מה זה לידר ואיך זה עובד

מכוניות ללא נהג שהיו אחת הפנטזיות הטכנולוגיות הגדולות ביותר בשנות התשעים (המונעות על ידי סרטים קודמים כמו "באג האהבה" ו"איש ההריסה "), הן מציאות כיום, הודות להתקדמות העצומה שנעשתה סביב כמה טכנולוגיות במיוחד לידר.

מה זה LiDAR?

LIDAR (מייצג Light Detection and Ranging) היא טכנולוגיה מרחיבה שמודדת את מרחק האובייקט על ידי ירי אלומות האור לעבר האובייקט ומשתמשת בזמן ובאורך הגל של קרן האור המוחזרת כדי לאמוד את המרחק וביישומים מסוימים (לייזר הדמיה), צור ייצוג תלת ממדי של האובייקט.

בעוד שאפשר לייחס את הרעיון העומד מאחורי לייזר ליצירת EH Synge בשנת 1930, זה לא היה דבר עד תחילת שנות השישים, לאחר המצאת הלייזר. בעיקרו שילוב של הדמיה ממוקדת בלייזר עם היכולת לחשב מרחקים תוך שימוש בטכניקת זמן הטיסה, הוא מצא את היישומים המוקדמים ביותר שלו במטאורולוגיה, שם שימש למדידת עננים ובחלל, שם שימש מד גובה לייזר למיפוי פני הירח במהלך משימת אפולו 15. מאז, הטכנולוגיה השתפרה והייתה בשימוש ביישומים מגוונים כולל; איתור פעילויות סייסמיות, אוקיאנוגרפיה, ארכיאולוגיה וניווט, רק כמה מהם מוזכרים.

איך עובד LiDAR

הטכנולוגיה דומה למדי לזו של RADAR (ניווט גלי רדיו המשמש ספינות ומטוסים) ו- SONAR (איתור אובייקטים תת-מימיים וניווט באמצעות קול, המשמש בעיקר צוללות) אשר שניהם משתמשים בעקרון של השתקפות גלים לגילוי אובייקטים ומרחק. אוּמדָן. עם זאת, בעוד ש- RADAR מבוסס על גלי רדיו ו- SONAR מבוסס על צלילים, LIDAR מבוסס על קרני אור (לייזר).

LIDAR משתמש באור באורכי גל שונים כולל; אור אולטרה סגול, גלוי או קרוב לאינפרא אדום לאובייקטים של תמונה, וככזה, מסוגל לזהות כל סוג של קומפוזיציות חומרים, כולל; לא מתכות, סלעים, גשם, תרכובות כימיות, אירוסולים, עננים ואפילו מולקולות בודדות. מערכות LIDAR יכולות לירות עד 1,000,000 פעימות אור בשניה ולהשתמש בזמן שנדרש להחזרת הפולסים אל הסורק כדי לקבוע את המרחק בו נמצאים חפצים ומשטחים סביב הסורק. הטכניקה המשמשת לקביעת מרחק נקראת זמן טיסה ומשוואתה מובאת להלן.

מרחק = (מהירות האור x זמן הטיסה) / 2

ברוב היישומים, פרט למדידה רחוקה בלבד, נוצרת מפה תלת ממדית של הסביבה / האובייקט שאליו נורתה קרן האור. זה נעשה באמצעות ירי מתמשך של קרן הלייזר לעבר האובייקט או הסביבה.

חשוב לציין כי בניגוד להחזרת סוג הספקולר שניתן להשיג במראות מישוריות, ההשתקפות במערכות LIDAR הינה השתקפות אחורית כאשר גלי האור מפוזרים לאחור בכיוון אליו הגיעו. בהתאם ליישום, מערכות LIDAR משתמשות בווריאציות שונות של פיזור אחורי, כולל פיזור ריילי וראמאן,

רכיבי מערכת LIDAR

מערכת LIDAR כוללת בדרך כלל 5 אלמנטים שצפויים להיות נוכחים ללא קשר לשינויים עקב היישום. מרכיבים עיקריים אלה כוללים:

1. לייזר
2. סורקים ומערכת אופטיקה
3. מעבד
4. אלקטרוניקה תזמון מדויקת
5. יחידת מדידה אינרציאלית ו- GPS

1. לייזר

הלייזר משמש כמקור האנרגיה לדופקי האור. אורך הגל של הלייזר הנפרס במערכות LIDAR שונה מיישום אחד למשנהו בשל הדרישות הספציפיות של יישומים מסוימים. לדוגמא, מערכות LiDAR מוטסות משתמשות בלייזרי YAG שאובים דיודה 1064 ננומטר ואילו במערכות Bathymetric משתמשים בלייזרי YAG שאובים דיודות כפולות 532nm אשר חודרים למים (עד 40 מטר) עם הנחתה הרבה פחות מהגרסה 1064nm המוטסת. עם זאת, ללא קשר ליישומים, הלייזרים המשמשים הם בדרך כלל בעלי אנרגיה נמוכה על מנת להבטיח בטיחות.

