Cos'è Lidar e come funziona

Le auto senza conducente che erano una delle più grandi fantasie tecnologiche degli anni '90 (alimentate da film precedenti come "The Love Bug" e "Demolition Man"), sono una realtà oggi, grazie all'enorme progresso fatto attorno a diverse tecnologie, in particolare LIDAR.

Cos'è LiDAR?

LIDAR (acronimo di Light Detection and Ranging) è una tecnologia di rilevamento che misura la distanza di un oggetto sparando fasci di luce sull'oggetto e utilizza il tempo e la lunghezza d'onda del raggio di luce riflesso per stimare la distanza e in alcune applicazioni (Laser Imaging), crea una rappresentazione 3D dell'oggetto.

Mentre l'idea alla base del laser può essere fatta risalire al lavoro di EH Synge nel 1930, non fu una cosa fino all'inizio degli anni '60, dopo l'invenzione del laser. Essenzialmente una combinazione di imaging focalizzato sul laser con la capacità di calcolare le distanze utilizzando la tecnica del tempo di volo, ha trovato le sue prime applicazioni in meteorologia, dove è stato utilizzato per misurare le nuvole, e nello spazio, dove è stato utilizzato un altimetro laser per mappare il superficie della luna durante la missione Apollo 15. Da allora, la tecnologia è migliorata ed è stata utilizzata in diverse applicazioni tra cui; rilevamento di attività sismiche, oceanografia, archeologia e navigazione per citarne alcuni.

Come funziona LiDAR

La tecnologia è abbastanza simile a quella del RADAR (navigazione a onde radio utilizzata da navi e aerei) e SONAR (rilevamento di oggetti subacquei e navigazione mediante suono, utilizzata principalmente dai sottomarini) che utilizzano entrambi il principio della riflessione delle onde per il rilevamento di oggetti e la distanza stima. Tuttavia, mentre RADAR si basa sulle onde radio e SONAR si basa sui suoni, LIDAR si basa sui raggi di luce (Laser).

LIDAR utilizza la luce su diverse lunghezze d'onda tra cui; luce ultravioletta, visibile o vicino infrarosso agli oggetti dell'immagine e, in quanto tale, in grado di rilevare tutti i tipi di composizioni di materiali, inclusi; non metalli, rocce, pioggia, composti chimici, aerosol, nuvole e persino singole molecole. I sistemi LIDAR potrebbero emettere fino a 1.000.000 di impulsi luminosi al secondo e utilizzare il tempo impiegato per la riflessione degli impulsi sullo scanner per determinare la distanza alla quale si trovano gli oggetti e le superfici intorno allo scanner. La tecnica utilizzata per la determinazione della distanza è nota come tempo di volo e la sua equazione è riportata di seguito.

Distanza = (velocità della luce x tempo di volo) / 2

Nella maggior parte delle applicazioni, oltre alla semplice misurazione a distanza, viene creata una mappa 3D dell'ambiente / oggetto su cui è stato sparato il raggio di luce. Ciò avviene tramite il fuoco continuo del raggio laser sull'oggetto o sull'ambiente.

È importante notare che, a differenza della riflessione di tipo speculare ottenibile negli specchi piani, la riflessione sperimentata nei sistemi LIDAR è una riflessione retrodiffusa poiché le onde luminose vengono diffuse indietro attraverso la direzione in cui sono venute. A seconda dell'applicazione, i sistemi LIDAR utilizzano diverse varianti di retrodiffusione tra cui Rayleigh e diffusione Raman,

Componenti di un sistema LIDAR

Un sistema LIDAR comprende tipicamente 5 elementi che dovrebbero essere presenti indipendentemente dalle variazioni dovute all'applicazione. Questi componenti principali includono:

Laser
Scanner e sistema ottico
Processore
Elettronica di temporizzazione accurata
Unità di misura inerziale e GPS

1. Laser

Il laser funge da fonte di energia per gli impulsi luminosi. La lunghezza d'onda del laser distribuito nei sistemi LIDAR differisce da un'applicazione all'altra a causa dei requisiti specifici di determinate applicazioni. Ad esempio, i sistemi LiDAR aerotrasportati utilizzano laser YAG pompati a diodi da 1064 nm mentre i sistemi batimetrici utilizzano laser YAG pompati a doppio diodo da 532 nm che penetrano nell'acqua (fino a 40 metri) con un'attenuazione molto inferiore rispetto alla versione a 1064 nm per via aerea. Tuttavia, indipendentemente dalle applicazioni, i laser utilizzati sono generalmente a bassa energia per garantire la sicurezza.

