Què és lidar i com funciona

Els cotxes sense conductor, que eren una de les majors fantasies tecnològiques dels anys noranta (impulsats per pel·lícules anteriors com "The Love Bug" i "Demolition Man"), són una realitat avui en dia, gràcies a l'enorme avenç realitzat al voltant de diverses tecnologies, especialment LIDAR.

Què és LiDAR?

LIDAR (significa Light Detection and Ranging) és una tecnologia d’abast que mesura la distància d’un objecte disparant feixos de llum a l’objecte i que utilitza el temps i la longitud d’ona del feix de llum reflectit per estimar la distància i en algunes aplicacions (làser Imatges), creeu una representació 3D de l’objecte.

Tot i que la idea del làser es pot remuntar a la tasca d’EH Synge el 1930, no va ser una cosa fins a principis dels anys seixanta, després de la invenció del làser. Essencialment, una combinació d’imatges centrades en làser amb la capacitat de calcular distàncies mitjançant la tècnica del temps de vol, va trobar les seves primeres aplicacions en Meteorologia, on es feia servir per mesurar els núvols, i en l’espai, on es feia servir un altímetre làser per a mapear superfície de la lluna durant la missió Apollo 15. Des de llavors, la tecnologia ha millorat i s'ha utilitzat en diverses aplicacions, incloses; detecció d'activitats sísmiques, oceanografia, arqueologia i navegació per esmentar-ne algunes.

Com funciona LiDAR

La tecnologia és bastant similar a la de RADAR (navegació per ones de ràdio utilitzada per vaixells i avions) i SONAR (detecció d’objectes subaquàtics i navegació mitjançant so, utilitzat principalment per submarins) que utilitzen el principi de reflexió d’ones per a la detecció i la distància d’objectes estimació. No obstant això, si bé RADAR es basa en ones de ràdio i SONAR es basa en sons, LIDAR es basa en feixos de llum (làser).

LIDAR utilitza llum a través de diferents longituds d'ona, incloses; llum ultraviolada, visible o infraroja propera a objectes d'imatge i, com a tal, capaç de detectar tot tipus de composicions materials, incloses; no metalls, roques, pluja, compostos químics, aerosols, núvols i fins i tot molècules simples. Els sistemes LIDAR podrien disparar fins a 1.000.000 de polsos de llum per segon i utilitzar el temps necessari per reflectir-los cap a l’escàner per determinar la distància a la qual es troben els objectes i les superfícies al voltant de l’escàner. La tècnica utilitzada per a la determinació de la distància es coneix com a temps de vol i la seva equació es dóna a continuació.

Distància = (Velocitat de la llum x Temps de vol) / 2

En la majoria d’aplicacions, a part de la mesura a distància, es crea un mapa 3D de l’entorn / objecte al qual es va disparar el feix de llum. Això es fa mitjançant un tret continu del raig làser cap a l'objecte o entorn.

És important tenir en compte que, a diferència de la reflexió de tipus especular que es pot obtenir en els miralls plans, la reflexió experimentada en els sistemes LIDAR és una reflexió retrodissenyada a mesura que les ones de llum es difonen cap enrere per la direcció on van arribar. Depenent de l’aplicació, els sistemes LIDAR utilitzen diferents variacions de retrodifusió, incloses les dispersions de Rayleigh i Raman,

Components d’un sistema LIDAR

Normalment, un sistema LIDAR consta de 5 elements que s’espera que siguin presents independentment de les variacions degudes a l’aplicació. Aquests components principals inclouen:

Làser
Escàners i sistema òptic
Processador
Electrònica de sincronització precisa
Unitat de mesura inercial i GPS

1. Làser

El làser serveix com a font d’energia dels polsos de llum. La longitud d'ona del làser desplegat en sistemes LIDAR difereix d'una aplicació a una altra a causa dels requisits específics de determinades aplicacions. Per exemple, els sistemes aerodinàmics LiDAR utilitzen làsers YAG bombats amb díode de 1064 nm, mentre que els sistemes batimètrics utilitzen làsers YAG bombats de díode doble de 532 nm que penetren a l’aigua (fins a 40 metres) amb molta menys atenuació que la versió de 1064 nm. No obstant això, independentment de les aplicacions, els làsers utilitzats solen ser de baixa energia per garantir la seguretat.