2. סורק ואופטיקה

סורקים הם חלק חשוב בכל מערכת LIDAR. הם אחראים על הקרנת פולסי לייזר למשטחים וקבלת הפולסים המשתקפים חזרה מפני השטח. המהירות בה פיתוח תמונות על ידי מערכת LIDAR תלויה במהירות בה הסורקים לוכדים את הקורות הפזורות לאחור. ללא קשר ליישום, האופטיקה המשמשת במערכת LIDAR חייבת להיות בדיוק ובאיכות גבוהים כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר במיוחד למיפוי. סוג העדשות, בחירת זכוכית ספציפית, יחד עם הציפויים האופטיים המשמשים הם הקובעים העיקריים לרזולוציה ויכולות הטווח של ה- LIDAR.

בהתאם ליישום, ניתן לפרוס מגוון שיטות סריקה לרזולוציות שונות. סריקת אזימוט וגובה, וסריקת ציר כפול הם חלק משיטת הסריקה הפופולרית ביותר.

3. מעבדים

מעבד בעל קיבולת גבוהה נמצא בדרך כלל בלב כל מערכת LIDAR. הוא משמש לסינכרון ולתיאום הפעילויות של כל הרכיבים הבודדים של מערכת LIDAR כדי להבטיח שכל הרכיבים פועלים כראוי. המעבד משלב את הנתונים מהסורק, הטיימר (אם לא מובנה בתת-מערכת העיבוד), ה- GPS וה- IMU להפקת נתוני נקודת LIDAR. נתוני נקודות גובה אלה משמשים ליצירת מפות בהתאם ליישום. במכוניות ללא נהג, נתוני הנקודה משמשים כדי לספק מפת הסביבה בזמן אמת כדי לעזור למכוניות עם הימנעות ממכשולים וניווט כללי.

כאשר האור נע במהירות של כ- 0.3 מטר לננו-שניות ואלפי קרניים בדרך כלל משתקפים חזרה לסורק, המעבד נדרש בדרך כלל במהירות גבוהה עם יכולות עיבוד גבוהות. לפיכך, ההתקדמות בכוח העיבוד של אלמנטים מחשוב הייתה אחד המניעים העיקריים של טכנולוגיית LIDAR.

4. תזמון אלקטרוניקה

תזמון מדויק הוא המהות במערכות LIDAR מכיוון שהפעולה כולה בנויה בזמן. אלקטרוניקת התזמון מייצגת את תת-המערכת LIDAR המתעדת את הזמן המדויק שעובר דופק הלייזר ואת הזמן המדויק שהוא חוזר לסורק.

לא ניתן להדגיש את הדיוק והדיוק שלו. בשל ההשתקפות המפוזרת, לפולסים הנשלחים יש לרוב החזרות מרובות שכל אחת מהן צריכה להיות מתוזמנת במדויק על מנת להבטיח את דיוק הנתונים.

5. יחידת מדידה אינרציאלית ו- GPS

כאשר חיישן LiDAR מותקן על פלטפורמה ניידת כמו לוויינים, מטוסים או מכוניות, יש צורך לקבוע את המיקום המוחלט ואת כיוון החיישן כדי לשמור על נתונים שמיש. זה מושג על ידי שימוש במערכת מדידה אינרציאלית (IMU) ובמערכת מיקום גלובלית (GPS). ה- IMU כולל בדרך כלל מד תאוצה, גירוסקופ ומגנומטר למדידת מהירות, כיוון וכוחות הכבידה, המשולבים יחד, כדי לקבוע את כיוון הזווית (המגרש, הגלגול והסיבוב) של הסורק ביחס לקרקע. ה- GPS לעומת זאת מספק מידע גיאוגרפי מדויק לגבי מיקום החיישן, ובכך מאפשר הפניה גיאוגרפית ישירה של נקודות האובייקט.שני מרכיבים אלה מספקים את השיטה לתרגום נתוני חיישנים לנקודות סטטיות לשימוש במגוון מערכות.

המידע הנוסף המתקבל באמצעות ה- GPS וה- IMU הוא חיוני לשלמות הנתונים שנרכשו, והוא מסייע להבטיח כי המרחק למשטחים נאמד נכון, במיוחד ביישומי LIDAR ניידים כמו רכבים אוטונומיים ומערכות דמיון מבוססות מטוס אוויר.

