- LiDAR là gì?
- LiDAR hoạt động như thế nào
- Các thành phần của hệ thống LIDAR
- Các loại LiDAR
- Các loại LiDAR dựa trên Nền tảng
- Các loại LIDAR dựa trên loại tán xạ ngược
- Các ứng dụng của LiDAR
- Hạn chế của LiDAR
- Ưu điểm và nhược điểm của LiDAR
- LIDAR cho Người theo sở thích và Người làm
Những chiếc xe không người lái vốn là một trong những tưởng tượng công nghệ lớn nhất của những năm 1990 (được thúc đẩy bởi những bộ phim trước đó như "The Love Bug" và "Demolition Man"), ngày nay đã trở thành hiện thực, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc của một số công nghệ, đặc biệt là LIDAR.
LiDAR là gì?
LIDAR (viết tắt của Light Detection and Ranging) là một công nghệ đo khoảng cách của một đối tượng bằng cách bắn chùm ánh sáng vào đối tượng và sử dụng thời gian và bước sóng của chùm ánh sáng phản xạ để ước tính khoảng cách và trong một số ứng dụng (Laser Hình ảnh), tạo một biểu diễn 3D của Đối tượng.
Mặc dù ý tưởng đằng sau laser có thể được bắt nguồn từ công trình nghiên cứu của EH Synge vào năm 1930, nhưng mãi đến đầu những năm 1960, sau khi phát minh ra laser mới thành hiện thực. Về cơ bản là sự kết hợp giữa hình ảnh lấy nét bằng laser với khả năng tính toán khoảng cách bằng cách sử dụng kỹ thuật thời gian bay, nó đã tìm thấy các ứng dụng sớm nhất của nó trong Khí tượng học, nơi nó được sử dụng để đo các đám mây và trong Không gian, nơi máy đo độ cao laser được sử dụng để lập bản đồ bề mặt mặt trăng trong sứ mệnh Apollo 15. Kể từ đó, công nghệ đã được cải tiến và được sử dụng trong các ứng dụng đa dạng bao gồm; phát hiện các hoạt động địa chấn, hải dương học, khảo cổ học và hàng hải để đề cập đến một số.
LiDAR hoạt động như thế nào
Công nghệ này khá giống với RADAR (định vị bằng sóng vô tuyến được sử dụng bởi tàu và máy bay) và SONAR (phát hiện và điều hướng đối tượng dưới nước bằng âm thanh, chủ yếu được sử dụng bởi tàu ngầm), cả hai đều sử dụng nguyên tắc phản xạ của sóng để phát hiện đối tượng và khoảng cách ước lượng. Tuy nhiên, trong khi RADAR dựa trên sóng vô tuyến và SONAR dựa trên âm thanh, LIDAR dựa trên chùm ánh sáng (Laser).
LIDAR sử dụng ánh sáng trên các bước sóng khác nhau bao gồm; ánh sáng tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại đối với các đối tượng hình ảnh và của nó, như vậy, có thể phát hiện tất cả các loại thành phần vật chất, bao gồm; phi kim loại, đá, mưa, hợp chất hóa học, sol khí, mây và thậm chí cả các phân tử đơn lẻ. Hệ thống LIDAR có thể kích hoạt tới 1.000.000 xung ánh sáng mỗi giây và sử dụng thời gian cần thiết để các xung được phản xạ trở lại máy quét để xác định khoảng cách tại đó các đối tượng và bề mặt xung quanh máy quét. Kỹ thuật được sử dụng để xác định khoảng cách được gọi là thời gian bay và phương trình của nó được đưa ra bên dưới.
Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng x Thời gian bay) / 2
Trong hầu hết các ứng dụng, không chỉ đo xa, bản đồ 3D của môi trường / vật thể mà tại đó chùm ánh sáng được chiếu vào được tạo ra. Điều này được thực hiện thông qua việc bắn liên tục chùm tia laze vào vật thể hoặc môi trường.
Điều quan trọng cần lưu ý là, trái ngược với phản xạ kiểu đặc biệt có thể thu được trong gương phẳng, phản xạ trải nghiệm trong hệ thống LIDAR là phản xạ tán xạ ngược khi các sóng ánh sáng được khuếch tán trở lại theo hướng mà chúng đến. Tùy thuộc vào ứng dụng, hệ thống LIDAR sử dụng các biến thể khác nhau của tán xạ ngược bao gồm tán xạ Rayleigh và Raman,
Các thành phần của hệ thống LIDAR
Một hệ thống LIDAR thường bao gồm 5 yếu tố dự kiến sẽ có mặt bất kể các biến thể do ứng dụng. Các thành phần chính này bao gồm:
- Tia laze
- Hệ thống máy quét và quang học
- Bộ xử lý
- Điện tử thời gian chính xác
- Đơn vị đo lường quán tính và GPS
1. Laser
Laser đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng cho các xung ánh sáng. Bước sóng của laser được triển khai trong các hệ thống LIDAR khác nhau giữa các ứng dụng này do các yêu cầu cụ thể của các ứng dụng nhất định. Ví dụ, hệ thống LiDAR trong không khí sử dụng laser YAG bơm điốt 1064 nm trong khi hệ thống Bathymetric sử dụng laser YAG bơm điốt kép 532nm xuyên qua nước (lên đến 40 mét) với độ suy giảm ít hơn nhiều so với phiên bản 1064nm trong không khí. Tuy nhiên, bất kể ứng dụng nào, tia laser được sử dụng thường có năng lượng thấp để đảm bảo an toàn.