2. Scanner e ottica

Gli scanner sono una parte importante di qualsiasi sistema LIDAR. Sono incaricati di proiettare impulsi laser sulle superfici e di ricevere indietro gli impulsi riflessi dalla superficie. La velocità con cui le immagini vengono sviluppate da un sistema LIDAR dipende dalla velocità con cui gli scanner catturano i raggi retrodiffusi. Indipendentemente dall'applicazione, le ottiche utilizzate in un sistema LIDAR devono essere di alta precisione e qualità per ottenere i migliori risultati soprattutto per la mappatura. Il tipo di lenti, la scelta del vetro specifico, insieme ai rivestimenti ottici utilizzati sono i principali determinanti della risoluzione e delle capacità di portata del LIDAR.

A seconda dell'applicazione, è possibile implementare una varietà di metodi di scansione per diverse risoluzioni. La scansione di azimut e elevazione e la scansione a doppio asse sono alcuni dei metodi di scansione più diffusi.

3. Processori

Un processore ad alta capacità è solitamente il cuore di qualsiasi sistema LIDAR. Viene utilizzato per sincronizzare e coordinare le attività di tutti i singoli componenti del sistema LIDAR assicurando che tutti i componenti funzionino quando dovrebbero. Il processore integra i dati dallo scanner, il timer (se non integrato nel sottosistema di elaborazione), il GPS e l'IMU per produrre i dati del punto LIDAR. Questi dati del punto di elevazione vengono quindi utilizzati per creare mappe a seconda dell'applicazione. In Driverless Cars, i dati dei punti vengono utilizzati per fornire una mappa dell'ambiente in tempo reale per aiutare le auto a evitare gli ostacoli e la navigazione generale.

Con la luce che viaggia a una velocità di circa 0,3 metri per nanosecondi e migliaia di raggi di solito riflessi indietro verso lo scanner, il processore deve essere solitamente ad alta velocità con elevate capacità di elaborazione. Pertanto, i progressi nella potenza di elaborazione degli elementi di calcolo sono stati uno dei principali motori della tecnologia LIDAR.

4. Elettronica di temporizzazione

La tempistica precisa è essenziale nei sistemi LIDAR poiché l'intera operazione è costruita in tempo. L'elettronica di temporizzazione rappresenta il sottosistema LIDAR che registra l'ora esatta in cui un impulso laser lascia e l'ora esatta in cui ritorna allo scanner.

La sua precisione e accuratezza non possono essere enfatizzate. A causa della riflessione diffusa, gli impulsi inviati di solito hanno più ritorni, ciascuno dei quali deve essere sincronizzato con precisione per garantire l'accuratezza dei dati.

5. Unità di misura inerziale e GPS

Quando un sensore LiDAR è montato su una piattaforma mobile come satelliti, aeroplani o automobili, è necessario determinare la posizione assoluta e l'orientamento del sensore per conservare i dati utilizzabili. Ciò si ottiene utilizzando un sistema di misurazione inerziale (IMU) e un sistema di posizionamento globale (GPS). L'IMU di solito comprende un accelerometro, un giroscopio e un magnetometro per misurare la velocità, l'orientamento e le forze gravitazionali, che combinate insieme, vengono utilizzate per determinare l'orientamento angolare (beccheggio, rollio e imbardata) dello scanner rispetto al suolo. Il GPS invece fornisce accurate informazioni geografiche riguardanti la posizione del sensore, consentendo così una georeferenziazione diretta dei punti dell'oggetto.Questi due componenti forniscono il metodo per tradurre i dati del sensore in punti statici da utilizzare in una varietà di sistemi.

