Spis treści:
Czujniki LiDAR, czyli Light Detection and Ranging (wykrywanie światła i odległości) to popularna metoda pomiarowa używana do określania precyzyjnego dystansu obiektu na powierzchni Ziemi. Czym właściwie są? Jak działają i do czego się przydają? Kompleksowy artykuł pomoże Wam zorientować się w tym temacie, o którym słyszy się coraz częściej.
Jak działa technologia LiDAR?
Technologia LiDAR (spotykane zapisy: LIDAR, Lidar) to aktywny, zdalny system czujników, który generuje światło w postaci lasera mierzącego dokładny dystans. Urządzenia oparte na tej metodzie działania mogą przypominać Wam radar, ale fundamentalną różnicą w ich przypadku jest fakt, zamiast mikrofal wykorzystywane jest światło lasera.
Laser wysyła w określonym poprzez układ optyczny bardzo krótkie, dokładnie odmierzone, ale silne impulsy światła o konkretnej długości fali. Po drodze światło to ulega rozproszeniu, które jest obserwowane za pomocą teleskopu znajdującego się w tym samym urządzeniu. Następnie jest ono rejestrowane za pomocą detektora – fotodiody lub fotopowielacza, a także kamer CCD i CMOS – bada się w ten sposób natężenie zaobserwowanego, rozproszonego światła oraz ostatecznie otrzymuje dane.
Dodatkowo różnice w czasie powrotu lasera i długościach fal są używane do tworzenia precyzyjnych, trójwymiarowych reprezentacji i charakterystyk podłoża – mapy-wizualizacji.
Czujnik LiDAR posiada 3 główne komponenty:
- laser – wysyłający impulsy,
- skaner – odbiornik i rejestrator czasu opóźnienia pomiędzy impulsem światła,
- specjalny odbiornik GPS – podaje lokację systemu czujnika LiDAR.
Precyzyjna reprezentacja oferowana przez technologię pozwala na przejrzyste i dokładne dane o strukturze drogi i identyfikację przeszkód w celu uniknięcia kolizji. Oprócz wspomnianego radaru można porównać ją przez pryzmat sonaru, który działa na zasadzie fal dźwiękowych – jest szerzej znany z dzieł kultury np. z łodzi podwodnych. Zarówno radar, jak i sonar nie oferują takiej dokładności jak technologia LiDAR, ponieważ są w stanie wyłącznie określić lokację obiektu, a LiDAR tworzy jego reprezentację 3D. Czyni ją to użyteczną m.in. w autonomicznych pojazdach.
Oto kilka przykładów działania LiDAR:
Zastosowania LiDAR w nauce, przemyśle i rolnictwie
LiDAR to narzędzie do zastosowań cywilnych (komercyjnych), administracyjnych i wojskowych. Rośnie liczba branż we właściwej każdej gałęzi gospodarki i działalności
- Motoryzacja – LiDAR zyskuje na znaczeniu w miarę rozwoju pojazdów autonomicznych. To dodatkowe oko pojazdu, którego rotujące w zakresie 360 stopni wiązki laserowe rozpoznają przeszkodę i pomogą nawigować pojazd tak, aby uniknął zderzenia.
- Agrotechnika – precyzyjna mapa 3D z uwzględnieniem ukształtowania terenu to pomoc dla rolników w określaniu wzniesień, spadków i terenów lepiej nasłonecznionych. Głęboka analiza takich danych pozwoli na maksymalizację plonu, kontrolę chwastów czy wydajniejsze nawożenie.
- Hydrologia, oceanografia – badanie wód zielonym światłem LiDARu pozwala naukowcom, pracownikom cywilnym i wojskowym na precyzyjne mapowanie dna zbiornika pod kątem jego ukształtowania i obecności obiektów niepożądanych (ładunków wybuchowych, wraków, śmieci itp.), a także poznanie głębokości, szerokości i przepływu wody w akwenie na przykład w zadaniach związanych z zarządzaniem kryzysowym.
Typy systemów LiDAR
LiDARy dzielą się na dwa rodzaje zależnie od funkcji.
Lotniczy skaning laserowy (Airborne LiDAR) – instalowany na pokładach statków powietrznych LiDAR jest stosowany w celu zbierania danych i tworzenia modeli 3D obserwowanego krajobrazu. Ich precyzja pozwala na modele z uwzględnieniem ukształtowania lądów, dna morskiego czy dna rzek. Dzieli się on na dwa podtypy: topograficzny i batymetryczny.