2. Máy quét và Quang học
Máy quét là một phần quan trọng của bất kỳ hệ thống LIDAR nào. Chúng có nhiệm vụ chiếu các xung laser đến các bề mặt và nhận lại các xung phản xạ từ bề mặt. Tốc độ hình ảnh được phát triển bởi hệ thống LIDAR phụ thuộc vào tốc độ mà máy quét thu được các chùm tán xạ ngược. Bất kể ứng dụng nào, quang học được sử dụng trong hệ thống LIDAR phải có độ chính xác và chất lượng cao để thu được kết quả tốt nhất, đặc biệt là cho việc lập bản đồ. Loại thấu kính, lựa chọn kính cụ thể, cùng với lớp phủ quang học được sử dụng là những yếu tố quyết định chính đến độ phân giải và khả năng phạm vi của LIDAR.
Tùy thuộc vào ứng dụng, nhiều phương pháp quét có thể được triển khai cho các độ phân giải khác nhau. Quét theo phương vị và độ cao, và quét trục kép là một số phương pháp quét phổ biến nhất.
3. Bộ xử lý
Bộ xử lý dung lượng cao thường là trung tâm của bất kỳ hệ thống LIDAR nào. Nó được sử dụng để đồng bộ hóa và phối hợp các hoạt động của tất cả các thành phần riêng lẻ của hệ thống LIDAR đảm bảo tất cả các thành phần đều hoạt động khi chúng cần. Bộ xử lý tích hợp dữ liệu từ máy quét, bộ đếm thời gian (nếu không được tích hợp trong hệ thống con xử lý), GPS và IMU để tạo ra dữ liệu điểm LIDAR. Các dữ liệu điểm độ cao này sau đó được sử dụng để tạo bản đồ tùy thuộc vào ứng dụng. Trong Ô tô không người lái, dữ liệu điểm được sử dụng để cung cấp bản đồ thời gian thực về môi trường nhằm giúp ô tô tránh chướng ngại vật và điều hướng chung.
Với ánh sáng truyền đi với tốc độ khoảng 0,3metres trên nano giây và hàng nghìn chùm tia thường phản xạ trở lại máy quét, bộ xử lý thường được yêu cầu có tốc độ cao với khả năng xử lý cao. Do đó, những tiến bộ trong khả năng xử lý của các phần tử máy tính là một trong những động lực chính của công nghệ LIDAR.
4. Thời gian Điện tử
Thời gian chính xác là điều cốt yếu trong hệ thống LIDAR vì toàn bộ hoạt động được xây dựng đúng giờ. Điện tử thời gian đại diện cho hệ thống con LIDAR ghi lại thời gian chính xác mà một xung laser rời đi và thời gian chính xác nó quay trở lại máy quét.
Đó là độ chính xác và độ chính xác không thể được nhấn mạnh. Do phản xạ phân tán, các xung được gửi đi thường có nhiều lần trả về, mỗi xung cần được tính thời gian chính xác để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.
5. Đơn vị đo lường quán tính và GPS
Khi một cảm biến LiDAR được gắn trên một nền tảng di động như vệ tinh, máy bay hoặc ô tô, cần phải xác định vị trí tuyệt đối và hướng của cảm biến để giữ lại dữ liệu có thể sử dụng được. Điều này đạt được bằng cách sử dụng hệ thống đo lường quán tính (IMU) và Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). IMU thường bao gồm một gia tốc kế, con quay hồi chuyển và một từ kế để đo vận tốc, định hướng và lực hấp dẫn, được kết hợp với nhau, được sử dụng để xác định hướng góc (Pitch, roll và Yaw) của máy quét so với mặt đất. Mặt khác, GPS cung cấp thông tin địa lý chính xác về vị trí của cảm biến, do đó cho phép tham chiếu địa lý trực tiếp của các điểm đối tượng.Hai thành phần này cung cấp phương pháp chuyển dữ liệu cảm biến thành các điểm tĩnh để sử dụng trong nhiều hệ thống khác nhau.
