LIDAR การดูดซึมที่แตกต่างกัน (บางครั้งเรียกว่า DIAL) มักใช้ในการตรวจสอบการมีอยู่ของโมเลกุลหรือวัสดุบางชนิด โดยปกติระบบ DIAL จะยิงลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสองความยาวคลื่นซึ่งถูกเลือกในลักษณะที่ความยาวคลื่นหนึ่งจะถูกดูดซับโดยโมเลกุลที่สนใจในขณะที่ความยาวคลื่นอื่น ๆ จะไม่เป็นเช่นนั้น การดูดกลืนของคานอันใดอันหนึ่งส่งผลให้เกิดความแตกต่าง (การดูดกลืนที่แตกต่างกัน) ในความเข้มของคานส่งกลับที่สแกนเนอร์ได้รับ จากนั้นจึงใช้ความแตกต่างนี้เพื่อสรุประดับการมีอยู่ของโมเลกุลที่กำลังตรวจสอบ DIAL ถูกใช้เพื่อวัดความเข้มข้นของสารเคมี (เช่นโอโซนไอน้ำสารมลพิษ) ในบรรยากาศ

3. ดอปเลอร์ LIDAR

Doppler LiDAR ใช้เพื่อวัดความเร็วของเป้าหมาย เมื่อลำแสงที่ยิงออกมาจาก LIDAR กระทบเป้าหมายที่กำลังเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกจาก LIDAR ความยาวคลื่นของแสงที่สะท้อน / กระจัดกระจายออกจากเป้าหมายจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย สิ่งนี้เรียกว่า Doppler shift - ด้วยเหตุนี้ Doppler LiDAR หากเป้าหมายเคลื่อนที่ออกจาก LiDAR แสงย้อนกลับจะมีความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น (บางครั้งเรียกว่าการกะสีแดง) หากเคลื่อนที่ไปทาง LiDAR แสงย้อนกลับจะมีความยาวคลื่นสั้นกว่า (สีน้ำเงินกะ)

การจำแนกประเภทอื่น ๆ ที่ระบบ LIDAR แบ่งออกเป็นประเภท ได้แก่:

แพลตฟอร์ม
ประเภทของการกระจายย้อนกลับ

ประเภทของ LiDAR ตามแพลตฟอร์ม

การใช้แพลตฟอร์มเป็นเกณฑ์ระบบ LIDAR สามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภท ได้แก่

LIDAR แบบกราวด์
แอร์บอร์นไลดาร์
Spaceborne LIDAR
Motion LIDAR

LIDAR เหล่านี้มีความแตกต่างกันในด้านโครงสร้างวัสดุความยาวคลื่นมุมมองและปัจจัยอื่น ๆ ซึ่งโดยปกติจะเลือกให้เหมาะกับสิ่งที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่จะนำไปใช้งาน

ประเภทของ LIDAR ขึ้นอยู่กับประเภทของการกระจายย้อนกลับ

ในระหว่างที่ฉันอธิบายวิธีการทำงานของระบบ LIDAR ฉันได้พูดถึงการสะท้อนใน LIDAR นั้นผ่านการกระจายย้อนกลับ การออกจากการกระจายย้อนกลับประเภทต่างๆและบางครั้งใช้เพื่ออธิบายประเภทของ LIDAR ประเภทของการกระจายกลับ ได้แก่

มิเอะ
เรย์ลี
รามัน
เรืองแสง

การใช้งาน LiDAR

เนื่องจากความแม่นยำและความยืดหยุ่นสูง LIDAR จึงมีแอพพลิเคชั่นมากมายโดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตแผนที่ความละเอียดสูง เช่นเดียวกับการสำรวจ LIDAR ยังถูกนำมาใช้ในการเกษตรโบราณคดีและในหุ่นยนต์เนื่องจากปัจจุบันเป็นหนึ่งในผู้สนับสนุนหลักของการแข่งขันรถยนต์อิสระโดยเป็นเซ็นเซอร์หลักที่ใช้ในยานพาหนะส่วนใหญ่ที่มีระบบ LIDAR ซึ่งมีบทบาทคล้ายกับ ดวงตาสำหรับยานพาหนะ

มีแอปพลิเคชั่นอื่น ๆ ของ LiDAR กว่า 100 รายการและจะพยายามพูดถึงให้มากที่สุดด้านล่าง

ยานยนต์อิสระ
ภาพ 3 มิติ
การสำรวจที่ดิน
การตรวจสอบสายไฟ
การจัดการการท่องเที่ยวและสวนสาธารณะ
การประเมินสิ่งแวดล้อมเพื่อการปกป้องป่า
แบบจำลองน้ำท่วม
การจำแนกระบบนิเวศและที่ดิน
การสร้างแบบจำลองมลพิษ
การสำรวจน้ำมันและก๊าซ
อุตุนิยมวิทยา
สมุทรศาสตร์
การใช้งานทางทหารทุกประเภท
การวางแผนเครือข่ายเซลล์
ดาราศาสตร์

