Was ist Lidar und wie funktioniert es?

Fahrerlose Autos, die eine der größten technologischen Fantasien der neunziger Jahre waren (angetrieben von früheren Filmen wie „The Love Bug“ und „Demolition Man“), sind heute dank der enormen Fortschritte bei verschiedenen Technologien, insbesondere bei LIDAR, Realität.

Was ist LiDAR?

LIDAR (steht für Light Detection and Ranging) ist eine Entfernungsmessungstechnologie, die die Entfernung eines Objekts durch Abfeuern von Lichtstrahlen auf das Objekt misst und die Zeit und Wellenlänge des reflektierten Lichtstrahls zur Schätzung der Entfernung und in einigen Anwendungen verwendet (Laser) Imaging) erstellen Sie eine 3D-Darstellung des Objekts.

Während die Idee hinter dem Laser auf die Arbeit von EH Synge im Jahr 1930 zurückgeführt werden kann, war dies erst in den frühen 1960er Jahren nach der Erfindung des Lasers der Fall. Im Wesentlichen eine Kombination aus laserfokussierter Bildgebung mit der Fähigkeit, Entfernungen mithilfe der Flugzeittechnik zu berechnen, fand es seine frühesten Anwendungen in der Meteorologie, wo es zur Messung von Wolken verwendet wurde, und im Weltraum, wo ein Laserhöhenmesser zur Kartierung der Wolken verwendet wurde Mondoberfläche während der Apollo 15-Mission. Seitdem hat sich die Technologie verbessert und wurde in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter: Erkennung von seismischen Aktivitäten, Ozeanographie, Archäologie und Navigation, um nur einige zu nennen.

Wie funktioniert LiDAR?

Die Technologie ist der von RADAR (von Schiffen und Flugzeugen verwendete Funkwellennavigation) und SONAR (Unterwasserobjekterkennung und -navigation mit Schall, hauptsächlich von U-Booten) sehr ähnlich, die beide das Prinzip der Wellenreflexion zur Objekterkennung und Entfernung verwenden Einschätzung. Während RADAR auf Radiowellen und SONAR auf Tönen basiert, basiert LIDAR auf Lichtstrahlen (Laser).

LIDAR verwendet Licht über verschiedene Wellenlängen, einschließlich; ultraviolettes, sichtbares oder nahes Infrarotlicht, um Objekte abzubilden und als solches in der Lage zu sein, alle Arten von Materialzusammensetzungen zu erfassen, einschließlich; Nichtmetalle, Gesteine, Regen, chemische Verbindungen, Aerosole, Wolken und sogar einzelne Moleküle. LIDAR-Systeme können bis zu 1.000.000 Lichtimpulse pro Sekunde auslösen und anhand der Zeit, die die Impulse zum Scanner zurückreflektieren, die Entfernung bestimmen, in der sich Objekte und Oberflächen um den Scanner herum befinden. Die für die Entfernungsbestimmung verwendete Technik ist als Flugzeit bekannt und ihre Gleichung ist unten angegeben.

Entfernung = (Lichtgeschwindigkeit x Flugzeit) / 2

In den meisten Anwendungen wird außer der Fernmessung eine 3D-Karte der Umgebung / des Objekts erstellt, auf die bzw. den der Lichtstrahl abgefeuert wurde. Dies erfolgt durch kontinuierliches Abfeuern des Laserstrahls auf das Objekt oder die Umgebung.

Es ist wichtig zu beachten, dass im Gegensatz zu der Spiegelreflexion, die in ebenen Spiegeln erzielt werden kann, die in LIDAR-Systemen erlebte Reflexion eine rückgestreute Reflexion ist, wenn die Lichtwellen durch die Richtung zurück diffundieren, in die sie gekommen sind. Je nach Anwendung verwenden LIDAR-Systeme unterschiedliche Variationen der Rückstreuung, einschließlich Rayleigh- und Raman-Streuung.

Komponenten eines LIDAR-Systems

Ein LIDAR-System besteht typischerweise aus 5 Elementen, von denen erwartet wird, dass sie unabhängig von Abweichungen aufgrund der Anwendung vorhanden sind. Diese Hauptkomponenten umfassen:

Laser
Scanner und Optiksystem
Prozessor
Genaue Timing-Elektronik
Trägheitsmesseinheit und GPS

1. Laser

Der Laser dient als Energiequelle für die Lichtimpulse. Die Wellenlänge des in LIDAR-Systemen eingesetzten Lasers unterscheidet sich von Anwendung zu Anwendung aufgrund der spezifischen Anforderungen bestimmter Anwendungen. Zum Beispiel verwenden Airborne LiDAR-Systeme 1064 nm diodengepumpte YAG-Laser, während Bathymetric-Systeme 532 nm doppelt diodengepumpte YAG-Laser verwenden, die Wasser (bis zu 40 m) mit viel geringerer Dämpfung durchdringen als die airborne 1064 nm-Version. Unabhängig von den Anwendungen sind die verwendeten Laser jedoch normalerweise energiearm, um die Sicherheit zu gewährleisten.

