Úvod do technologie LiDAR
Detekce světla a měření vzdálenosti (LiDAR) je zavedená metoda pro technologii dálkového snímání s perspektivním potenciálem pomoci při mapování, monitorování a hodnocení povrchů a objektů. Technologie LiDAR umožňuje vědcům a odborníkům zkoumat přírodní a člověkem vytvořené prostředí s přesností a flexibilitou.
V posledním desetiletí došlo k mnohonásobnému rozvoji a růstu technologie LiDAR. Tato technologie nahradila konvenční geodetické techniky v několika doménách. LiDAR se běžně používá k vytváření map ve vysokém rozlišení, s aplikacemi v geodézii, archeologii, geografii, seismologii, lesnictví a fyzice atmosféry. Používá se také v řízení a navigaci autonomních vozidel a robotů. Tento článek vysvětlí základy technologie LiDAR, principy fungování senzorů LiDAR a některé příklady jeho rutinního použití.
Co je LiDAR
LiDAR, známý též jako LADAR, neboli laserový výškoměr, je technologie optického senzoru, která vydává intenzivní, zaostřené paprsky pulzní laserové energie a měří čas potřebný k detekci odrazů senzorem. Tyto informace se používají k výpočtu rozsahů nebo vzdáleností k objektům. Tímto způsobem je LiDAR analogický s radarem (Radio Detection and Ranging), kromě toho, že je založen na diskrétních pulsech laserového světla namísto rádiových vln. Systém LIDAR generuje přesnou 2D nebo 3D mapu okolí a objektů vysíláním těchto světelných pulsů. Dalším aspektem technologie LiDAR je, že může také určit optické vlastnosti objektu, jako je odrazivost a absorpce. To v konečném důsledku poskytuje materiální data o objektu a jeho vzdálenosti - tato technologie je tedy ideální pro mapování.
Obrázek 1: Laserově mapované 3D modely z LiDAR UK National TreeMap (Bluesky data)
Systémy LiDAR jsou aktivní systémy, protože emitují světelné impulsy a detekují odražené světlo. Mnoho systémů LiDAR pracuje v blízké infračervené oblasti (např. 1064 nm) elektromagnetického spektra, ačkoli některé senzory také pracují v zeleném pásmu, aby pronikly vodou a detekovaly prvky na dně. LiDAR je technologie snímání relativně krátkého dosahu. Většina komerčních senzorů LiDAR dokáže snímat až do 100 metrů, pokročilejší jsou schopny dosáhnout 200 metrů.
Technologie LiDAR nabízí neuvěřitelně přesné a konzistentní výsledky. Tato technologie vyřadila několik dalších technologií a senzorů, které nejsou dostatečně přesné v detekci a zapouzdření dat. Pro mnoho úkolů, jako je skenování mezi objekty, je LiDAR životaschopnou technologií. Nabízí rychlou, přesnou a přímou metodu mapování a zároveň produkuje přesná a snadno analyzovatelná data. V mobilních aplikacích, kde je vyžadována vysoká přesnost a spolehlivost, si technologie LiDAR rychle získává popularitu. Robustní výkon LiDAR, rozšířený dosah a přesnost vzdálenosti na několik centimetrů umožňují rychle detekovat objekty v extrémně vysokém rozlišení a rovnoměrně pokrýt velké plochy.
Jak LiDAR funguje
Systém LIDAR zahrnuje laserové zařízení, navigační inerciální měřicí jednotku (IMU), vysoce přesný vzdušný systém GPS a počítačové rozhraní. Tato technologie využívá k zobrazování objektů ultrafialové, viditelné nebo blízké infračervené světlo. Laser vydává světelné pulzy a detekuje světlo odražené od objektů. Senzor měří čas mezi vyzařováním a návratem laserového pulzu a uraženou vzdálenost. Uražená vzdálenost se poté převede na elevaci. Tato měření se provádějí pomocí klíčových komponent systému LiDAR, včetně GPS, které identifikuje umístění X, Y, Z světelné energie a IMU, které dodávají orientaci. Tento proces se také nazývá měření time of flight (čas letu) (obrázek 2). Současné systémy LiDAR jsou dostatečně výkonné, aby každou sekundu vydávaly až 900 000 pulzů.
Vzdálenost objektu = Speed of Light x doba letu / 2
Obrázek 2a: Blokový diagram technologie LiDAR
LiDAR replikuje tento proces milionkrát za sekundu a shrnuje výsledky do 3D mapovém systému s vysokým rozlišením. Tato 3D mapa obsahuje snadno analyzovatelná data, která se používají při rozhodování.