ข้อ จำกัด LiDAR

LIDAR ก็เหมือนกับเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่มีข้อบกพร่องช่วงและความถูกต้องของระบบ LIDAR ได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงในช่วงสภาพอากาศเลวร้ายตัวอย่างเช่นในสภาวะ Foggy สัญญาณผิดพลาดจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากลำแสงสะท้อนโดยหมอก สิ่งนี้มักจะนำไปสู่เอฟเฟกต์การกระเจิงของ mie และด้วยเหตุนี้ลำแสงที่ถูกยิงจำนวนมากจะไม่ย้อนกลับไปที่สแกนเนอร์ เหตุการณ์ที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นกับฝนเนื่องจากอนุภาคฝนทำให้เกิดการกลับมาปลอม

นอกเหนือจากสภาพอากาศแล้วระบบ LIDAR ยังสามารถหลอก (ไม่ว่าจะโดยเจตนาหรือโดยไม่เจตนา) ให้คิดว่ามีวัตถุอยู่โดยการกระพริบ "ไฟ" ที่มัน ตามที่กระดาษตีพิมพ์ในปี 2015 กระพริบตัวชี้เลเซอร์ที่เรียบง่ายที่ระบบ LIDAR ติดตั้งอยู่บนยานพาหนะของตนเองอาจหลงทางระบบนำทางของรถให้มันแสดงผลของการดำรงอยู่ของวัตถุที่ไม่มีใคร ข้อบกพร่องนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้เลเซอร์ในรถยนต์ที่ไม่มีคนขับทำให้เกิดข้อกังวลด้านความปลอดภัยจำนวนมากเนื่องจาก carjackers ใช้เวลาไม่นานในการปรับแต่งหลักการเพื่อใช้ในการโจมตี นอกจากนี้ยังอาจนำไปสู่อุบัติเหตุที่รถยนต์หยุดกลางถนนกะทันหันหากพวกเขารู้สึกได้ถึงสิ่งที่พวกเขาเชื่อว่าเป็นรถคันอื่นหรือคนเดินเท้า

ข้อดีและข้อเสียของ LiDAR

เพื่อสรุปบทความนี้เราควรพิจารณาถึงเหตุผลที่คุณ LIDAR เหมาะสมกับโครงการของคุณและเหตุผลที่คุณควรหลีกเลี่ยง

ข้อดี

1. การรับข้อมูลความเร็วสูงและแม่นยำ

2. การรุกสูง

3. ไม่ได้รับผลกระทบจากความเข้มของแสงในสภาพแวดล้อมและสามารถใช้ในเวลากลางคืนหรือกลางแดดได้

4. การถ่ายภาพความละเอียดสูงเมื่อเทียบกับวิธีอื่น ๆ

5. ไม่มีการบิดเบือนทางเรขาคณิต

6. ผสานรวมกับวิธีการรับข้อมูลอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดาย

7. LIDAR มีการพึ่งพามนุษย์ขั้นต่ำซึ่งเป็นสิ่งที่ดีในการใช้งานบางอย่างซึ่งความผิดพลาดของมนุษย์อาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของข้อมูล

ข้อเสีย

1. ค่าใช้จ่ายของ LIDAR ทำให้โครงการบางโครงการมากเกินไป LIDAR อธิบายได้ดีที่สุดว่ามีราคาค่อนข้างแพง

2. ระบบ LIDAR ทำงานได้ไม่ดีในสภาพฝนตกหนักหมอกหรือหิมะ

3. ระบบ LIDAR สร้างชุดข้อมูลขนาดใหญ่ซึ่งต้องใช้ทรัพยากรในการคำนวณสูงในการประมวลผล

4. ไม่น่าเชื่อถือในการใช้งานน้ำไหลเชี่ยว

5. ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นที่นำมาใช้ประสิทธิภาพของระบบ LIDAR จะมีระดับความสูงที่ จำกัด เนื่องจากพัลส์ที่ยิงใน LIDAR บางประเภทไม่ได้ผลในบางระดับ

LIDAR สำหรับ Hobbyist และ Makers

เนื่องจากต้นทุนของ LIDAR ระบบ LIDAR ส่วนใหญ่ในตลาด (เช่น velodyne LIDARs) จึงถูกนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรม (เพื่อรวบรวมแอปพลิเคชันที่ "ไม่ใช่งานอดิเรก" ทั้งหมด)

ที่ใกล้เคียงกับ“เกรดอดิเรก” ระบบ LIDAR สิทธิที่มีอยู่ในขณะนี้iLidar เซ็นเซอร์ Solid-State LiDAR ออกแบบโดย Hybo เป็นระบบ LiDAR ขนาดเล็กที่สามารถทำแผนที่ 3 มิติได้ (โดยไม่ต้องหมุนเซ็นเซอร์) โดยมีระยะการทำงานสูงสุด 6 เมตร เซ็นเซอร์มีพอร์ต USB ควบคู่ไปกับพอร์ต UART / SPI / i2C ซึ่งสามารถสร้างการสื่อสารระหว่างเซ็นเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ได้

iLidar ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เหมาะกับทุกคนและคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับ LiDAR ทำให้ผู้ผลิตสนใจ