2. Escàner i òptica

Els escàners són una part important de qualsevol sistema LIDAR. S’encarreguen de projectar els polsos làser a les superfícies i de rebre els impulsos reflectits des de la superfície. La velocitat a la qual les imatges es desenvolupen mitjançant un sistema LIDAR depèn de la velocitat amb què els escàners capturen els feixos retrodifusos. Independentment de l’aplicació, l’òptica que s’utilitzi en un sistema LIDAR ha de ser d’alta precisió i qualitat per obtenir els millors resultats, especialment per a la cartografia. El tipus de lents, l'elecció específica del vidre, juntament amb els recobriments òptics utilitzats són els principals determinants de la capacitat de resolució i d'abast del LIDAR.

Depenent de l'aplicació, es poden desplegar diversos mètodes d'escaneig per a diferents resolucions. L'exploració d'azimut i elevació i l'escaneig de doble eix són alguns dels mètodes d'escaneig més populars.

3. Processadors

Un processador d’alta capacitat sol estar al centre de qualsevol sistema LIDAR. S'utilitza per sincronitzar i coordinar les activitats de tots els components individuals del sistema LIDAR assegurant-se que tots els components funcionen quan ho haurien de fer. El processador integra les dades de l'escàner, el temporitzador (si no està integrat al subsistema de processament), el GPS i l'IMU per produir les dades del punt LIDAR. Aquestes dades de punts d'elevació s'utilitzen per crear mapes en funció de l'aplicació. Als vehicles sense conductor, les dades puntuals s’utilitzen per proporcionar un mapa de l’entorn en temps real per ajudar els cotxes a evitar obstacles i a la navegació general.

Amb la llum que viatja a una velocitat d’uns 0,3 metres per nanosegons i milers de feixos que normalment es reflecteixen cap a l’escàner, normalment es requereix que el processador sigui d’alta velocitat i amb altes capacitats de processament. Així, els avenços en la potència de processament dels elements informàtics han estat un dels principals motors de la tecnologia LIDAR.

4. Electrònica de sincronització

La sincronització exacta és fonamental en els sistemes LIDAR, ja que tota l’operació es construeix a temps. L’electrònica de sincronització representa el subsistema LIDAR que registra l’hora exacta en què surt un pols làser i l’hora exacta en què torna a l’escàner.

És precisió i no es pot subratllar la precisió. A causa de la reflexió dispersa, els polsos enviats solen tenir múltiples retorns, cadascun dels quals ha de ser temporitzat amb precisió per garantir la precisió de les dades.

5. Unitat de mesura inercial i GPS

Quan un sensor LiDAR està muntat en una plataforma mòbil com ara satèl·lits, avions o automòbils, és necessari determinar la posició absoluta i l'orientació del sensor per retenir les dades útils. Això s’aconsegueix mitjançant l’ús d’un sistema de mesura inercial (IMU) i d’un sistema de posicionament global (GPS). L’IMU sol estar formada per un acceleròmetre, un giroscopi i un magnetòmetre per mesurar la velocitat, l’orientació i les forces gravitatòries, que combinades, s’utilitzen per determinar l’orientació angular (pitch, roll and Yaw) de l’escàner respecte al terra. El GPS, d'altra banda, proporciona informació geogràfica precisa sobre la posició del sensor, permetent així la georeferenciació directa dels punts de l'objecte.Aquests dos components proporcionen el mètode per traduir les dades del sensor a punts estàtics per utilitzar-los en diversos sistemes.