Le informazioni aggiuntive ottenute utilizzando il GPS e l'IMU sono cruciali per l'integrità dei dati acquisiti e aiutano a garantire che la distanza dalle superfici sia stimata correttamente, specialmente nelle applicazioni LIDAR mobili come veicoli autonomi e sistemi di immagini basati su Air Plane.

Tipi di LiDAR

Mentre i sistemi LIDAR possono essere classificati in tipi basati su un certo numero di fattori, ci sono tre tipi generici di sistemi LIDAR che lo sono;

Telemetro LIDAR
Assorbimento differenziale LIDAR
Doppler LIDAR

1. Telemetro LIDAR

Questi sono il tipo più semplice di sistemi LIDAR. Sono utilizzati per determinare la distanza dallo scanner LIDAR a un oggetto o una superficie. Utilizzando il principio del tempo di volo descritto nella sezione "come funziona", il tempo impiegato dal raggio di riflessione per colpire lo scanner viene utilizzato per determinare la distanza tra il sistema LIDAR e l'oggetto.

2. Assorbimento differenziale LIDAR

I sistemi LIDAR ad assorbimento differenziale (a volte indicati come DIAL), vengono solitamente utilizzati nello studio della presenza di determinate molecole o materiali. I sistemi DIAL di solito sparano raggi laser di due lunghezze d'onda selezionate in modo tale che una delle lunghezze d'onda sarà assorbita dalla molecola di interesse mentre l'altra non lo sarà. L'assorbimento di uno dei fasci determina una differenza (assorbimento differenziale) nell'intensità dei fasci di ritorno ricevuti dallo scanner. Questa differenza viene quindi utilizzata per dedurre il livello di presenza della molecola in esame. DIAL è stato utilizzato per misurare le concentrazioni chimiche (come ozono, vapore acqueo, agenti inquinanti) nell'atmosfera.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR viene utilizzato per misurare la velocità di un bersaglio. Quando i raggi di luce sparati dal LIDAR colpiscono un bersaglio che si avvicina o si allontana dal LIDAR, la lunghezza d'onda della luce riflessa / diffusa dal bersaglio verrà leggermente modificata. Questo è noto come spostamento Doppler, di conseguenza Doppler LiDAR. Se il bersaglio si sta allontanando dal LiDAR, la luce di ritorno avrà una lunghezza d'onda più lunga (a volte indicata come spostamento verso il rosso), se spostandosi verso il LiDAR la luce di ritorno sarà a una lunghezza d'onda più corta (blu spostato).

Alcune delle altre classificazioni su cui sono raggruppati i sistemi LIDAR in tipi includono:

piattaforma
Tipo di retrodiffusione

Tipi di LiDAR basati sulla piattaforma

Utilizzando la piattaforma come criterio, i sistemi LIDAR possono essere raggruppati in quattro tipi, tra cui;

LIDAR a terra
LIDAR disperso nell'aria
Spaceborne LIDAR
Moto LIDAR

Questi LIDAR differiscono per costruzione, materiali, lunghezza d'onda, prospettiva e altri fattori che di solito vengono selezionati per adattarsi a ciò che funziona nell'ambiente per il quale devono essere impiegati.

Tipi di LIDAR in base al tipo di retrodiffusione

Durante la mia descrizione di come funzionano i sistemi LIDAR, ho menzionato che la riflessione in LIDAR avviene tramite la retrodiffusione. Diversi tipi di uscite di backscattering e talvolta vengono utilizzate per descrivere il tipo di LIDAR. I tipi di retrodiffusione includono;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescenza

Applicazioni di LiDAR

Grazie alla sua estrema precisione e flessibilità LIDAR ha un ampio numero di applicazioni, in particolare, la produzione di mappe ad alta risoluzione. Oltre al rilevamento, il LIDAR è stato utilizzato in agricoltura, archeologia e nei robot poiché è attualmente uno dei principali abilitatori della corsa dei veicoli autonomi, essendo il principale sensore utilizzato nella maggior parte dei veicoli con il sistema LIDAR che svolge un ruolo simile a quello di gli occhi per i veicoli.

Ci sono centinaia di altre applicazioni di LiDAR e cercherò di menzionarne il maggior numero possibile di seguito.