2. Scanner und Optik

Scanner sind ein wichtiger Bestandteil jedes LIDAR-Systems. Sie sind dafür verantwortlich, Laserpulse auf Oberflächen zu projizieren und die reflektierten Impulse von der Oberfläche zurück zu empfangen. Die Geschwindigkeit, mit der Bilder von einem LIDAR-System entwickelt werden, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Scanner die zurückgestreuten Strahlen erfassen. Unabhängig von der Anwendung muss die in einem LIDAR-System verwendete Optik von hoher Präzision und Qualität sein, um insbesondere für die Abbildung die besten Ergebnisse zu erzielen. Die Art der Linsen, die spezifische Glasauswahl sowie die verwendeten optischen Beschichtungen sind wichtige Determinanten für die Auflösung und die Entfernungsfähigkeit des LIDAR.

Je nach Anwendung können verschiedene Scanmethoden für unterschiedliche Auflösungen eingesetzt werden. Azimut- und Höhenabtastung sowie Zweiachsenabtastung sind einige der beliebtesten Scanmethoden.

3. Prozessoren

Ein Prozessor mit hoher Kapazität ist normalerweise das Herzstück eines jeden LIDAR-Systems. Es wird verwendet, um die Aktivitäten aller einzelnen Komponenten des LIDAR-Systems zu synchronisieren und zu koordinieren, um sicherzustellen, dass alle Komponenten funktionieren, wenn sie sollten. Der Prozessor integriert die Daten vom Scanner, dem Timer (falls nicht in das Verarbeitungssubsystem integriert), dem GPS und der IMU, um die LIDAR-Punktdaten zu erzeugen. Diese Höhenpunktdaten werden dann verwendet, um je nach Anwendung Karten zu erstellen. In fahrerlosen Autos werden die Punktdaten verwendet, um eine Echtzeitkarte der Umgebung bereitzustellen, die den Autos bei der Vermeidung von Hindernissen und der allgemeinen Navigation hilft.

Bei einer Lichtgeschwindigkeit von etwa 0,3 Metern pro Nanosekunde und Tausenden von Strahlen, die normalerweise zum Scanner zurückreflektiert werden, muss der Prozessor normalerweise eine hohe Geschwindigkeit mit hohen Verarbeitungsfähigkeiten aufweisen. Daher war der Fortschritt in der Verarbeitungsleistung von Computerelementen einer der Haupttreiber der LIDAR-Technologie.

4. Timing-Elektronik

In LIDAR-Systemen ist ein genaues Timing von entscheidender Bedeutung, da der gesamte Vorgang pünktlich aufgebaut ist. Die Zeitsteuerungselektronik stellt das LIDAR-Subsystem dar, das die genaue Zeit aufzeichnet, die ein Laserpuls verlässt, und die genaue Zeit, zu der er zum Scanner zurückkehrt.

Die Präzision und Genauigkeit kann nicht genug betont werden. Aufgrund der gestreuten Reflexion weisen ausgesendete Impulse normalerweise mehrere Rückgaben auf, von denen jede genau zeitgesteuert werden muss, um die Genauigkeit der Daten sicherzustellen.

5. Trägheitsmesseinheit und GPS

Wenn ein LiDAR-Sensor auf einer mobilen Plattform wie Satelliten, Flugzeugen oder Automobilen montiert ist, müssen die absolute Position und die Ausrichtung des Sensors bestimmt werden, um verwendbare Daten zu erhalten. Dies wird durch die Verwendung eines Trägheitsmesssystems (IMU) und eines Global Positioning System (GPS) erreicht. Die IMU besteht normalerweise aus einem Beschleunigungsmesser, einem Gyroskop und einem Magnetometer zum Messen der Geschwindigkeit, Orientierung und Gravitationskräfte, die zusammen verwendet werden, um die Winkelorientierung (Neigung, Rolle und Gieren) des Scanners relativ zum Boden zu bestimmen. Das GPS hingegen liefert genaue geografische Informationen zur Position des Sensors und ermöglicht so eine direkte Georeferenzierung der Objektpunkte.Diese beiden Komponenten bieten die Möglichkeit, Sensordaten in statische Punkte für die Verwendung in einer Vielzahl von Systemen zu übersetzen.