Thông tin bổ sung thu được bằng cách sử dụng GPS và IMU rất quan trọng đối với tính toàn vẹn của dữ liệu thu được và nó giúp đảm bảo ước tính chính xác khoảng cách đến các bề mặt, đặc biệt là trong các ứng dụng LIDAR di động như Xe tự hành và Hệ thống tưởng tượng dựa trên Máy bay.
Các loại LiDAR
Trong khi hệ thống LIDAR có thể được phân loại thành các loại dựa trên khá nhiều yếu tố, thì có ba loại Hệ thống LIDAR chung là;
- Công cụ tìm phạm vi LIDAR
- Sự hấp thụ khác biệt LIDAR
- Doppler LIDAR
1. Range Finder LIDAR
Đây là loại hệ thống LIDAR đơn giản nhất. Chúng được sử dụng để xác định khoảng cách từ máy quét LIDAR đến một vật thể hoặc bề mặt. Bằng cách sử dụng nguyên lý thời gian bay được mô tả trong phần “cách hoạt động”, thời gian cần thiết để chùm phản xạ chiếu vào máy quét được sử dụng để xác định khoảng cách giữa hệ thống LIDAR và vật thể.
2. Hấp thụ vi sai LIDAR
Hệ thống LIDAR hấp thụ khác biệt (đôi khi được gọi là DIAL), thường được sử dụng để khảo sát sự hiện diện của một số phân tử hoặc vật liệu. Hệ thống DIAL thường bắn ra các chùm tia laze có hai bước sóng được chọn theo cách mà một trong các bước sóng sẽ được phân tử quan tâm hấp thụ trong khi bước sóng còn lại thì không. Sự hấp thụ của một trong các chùm tia dẫn đến sự khác biệt (hấp thụ vi sai) về cường độ của chùm tia hồi mà máy quét nhận được. Sự khác biệt này sau đó được sử dụng để suy ra mức độ hiện diện của phân tử đang được khảo sát. DIAL đã được sử dụng để đo nồng độ hóa chất (như ozone, hơi nước, chất ô nhiễm) trong khí quyển.
3. Doppler LIDAR
Doppler LiDAR được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu. Khi chùm ánh sáng được bắn ra từ LIDAR chạm vào một mục tiêu đang di chuyển tới hoặc đi khỏi LIDAR, bước sóng của ánh sáng phản xạ / phân tán ra khỏi mục tiêu sẽ bị thay đổi một chút. Đây được gọi là sự thay đổi Doppler - kết quả là Doppler LiDAR. Nếu mục tiêu đang di chuyển ra khỏi LiDAR, ánh sáng quay lại sẽ có bước sóng dài hơn (đôi khi được gọi là sự dịch chuyển màu đỏ), nếu di chuyển về phía LiDAR, ánh sáng quay lại sẽ có bước sóng ngắn hơn (chuyển dịch màu xanh lam).
Một số phân loại khác mà hệ thống LIDAR được nhóm thành các loại bao gồm:
- Nền tảng
- Loại tán xạ ngược
Các loại LiDAR dựa trên Nền tảng
Sử dụng nền tảng làm tiêu chí, các hệ thống LIDAR có thể được nhóm thành bốn loại bao gồm;
- LIDAR trên mặt đất
- LIDAR trên không
- LIDAR trên không gian
- LIDAR chuyển động
Các LIDAR này khác nhau về cấu tạo, vật liệu, bước sóng, triển vọng và các yếu tố khác thường được lựa chọn để phù hợp với công trình trong môi trường mà chúng sẽ được triển khai.
Các loại LIDAR dựa trên loại tán xạ ngược
Trong phần mô tả của tôi về cách hệ thống LIDAR hoạt động, tôi đã đề cập rằng phản xạ trong LIDAR là thông qua tán xạ ngược. Các loại lối thoát tán xạ ngược khác nhau và đôi khi nó được sử dụng để mô tả loại LIDAR. Các loại tán xạ ngược bao gồm;
- Mie
- Rayleigh
- Raman
- Huỳnh quang
Các ứng dụng của LiDAR
Do độ chính xác và tính linh hoạt cao, LIDAR có nhiều ứng dụng, đặc biệt là sản xuất bản đồ độ phân giải cao. Cũng như khảo sát, LIDAR đã được sử dụng trong nông nghiệp, khảo cổ học và trong robot vì nó hiện là một trong những công cụ hỗ trợ chính của cuộc đua xe tự hành, là cảm biến chính được sử dụng trong hầu hết các phương tiện có hệ thống LIDAR thực hiện một vai trò tương tự như mắt cho các phương tiện.
Có hàng trăm ứng dụng khác của LiDAR và sẽ cố gắng đề cập nhiều nhất có thể bên dưới.