La informació addicional obtinguda mitjançant el GPS i l’IMU és crucial per a la integritat de les dades adquirides i ajuda a garantir que la distància a les superfícies s’estimi correctament, especialment en aplicacions mòbils LIDAR, com ara vehicles autònoms i sistemes d’imaginació basats en avió.

Tipus de LiDAR

Tot i que els sistemes LIDAR es poden classificar en tipus basats en molts factors, hi ha tres tipus genèrics de sistemes LIDAR que són;

Telemetre LIDAR
Absorció diferencial LIDAR
Doppler LIDAR

1. Telemetre LIDAR

Aquests són el tipus més senzill de sistemes LIDAR. S'utilitzen per determinar la distància des de l'escàner LIDAR a un objecte o superfície. Utilitzant el principi del temps de vol descrit a la secció "com funciona", s'utilitza el temps que ha de passar el feix de reflexió per tocar l'escàner per determinar la distància entre el sistema LIDAR i l'objecte.

2. Absorció diferencial LIDAR

Els sistemes LIDAR d’absorció diferencial (de vegades anomenats DIAL), s’utilitzen generalment en la investigació de la presència de certes molècules o materials. Els sistemes DIAL solen disparar feixos làser de dues longituds d'ona que es seleccionen de manera que una de les longituds d'ona sigui absorbida per la molècula d'interès mentre que l'altra longitud d'ona no ho serà. L'absorció d'un dels feixos dóna lloc a una diferència (absorció diferencial) en la intensitat dels feixos de retorn rebuts per l'escàner. Aquesta diferència s’utilitza per deduir el nivell de presència de la molècula que s’està investigant. DIAL s’ha utilitzat per mesurar concentracions químiques (com ara ozó, vapor d’aigua, contaminants) a l’atmosfera.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR s’utilitza per mesurar la velocitat d’un objectiu. Quan els feixos de llum disparats des del LIDAR colpegen un objectiu que es desplaça cap o cap al LIDAR, la longitud d'ona de la llum reflectida / dispersa de l'objectiu canviarà lleugerament. Això es coneix com un desplaçament Doppler - com a resultat, Doppler LiDAR. Si l'objectiu s'allunya del LiDAR, la llum de retorn tindrà una longitud d'ona més gran (de vegades es coneix com un desplaçament cap al vermell), si es mou cap al LiDAR la llum de retorn tindrà una longitud d'ona més curta (el blau es desplaçarà).

Algunes de les altres classificacions en què els sistemes LIDAR s'agrupen en tipus inclouen:

Plataforma
Tipus de retrodifusió

Tipus de LiDAR basats en la plataforma

Utilitzant la plataforma com a criteri, els sistemes LIDAR es poden agrupar en quatre tipus, inclosos;

LIDAR terrestre
LIDAR aerotransportat
LIDAR espacial
Moviment LIDAR

Aquests LIDAR difereixen en la construcció, els materials, la longitud d'ona, la perspectiva i altres factors que se solen seleccionar per adaptar-se a les funcions de l'entorn per al qual s'han de desplegar.

Tipus de LIDAR segons el tipus de retrodifusió

Durant la meva descripció de com funcionen els sistemes LIDAR, he esmentat que la reflexió a LIDAR és mitjançant la retrodifusió. Hi ha diferents tipus de sortides de retrodifusió i de vegades s’utilitzen per descriure el tipus de LIDAR. Entre els tipus de retrodifusió s’inclouen;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescència

Aplicacions de LiDAR

A causa de la seva extrema precisió i flexibilitat, LIDAR té un ampli nombre d'aplicacions, en particular, la producció de mapes d'alta resolució. A més de la topografia, LIDAR s’ha utilitzat en agricultura, arqueologia i en robots, ja que actualment és un dels principals facilitadors de la cursa de vehicles autònoms, sent el principal sensor utilitzat en la majoria de vehicles amb el sistema LIDAR que té un paper similar al de els ulls pels vehicles.

Hi ha centenars d'altres aplicacions de LiDAR i intentarem esmentar-ne tantes com sigui possible a continuació.