סוגי LiDAR

בעוד שניתן לסווג מערכות LIDAR לסוגים המבוססים על מספר לא מבוטל של גורמים, ישנם שלושה סוגים כלליים של מערכות LIDAR שהם;

1. מאתר טווחים LIDAR
2. ספיגת דיפרנציאל LIDAR
3. דופלר LIDAR

1. Finder Range LIDAR

אלה הסוגים הפשוטים ביותר של מערכות LIDAR. הם משמשים לקביעת המרחק מסורק ה- LIDAR לאובייקט או למשטח. על ידי שימוש בעקרון זמן הטיסה המתואר בסעיף "איך זה עובד", הזמן שנדרש לקרן ההשתקפות לפגיעה בסורק משמש לקביעת המרחק בין מערכת LIDAR לאובייקט.

2. ספיגת דיפרנציאל LIDAR

מערכות ספיגת דיפרנציאל LIDAR (המכונות לפעמים DIAL) משמשות בדרך כלל בחקירת נוכחותן של מולקולות או חומרים מסוימים. מערכות DIAL בדרך כלל יורות קרני לייזר בעלות שני אורכי גל אשר נבחרות באופן שאחד מאורכי הגל ייקלט במולקולה המעניינת ואילו אורך הגל האחר לא יהיה. ספיגת אחת הקורות מביאה להבדל (ספיגה דיפרנציאלית) בעוצמת קרני ההחזרה המתקבלות על ידי הסורק. לאחר מכן משתמשים בהבדל זה כדי להסיק את רמת הנוכחות של המולקולה הנחקרת. DIAL שימש למדידת ריכוזים כימיים (כגון אוזון, אדי מים, מזהמים) באטמוספירה.

3. דופלר LIDAR

דופלר LiDAR משמש למדידת מהירות המטרה. כאשר קרני אור שנורו מה- LIDAR פוגעות במטרה הנעה לכיוון ה- LIDAR או ממנה, אורך הגל של האור המוחזר / מפוזר מחוץ למטרה ישתנה מעט. זה ידוע כמשמרת דופלר - כתוצאה מכך, דופלר LiDAR. אם המטרה מתרחקת מ- LiDAR, לאור ההחזרה יהיה אורך גל ארוך יותר (המכונה לפעמים תזוזה אדומה), אם נע לכיוון ה- LiDAR האור החוזר יהיה באורך גל קצר יותר (הכחול הוסט).

חלק מהסיווגים האחרים עליהם מקובצים מערכות LIDAR לסוגים כוללים:

1. פּלַטפוֹרמָה
2. סוג של פיזור אחורי

סוגי LiDAR המבוססים על פלטפורמה

באמצעות פלטפורמה כקריטריון, ניתן לקבץ מערכות LIDAR לארבעה סוגים כולל;

1. LIDAR מבוסס קרקע
2. לידאר מוטס
3. LIDAR חללית
4. תנועה לידאר

LIDAR אלה נבדלים מבנייה, חומרים, אורך גל, השקפה וגורמים אחרים אשר בדרך כלל נבחרים כך שיתאימו למה שעובד בסביבה שעבורה הם אמורים להיות פרוסים.

סוגי LIDAR בהתבסס על סוג של פיזור אחורי

במהלך התיאור שלי כיצד מערכות LIDAR עובדות, הזכרתי שההשתקפות ב- LIDAR היא באמצעות פיזור אחורי. סוג אחר של יציאות לגזירה אחורית ולעיתים משתמשים בה לתיאור סוג ה- LIDAR. סוגים של פיזור אחורי כוללים;

1. מיי
2. ריילי
3. ראמאן
4. פלוּאוֹרסצֵנצִיָה

יישומים של LiDAR

בשל הדיוק והגמישות הקיצוניים שלו ל- LIDAR יש מספר רב של יישומים, בייחוד, ייצור מפות ברזולוציה גבוהה. בנוסף לסקר, נעשה שימוש ב- LIDAR בחקלאות, ארכיאולוגיה וברובוטים, שכן הוא כיום אחד המאפשרים העיקריים של מרוץ הרכב האוטונומי, והוא החיישן העיקרי המשמש ברוב הרכבים עם מערכת LIDAR שממלאת תפקיד דומה לזה של העיניים לרכבים.

ישנן מאה יישומים אחרים של LiDAR וינסו להזכיר כמה שיותר להלן.