- Xe tự hành
- Hình ảnh 3D
- Trắc địa
- Kiểm tra đường dây điện
- Quản lý Du lịch và Công viên
- Đánh giá môi trường để bảo vệ rừng
- Lập mô hình lũ lụt
- Sinh thái & Phân loại đất
- Mô hình ô nhiễm
- Thăm dò Dầu khí
- Khí tượng học
- Hải dương học
- Tất cả các loại ứng dụng quân sự
- Lập kế hoạch mạng di động
- Thiên văn học
Hạn chế của LiDAR
LIDAR giống như mọi công nghệ khác đều có những thiếu sót của nó. Các phạm vi và tính chính xác của hệ thống LIDAR đang ảnh hưởng xấu đến trong điều kiện thời tiết xấu. Ví dụ, trong điều kiện Sương mù, một lượng đáng kể tín hiệu sai được tạo ra do các chùm tia bị phản xạ bởi sương mù. Điều này thường dẫn đến hiệu ứng tán xạ mie và như vậy, một phần lớn chùm tia bắn ra không quay trở lại máy quét. Một sự cố tương tự cũng xảy ra với mưa khi các hạt mưa gây ra phản ứng giả.
Bên cạnh thời tiết, hệ thống LIDAR có thể bị đánh lừa (cố tình hoặc cố ý) để nghĩ rằng một vật thể tồn tại bằng cách nhấp nháy "đèn" vào nó. Theo một bài báo xuất bản vào năm 2015, việc nhấp nháy một con trỏ laser đơn giản vào hệ thống LIDAR gắn trên xe tự hành có thể làm mất phương hướng của hệ thống định vị của xe, khiến nó có cảm giác về sự tồn tại của một vật thể ở nơi không có. Lỗ hổng này đặc biệt là trong ứng dụng laser trên ô tô không người lái, mở ra rất nhiều lo ngại về an ninh vì sẽ không mất nhiều thời gian để những kẻ cướp xe tinh chỉnh nguyên tắc này để sử dụng trong các cuộc tấn công. Nó cũng có thể dẫn đến tai nạn với những chiếc xe ô tô dừng đột ngột giữa đường nếu họ cảm nhận được đâu là xe khác hoặc người đi bộ.
Ưu điểm và nhược điểm của LiDAR
Để kết thúc bài viết này, chúng ta có lẽ nên xem xét lý do tại sao bạn LIDAR có thể phù hợp với dự án của bạn và lý do tại sao bạn có thể nên tránh nó.
Ưu điểm
1. Thu thập dữ liệu chính xác và tốc độ cao
2. Thâm nhập cao
3. Không bị ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng trong môi trường của nó và có thể được sử dụng vào ban đêm hoặc dưới ánh nắng mặt trời.
4. Hình ảnh độ phân giải cao so với các phương pháp khác.
5. Không có biến dạng hình học
6. Dễ dàng tích hợp với các phương pháp thu thập dữ liệu khác.
7. LIDAR có sự phụ thuộc tối thiểu vào con người, điều này tốt trong các ứng dụng nhất định mà lỗi của con người có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của dữ liệu.
Nhược điểm
1. Chi phí của LIDAR khiến nó trở nên quá mức cần thiết đối với một số dự án nhất định. LIDAR được mô tả là tương đối đắt tiền.
2. Hệ thống LIDAR hoạt động kém trong điều kiện mưa lớn, sương mù hoặc tuyết.
3. Hệ thống LIDAR tạo ra các tập dữ liệu lớn đòi hỏi tài nguyên tính toán cao để xử lý.
4. Không đáng tin cậy trong các ứng dụng nước rối.
5. Tùy thuộc vào bước sóng được sử dụng, hiệu suất của hệ thống LIDAR bị giới hạn ở độ cao vì các xung được bắn trong một số loại LIDAR nhất định trở nên vô hiệu ở một số độ cao nhất định.
LIDAR cho Người theo sở thích và Người làm
Do chi phí của LIDAR, hầu hết các hệ thống LIDAR trên thị trường (như LIDAR của velodyne) được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp (để tập hợp tất cả các ứng dụng “không theo sở thích”).
Gần nhất với “lớp hobbyist” hệ thống LIDAR có sẵn ngay bây giờ là các iLidar cảm biến Solid-State LiDAR được thiết kế bởi Hybo. Nó là một hệ thống LiDAR nhỏ có khả năng lập bản đồ 3D (không cần xoay cảm biến) với phạm vi hiệu quả tối đa là 6 mét. Cảm biến được trang bị cổng USB cùng với cổng UART / SPI / i2C, qua đó có thể thiết lập giao tiếp giữa cảm biến và vi điều khiển.
iLidar được thiết kế để phù hợp với mọi người và các tính năng liên quan đến LiDAR khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các nhà sản xuất.