Vehicles autònoms
Imatges en 3D
Enquesta de terres
Inspecció de la línia elèctrica
Gestió de Turisme i Parcs
Avaluació ambiental per a la protecció forestal
Modelització d’inundacions
Classificació ecològica i del sòl
Modelització de la contaminació
Exploració de petroli i gas
Meteorologia
Oceanografia
Tot tipus d'aplicacions militars
Planificació de xarxes cel·lulars
Astronomia

Limitacions de LiDAR

LIDAR com qualsevol altra tecnologia té les seves deficiències. L’ abast i la precisió dels sistemes LIDAR es veuen greument afectats en condicions meteorològiques adverses. Per exemple, en condicions de boira, es genera una quantitat significativa de falsos senyals a causa de que els feixos es reflecteixen per la boira. Això sol conduir a l'efecte de dispersió de mie i, com a tal, una gran part del feix disparat no torna a l'escàner. Es produeix un fet similar amb la pluja, ja que les partícules de pluja provoquen retorns falsos.

A part del temps, es pot enganyar els sistemes LIDAR (ja sigui deliberadament o indeliberadament) per pensar que existeix un objecte intermitent amb "llums". Segons un document publicat el 2015, fer passar un simple punter làser al sistema LIDAR muntat en vehicles autònoms podria desorientar els sistemes de navegació del vehicle, donant la impressió de l’existència d’un objecte on no n’hi ha cap. Aquest defecte, especialment en l’aplicació de làsers de vehicles sense conductor, obre moltes preocupacions de seguretat, ja que no trigaran a afegir-se als principis del seu ús en atacs. També podria provocar accidents amb aturades de cotxes de sobte al mig de la carretera si intuïssin el que creien que era un altre cotxe o un vianant.

Avantatges i desavantatges de LiDAR

Per acabar aquest article, probablement hauríem d’examinar els motius pels quals LIDAR podria ser un bon ajust per al vostre projecte i els motius pels quals probablement l’hauríeu d’evitar.

Avantatges

1. Alta velocitat i adquisició precisa de dades

2. Alta penetració

3. No afectat per la intensitat de la llum al seu entorn i es pot utilitzar a la nit o al sol.

4. Imatges d'alta resolució en comparació amb altres mètodes.

5. Sense distorsions geomètriques

6. S'integra fàcilment amb altres mètodes d'adquisició de dades.

7. LIDAR té una dependència humana mínima, cosa que és bona en determinades aplicacions en què l'error humà pot afectar la fiabilitat de les dades.

Desavantatges

1. El cost de LIDAR fa que sigui excessiu per a determinats projectes. LIDAR es descriu millor com a relativament car.

2. Els sistemes LIDAR funcionen malament en condicions de pluja intensa, boira o neu.

3. Els sistemes LIDAR generen grans conjunts de dades que requereixen recursos computacionals elevats per processar.

4. No fiable en aplicacions d'aigua turbulenta.

5. Depenent de la longitud d'ona adoptada, el rendiment dels sistemes LIDAR és d'altitud limitada ja que els impulsos disparats en determinats tipus de LIDAR es tornen ineficaços a determinades altituds.

LIDAR per a aficionats i creadors

A causa del cost dels LIDAR, la majoria dels sistemes LIDAR del mercat (com els LIDAR velodins) s’utilitzen en aplicacions industrials (per reunir totes les aplicacions “no aficionades”).

El sistema LIDAR més proper al "grau d'aficionat" disponible ara mateix són els sensors LiDAR d'estat sòlid iLidar dissenyats per Hybo. És un petit sistema LiDAR capaç de mapear 3D (sense girar el sensor) amb un abast màxim efectiu de 6 metres. El sensor està equipat amb un port USB al costat d’un port UART / SPI / i2C a través del qual es pot establir la comunicació entre el sensor i un microcontrolador.

iLidar va ser dissenyat per adaptar-se a tothom i les funcions associades amb LiDAR el fan atractiu per als fabricants.