Veicoli autonomi
Immagini 3D
Rilevamento topografico
Ispezione della linea elettrica
Gestione del turismo e dei parchi
Valutazione ambientale per la protezione delle foreste
Modellazione delle inondazioni
Classificazione ecologica e del territorio
Modellazione dell'inquinamento
Esplorazione di petrolio e gas
Meteorologia
Oceanografia
Tutti i tipi di applicazioni militari
Pianificazione della rete cellulare
Astronomia

Limitazioni LiDAR

LIDAR come ogni altra tecnologia ha i suoi difetti. La portata e la precisione dei sistemi LIDAR sono gravemente compromesse in caso di maltempo. Ad esempio, in condizioni di nebbia, viene generata una quantità significativa di falsi segnali a causa dei raggi riflessi dalla nebbia. Questo di solito porta all'effetto di dispersione mie e come tale, la maggior parte del raggio sparato non ritorna allo scanner. Un evento simile si verifica con la pioggia poiché le particelle di pioggia causano ritorni spuri.

A parte le condizioni meteorologiche, i sistemi LIDAR possono essere ingannati (deliberatamente o indeliberatamente) nel pensare che un oggetto esista facendo lampeggiare "luci" su di esso. Secondo un paper pubblicato nel 2015, far lampeggiare un semplice puntatore laser al sistema LIDAR montato su veicoli autonomi potrebbe disorientare i sistemi di navigazione del veicolo, dandogli l'impressione dell'esistenza di un oggetto dove non c'è. Questo difetto, specialmente nell'applicazione dei laser su auto senza conducente, solleva molti problemi di sicurezza poiché non ci vorrà molto perché i ladri di automobili perfezionino il principio per l'uso negli attacchi. Potrebbe anche causare incidenti con auto che si fermano improvvisamente in mezzo alla strada se percepiscono ciò che credono essere un'altra macchina o un pedone.

Vantaggi e svantaggi di LiDAR

Per concludere questo articolo, probabilmente dovremmo esaminare i motivi per cui il tuo LIDAR potrebbe essere adatto al tuo progetto e i motivi per cui probabilmente dovresti evitarlo.

Vantaggi

1. Acquisizione dati precisa e ad alta velocità

2. Alta penetrazione

3. Non è influenzato dall'intensità della luce nel suo ambiente e può essere utilizzato di notte o al sole.

4. Imaging ad alta risoluzione rispetto ad altri metodi.

5. Nessuna distorsione geometrica

6. Si integra facilmente con altri metodi di acquisizione dati.

7. LIDAR ha una dipendenza umana minima che è buona in alcune applicazioni in cui l'errore umano potrebbe influire sull'affidabilità dei dati.

Svantaggi

1. Il costo di LIDAR lo rende eccessivo per alcuni progetti. LIDAR è meglio descritto come relativamente costoso.

2. I sistemi LIDAR hanno prestazioni scarse in condizioni di forte pioggia, nebbia o neve.

3. I sistemi LIDAR generano grandi set di dati che richiedono elevate risorse di calcolo per l'elaborazione.

4. Inaffidabile in applicazioni con acqua turbolenta.

5. A seconda della lunghezza d'onda adottata, le prestazioni dei sistemi LIDAR sono limitate all'altitudine poiché gli impulsi emessi in alcuni tipi di LIDAR diventano inefficaci a determinate altitudini.

LIDAR per hobbisti e produttori

A causa del costo dei LIDAR, la maggior parte dei sistemi LIDAR sul mercato (come i LIDAR velodyne) sono utilizzati in applicazioni industriali (per riunire tutte le applicazioni "non hobbistiche").

Il sistema LIDAR più vicino al "grado hobbistico" disponibile al momento sono i sensori LiDAR a stato solido iLidar progettati da Hybo. Si tratta di un piccolo sistema LiDAR in grado di mappare in 3D (senza ruotare il sensore) con una portata massima effettiva di 6 metri. Il sensore è dotato di una porta USB accanto a una porta UART / SPI / i2C attraverso la quale è possibile stabilire la comunicazione tra il sensore e un microcontrollore.

iLidar è stato progettato per soddisfare tutti e le caratteristiche associate a LiDAR lo rendono attraente per i produttori.