Obrázek 2b: Měření vzdálenosti v systému LiDAR
Aplikace LiDAR
LiDAR byl historicky používán jak na zemi, tak ve vzduchu. Tato použití jsou vhodná pro tři hlavní typy LiDAR systémů - vzdušný, pozemní a satelitní LiDAR. Vzdušný LiDAR se využívá ke shromažďování dat prostřednictvím vrtulníků nebo dronů. Pozemní LiDAR se instaluje na pohybující se vozidla nebo na statické stativy. Tyto typy systémů LiDAR jsou ideální pro modelování a pozorování statické topografie. Satelitní nebo vesmírné platformy LIDAR jsou osazeny na satelitech, které obíhají kolem země a mají tendenci pokrýt velké oblasti, ale s menšími detaily.
Technologie LiDAR se svou jedinečnou schopností poskytovat spolehlivou detekci a měření vzdálenosti s vysokým rozlišením a přesností nachází uplatnění v různých průmyslových odvětvích a aplikacích. Tato technologie zahrnuje úspěšné případové studie v geodézii, archeologii, lesnictví, batymetrii, biologii a ochraně přírody, atmosféře, těžbě, geologii a optimalizaci větrných farem. Aplikační oblasti LiDAR s pokrokem v jiných oborech vědy a techniky se nyní rozšířily a používají se k dosažení mnoha vývojových cílů, z nichž některé jsou:
LiDAR pro rozšířenou realitu:
Skener LiDAR poskytuje velmi podrobné 3D mapování, které umožňuje systémům rozšířené reality přenést data na přesnou a spolehlivou mapu. Bodový cloudový skener vytvořený systémem LiDAR zvyšuje přesnost zkušeností s rozšířenou realitou.
LiDAR z vesmíru:
Systémy LiDAR se vyvíjejí pro několik vesmírných aplikací, kde je zapotřebí zobrazování k identifikaci bezpečných přistávacích míst pro vozítka, dokování a řízení. Satelity technologie LiDAR se také používají k průzkumu, mapování a generování modelů predikce klimatu země a dalších nebeských těles.
LiDAR pro autonomní vozidla:
Technologie LiDAR je pohodlné řešení umožňující detekci překážek, vyhýbání se jim a bezpečnou navigaci v různých prostředích v různých vozidlech. Tato technologie je rozšířena do mnoha důležitých automobilových a mobilních aplikací, včetně systémů Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) a autonomního řízení.
LiDAR a IoT:
Několik aspektů LiDAR ho činí obzvláště užitečným v konkrétních aplikacích internetu věcí (IoT). Řešení LiDAR hrají klíčovou roli při plnění příslibu IoT - zvyšování bezpečnosti, produktivity a efektivity v celé řadě aplikací pro inteligentní města, infrastrukturu, zemědělství, zdravotnictví, maloobchod a další.
LiDAR pro 3D tisk:
V současné době je již možné vytvářet 3D vytištěné objekty prostřednictvím fotografického modelování. Díky systému LiDAR lze získat mnohem podrobnější data modelování pro ještě zajímavější projekty 3D tisku.
Společnost ON Semiconductors představila řešení vývojové sady SECO-RANGEFINDER-GEVK Development kit s jednobodovou přímou detekcí a měřením času letu (dToF) (LiDAR), které využívá echnologií Silicon Photomultiplier (SiPM). Technologie SiPM použitá v zařízení pomáhá zajistit rychlou dobu odezvy a vysokou účinnost detekce. Pomáhá překonat výzvy v tradičních řešeních založených na fotodiodách.
Obrázek 3: Vývojová sada dTOF pro detekci světla a měření vzdálenosti od ON Semiconductor
Zařízení je navrženo s NIR laserovou diodou, senzorem SiPM, optikou a digitálním zpracováním nezbytným pro převod detekovaných signálů na uplynulý čas a následně uplynulého času na vzdálenost. Díky vygenerovaným histogramům je zařízení vhodné pro různé aplikace, jako je hledání rozsahu, detekce kolizí a 3D mapování. Platforma SiPM dToF LiDAR dokáže detekovat objekty ve vzdálenosti mezi 10 cm a 23 m a poskytuje integrovaný provoz s vyhrazeným grafickým uživatelským rozhraním.
Vzhledem k množství výhod se technologie LiDAR a trhy nadále velmi rychle vyvíjejí. Systém LiDAR se ukázal jako neocenitelný a díky růstu v různých oblastech budou tyto výkonné senzory v následujících letech stále dostupnější. Nabízejí pozoruhodné výkonnostní výhody oproti jiným technologiím a je jen otázkou času, kdy se LiDAR stane upřednostňovanými senzory pro většinu průmyslových odvětví.