Die zusätzlichen Informationen, die mithilfe von GPS und IMU erhalten werden, sind für die Integrität der erfassten Daten von entscheidender Bedeutung und tragen dazu bei, dass die Entfernung zu Oberflächen korrekt geschätzt wird, insbesondere in mobilen LIDAR-Anwendungen wie autonomen Fahrzeugen und Air Plane-basierten Imagin-Systemen.

Arten von LiDAR

Während LIDAR-Systeme anhand einer Reihe von Faktoren in Typen eingeteilt werden können, gibt es drei generische Typen von LIDAR-Systemen:

Entfernungsmesser LIDAR
Differenzielle Absorption LIDAR
Doppler LIDAR

1. Entfernungsmesser LIDAR

Dies sind die einfachsten Arten von LIDAR-Systemen. Sie werden verwendet, um den Abstand vom LIDAR-Scanner zu einem Objekt oder einer Oberfläche zu bestimmen. Mithilfe des im Abschnitt „Funktionsweise“ beschriebenen Flugzeitprinzips wird die Entfernung zwischen dem LIDAR-System und dem Objekt anhand der Zeit ermittelt, die der Reflexionsstrahl benötigt, um auf den Scanner zu treffen.

2. Differenzielle Absorption LIDAR

Differentialabsorptions-LIDAR-Systeme (manchmal auch als DIAL bezeichnet) werden normalerweise zur Untersuchung des Vorhandenseins bestimmter Moleküle oder Materialien verwendet. DIAL-Systeme feuern normalerweise Laserstrahlen mit zwei Wellenlängen ab, die so ausgewählt sind, dass eine der Wellenlängen von dem interessierenden Molekül absorbiert wird, während die andere Wellenlänge nicht absorbiert wird. Die Absorption eines der Strahlen führt zu einem Unterschied (differentielle Absorption) in der Intensität der vom Scanner empfangenen Rückstrahlen. Dieser Unterschied wird dann verwendet, um den Grad der Anwesenheit des untersuchten Moleküls abzuleiten. DIAL wurde verwendet, um chemische Konzentrationen (wie Ozon, Wasserdampf, Schadstoffe) in der Atmosphäre zu messen.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR wird verwendet, um die Geschwindigkeit eines Ziels zu messen. Wenn vom LIDAR abgefeuerte Lichtstrahlen auf ein Ziel treffen, das sich zum LIDAR hin oder von diesem weg bewegt, ändert sich die Wellenlänge des vom Ziel reflektierten / gestreuten Lichts geringfügig. Dies ist als Doppler-Verschiebung bekannt - daher Doppler LiDAR. Wenn sich das Ziel vom LiDAR wegbewegt, hat das Rücklicht eine längere Wellenlänge (manchmal als Rotverschiebung bezeichnet). Wenn es sich zum LiDAR bewegt, hat das Rücklicht eine kürzere Wellenlänge (Blauverschiebung).

Einige der anderen Klassifikationen, auf denen LIDAR-Systeme in Typen gruppiert sind, umfassen:

Plattform
Art der Rückstreuung

LiDAR-Typen basierend auf der Plattform

Unter Verwendung der Plattform als Kriterium können LIDAR-Systeme in vier Typen eingeteilt werden, darunter:

Bodengestützter LIDAR
Airborne LIDAR
Weltraumgestützter LIDAR
Motion LIDAR

Diese LIDARs unterscheiden sich in Konstruktion, Material, Wellenlänge, Ausblick und anderen Faktoren, die normalerweise entsprechend der Funktionsweise in der Umgebung ausgewählt werden, für die sie eingesetzt werden sollen.

Arten von LIDAR basierend auf der Art der Rückstreuung

Während meiner Beschreibung der Funktionsweise von LIDAR-Systemen erwähnte ich, dass die Reflexion in LIDAR über Rückstreuung erfolgt. Verschiedene Arten von Rückstreuungsausgängen und manchmal auch die Beschreibung des LIDAR-Typs. Arten der Rückstreuung umfassen;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluoreszenz

Anwendungen von LiDAR

Aufgrund seiner extremen Genauigkeit und Flexibilität hat LIDAR eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere die Herstellung hochauflösender Karten. Neben der Vermessung wurde LIDAR in der Landwirtschaft, in der Archäologie und in Robotern eingesetzt, da es derzeit einer der Hauptfaktoren für das autonome Fahrzeugrennen ist. Es ist der wichtigste Sensor, der in den meisten Fahrzeugen verwendet wird, wobei das LIDAR-System eine ähnliche Rolle spielt wie das von die Augen für die Fahrzeuge.

Es gibt Hunderte anderer Anwendungen von LiDAR und wird versuchen, so viele wie möglich unten zu erwähnen.