1. כלי רכב אוטונומיים
2. הדמיה תלת ממדית
3. סקר קרקע
4. בדיקת קו חשמל
5. ניהול תיירות וגנים
6. הערכת איכות הסביבה להגנת היער
7. דוגמנות שיטפון
8. סיווג אקולוגי ויבשתי
9. דוגמנות זיהום
10. חיפושי נפט וגז
11. מֵטֵאוֹרוֹלוֹגִיָה
12. אוקיאנוגרפיה
13. כל סוג של יישומים צבאיים
14. תכנון רשתות סלולריות
15. אַסטרוֹנוֹמִיָה

מגבלות LiDAR

ל- LIDAR כמו לכל טכנולוגיה אחרת יש את החסרונות שלה. הטווח והדיוק של מערכות LIDAR מושפעים קשה במהלך תנאי מזג אוויר גרועים. לדוגמא, בתנאי ערפילי, נוצרת כמות משמעותית של אותות שווא עקב קורות המשתקפות על ידי הערפל. זה בדרך כלל מוביל לאפקט פיזור המיי וככזה, חלק הארי של הקורה המופעלת אינו חוזר לסורק. התרחשות דומה חווה גשם שכן חלקיקי גשם גורמים לתמורה מזויפת.

מלבד מזג האוויר, ניתן להטעות במערכות LIDAR (במכוון או שלא בכוונה) לחשוב שאובייקט קיים על ידי הבהוב "אורות" אליו. על פי מאמר שפורסם בשנת 2015, הבזק של מצביע לייזר פשוט במערכת LIDAR המותקן על רכבים אוטונומיים עלול לבלבל את מערכות הניווט ברכב, ולתת לו את הרושם על קיומו של עצם שאין בו. פגם זה במיוחד ביישום לייזרים ללא נהג ברכב, פותח חששות ביטחוניים רבים מכיוון שלא ייקח הרבה זמן עד ששודדי רכב משכללים את העיקרון לשימוש בהתקפות. זה יכול להוביל גם לתאונות עם מכוניות שעוצרות פתאום באמצע הדרך אם הם חשים מה לדעתם מכונית אחרת או הולך רגל.

יתרונות וחסרונות של LiDAR

לסיכום מאמר זה, עלינו כנראה לבדוק סיבות מדוע אתה LIDAR יכול להתאים לפרויקט שלך וסיבות מדוע אתה צריך להימנע מכך.

יתרונות

1. רכישת נתונים במהירות גבוהה ומדויקת

2. חדירה גבוהה

3. לא מושפע מעוצמת האור בסביבתו וניתן להשתמש בו בלילה או בשמש.

4. הדמיה ברזולוציה גבוהה בהשוואה לשיטות אחרות.

5. אין עיוותים גיאומטריים

6. משתלב בקלות עם שיטות אחרות לרכישת נתונים.

7. ל- LIDAR תלות אנושית מינימלית הטובה ביישומים מסוימים בהם שגיאות אנושיות עלולות להשפיע על מהימנות הנתונים.

חסרונות

1. העלות של LIDAR גורמת לו למילוי יתר עבור פרויקטים מסוימים. LIDAR מתואר בצורה הטובה ביותר כיקר יחסית.

2. מערכות LIDAR מתפקדות בצורה גרועה בתנאי גשם כבד, ערפל או שלג.

3. מערכות LIDAR מייצרות מערכי נתונים גדולים אשר דורשים עיבוד משאבים חישוביים גבוהים.

4. לא אמין ביישומי מים סוערים.

5. תלוי באורך הגל שאומץ, הביצועים של מערכות LIDAR הם בגובה מוגבל מכיוון שהפולסים שנורו בסוגים מסוימים של LIDAR הופכים ליעילים בגבהים מסוימים.

LIDAR עבור הוביסטים ויצרנים

בשל עלות ה- LIDAR, מרבית מערכות ה- LIDAR בשוק (כמו ה- LIDAR של velodyne) משמשות ביישומים תעשייתיים (להפגיש את כל היישומים ה"לא-הובי ").

הקרובים ביותר למערכת ה- LIDAR של "דרגת תחביב" הקיימת כרגע הם חיישני ה- LiDAR של מצב מוצק iLidar שתוכננו על ידי Hybo. זוהי מערכת LiDAR קטנה המסוגלת למיפוי תלת ממדי (ללא סיבוב החיישן) עם טווח מקסימאלי יעיל של 6 מטרים. החיישן מצויד ביציאת USB לצד יציאת UART / SPI / i2C דרכה ניתן ליצור תקשורת בין החיישן למיקרו-בקר.

iLidar תוכננה כך שתתאים לכולם והתכונות הקשורות ל- LiDAR הופכות אותה לאטרקטיבית עבור יצרנים.