Autonome Fahrzeuge
3D-Bildgebung
Landvermessung
Inspektion der Stromleitung
Tourismus- und Parkmanagement
Umweltprüfung für den Waldschutz
Hochwassermodellierung
Ökologische & Landklassifikation
Modellierung der Umweltverschmutzung
Öl- und Gasexploration
Meteorologie
Ozeanographie
Alle Arten von militärischen Anwendungen
Zellennetzwerkplanung
Astronomie

LiDAR-Einschränkungen

LIDAR hat wie jede andere Technologie seine Mängel. Die Reichweite und Genauigkeit von LIDAR-Systemen wird bei schlechten Wetterbedingungen stark beeinträchtigt. Beispielsweise wird unter nebligen Bedingungen eine signifikante Menge falscher Signale erzeugt, weil Strahlen vom Nebel reflektiert werden. Dies führt normalerweise zu einem Mie-Streueffekt, und als solcher kehrt ein Großteil des abgefeuerten Strahls nicht zum Scanner zurück. Ein ähnliches Ereignis tritt bei Regen auf, da Regenpartikel falsche Rückflüsse verursachen.

Abgesehen vom Wetter können LIDAR-Systeme (absichtlich oder unabsichtlich) getäuscht werden, um zu glauben, dass ein Objekt existiert, indem „Lichter“ darauf blinken. Gemäß einem Papier im Jahr 2015 veröffentlicht wurde, einen einfachen Laserpointer an der LIDAR - System blinkt montiert auf autonome Fahrzeuge könnten die Navigationssysteme des Fahrzeugs desorientieren, den Eindruck von der Existenz eines Objekts geben, wo es keine gibt. Dieser Fehler, insbesondere bei der fahrerlosen Anwendung von Lasern in Autos, wirft viele Sicherheitsbedenken auf, da Carjacker nicht lange brauchen, um das Prinzip für die Verwendung bei Angriffen zu verfeinern. Es könnte auch zu Unfällen mit Autos führen, die plötzlich mitten auf der Straße anhalten, wenn sie spüren, was sie für ein anderes Auto oder einen Fußgänger halten.

Vor- und Nachteile von LiDAR

Zum Abschluss dieses Artikels sollten wir uns wahrscheinlich die Gründe ansehen, warum Sie mit LIDAR gut zu Ihrem Projekt passen könnten, und die Gründe, warum Sie es wahrscheinlich vermeiden sollten.

Vorteile

1. Hohe Geschwindigkeit und genaue Datenerfassung

2. Hohe Penetration

3. Wird von der Lichtintensität in seiner Umgebung nicht beeinflusst und kann nachts oder in der Sonne verwendet werden.

4. Hochauflösende Bildgebung im Vergleich zu anderen Methoden.

5. Keine geometrischen Verzerrungen

6. Einfache Integration in andere Datenerfassungsmethoden.

7. LIDAR weist eine minimale Abhängigkeit vom Menschen auf, was in bestimmten Anwendungen gut ist, in denen menschliches Versagen die Zuverlässigkeit von Daten beeinträchtigen kann.

Nachteile

1. Die Kosten für LIDAR machen es für bestimmte Projekte übertrieben. LIDAR wird am besten als relativ teuer beschrieben.

2. LIDAR-Systeme arbeiten bei starkem Regen, Nebel oder Schnee schlecht.

3. LIDAR-Systeme generieren große Datenmengen, für deren Verarbeitung hohe Rechenressourcen erforderlich sind.

4. Unzuverlässig bei turbulenten Wasseranwendungen.

5. Abhängig von der verwendeten Wellenlänge ist die Leistung von LIDAR-Systemen in der Höhe begrenzt, da die in bestimmten Arten von LIDARs abgefeuerten Impulse in bestimmten Höhen unwirksam werden.

LIDAR für Bastler und Macher

Aufgrund der Kosten für LIDARs werden die meisten LIDAR-Systeme auf dem Markt (wie die Velodyne-LIDARs) in industriellen Anwendungen verwendet (um alle „Nicht-Hobby-Anwendungen“ zusammenzuführen).

Das derzeit verfügbare LIDAR-System für Hobbyisten sind die von Hybo entwickelten iLidar- Festkörper-LiDAR-Sensoren. Es ist ein kleines LiDAR-System, das 3D-Mapping (ohne Drehen des Sensors) mit einer effektiven maximalen Reichweite von 6 Metern ermöglicht. Der Sensor ist neben einem UART / SPI / i2C-Anschluss mit einem USB-Anschluss ausgestattet, über den die Kommunikation zwischen dem Sensor und einem Mikrocontroller hergestellt werden kann.

iLidar wurde für jeden entwickelt und ist aufgrund der mit LiDAR verbundenen Funktionen für Hersteller attraktiv.