Topografia to dział geografii zajmujący się badaniem kształtu i rysów powierzchni Ziemi, a także innych planet i księżyców.
Batymetria to dział hydrologii zajmujący się pomiarami głębokości cieków i zbiorników wodnych.
Opis dział geografii zajmujący się badaniem kształtu i rysów powierzchni Ziemi lub innych planet, księżyców.
Naziemny skaning laserowy (Terrestrial LiDAR, TLS) – te systemy są nierzadko stacjonarne w przeciwieństwie do lotniczych. Mogą być jednak instalowane na poruszających się pojazdach lub trójnogach. Używa się ich m.in. w topografii konwencjonalnej, badaniu i dokumentowaniu spuścizny kulturowej społeczności danego obszaru, obserwacji dróg czy analizie infrastruktury. Dzielą się zatem zgodnie z przeznaczeniem na stacjonarne i mobilne.
Przykłady sensorów LiDAR
Laserowy czujnik odległości Lidar TF Luna
Laserowy czujnik odległości Lidar TF Luna – 8m – UART/I2C to precyzyjny czujnik laserowy mogący dokonać pomiaru odległości w zakresie od 0,2 m do 8 m z dokładnością 0,06 m. Lidar TF Luna komunikuje się poprzez interfejsy UART lub I2C.
Benewake jest jedną z najbardziej rozpoznawalnych firm produkujących czujniki wysokiej jakości. Są wykorzystywane nie tylko w pojazdach autonomicznych, ale również w dronach, inteligentnych domach oraz w robotach. Jednym z priorytetów firmy jest poddawanie sprzętu rygorystycznym testom przed ich trafieniem do sprzedaży. Urządzenia posiadają certyfikaty gwarantujące bezpieczeństwo i niezawodność. A tutaj akurat widzimy malucha o naprawdę sporych możliwościach.
Metodę działania znacie już z poprzednich akapitów – Luna emituje fale bliskie podczerwieni, które odbijają się od najbliższego przedmiotu napotkanego na ich drodze. Następnie dokonuje pomiaru czasu lotu fali i oblicza odległość między sobą a wykrytym obiektem. Pobiera zaledwie do 0,35 W mocy, waży 5 gramów i ma poręczne wymiary 35 x 21,25 x 13,5 mm. Nie wymaga wiele – jest zasilana napięciem 5 V.
Laserowy czujnik odległości Lidar TF02 Pro IP65 - 40m - UART/I2C
Laserowy czujnik odległości Lidar TF02 Pro IP65 – 40m – UART/I2C jest dokładniejszy i bardziej dalekosiężny niż poprzedniczka – dokonuje pomiaru w zakresie od 0,1 m do 40 m z dokładnością 0,05 m. Napięcie zasilania wynosi od 5 V do 12 V. Urządzenie komunikuje się poprzez interfejs UART oraz I2C. Posiada obudowę z klasą szczelności na poziomie IP65. Częstotliwość skanowania wynosi do 100 Hz. Pozwala to na wykrywanie odległości w czasie rzeczywistym z częstotliwością odświeżenia 100 razy na sekundę. Dzięki specjalnemu układowi optycznemu i algorytmowi produkt jest odporny na zakłócenia pochodzące od światła otoczenia, przepływu powietrza oraz elektronów, co zapewnia wysoką dokładność danych. Masa to 50 g z przewodem. Więcej informacji znajdziecie na stronie produktu.
Czujnik odległości Leddar M16
Leddar M16 – 100m 95° to bestia z wyższej półki cenowej przywodząca na myśl swoją nazwą i wyglądem zastosowania militarne. Składa się z 16 modułów. Charakteryzuje się szybkim i dokładnym pomiarem w zakresie od 0 do 100 m z dokładnością do 5 cm oraz emisją wiązki w zakresie 95°. Pewny przyjaciel od DFRobot waży 180 g, pobiera 4 W i poradzi sobie – przeciwnie do karabinu M16 – prawie w każdych warunkach. Cały moduł jest wyposażony w oprogramowanie Leddar Enabler SDK, zawiera biblioteki .NET oraz C++, a także przykładowy kod programu dla RS-485 / MODBUS zarówno dla systemu Windows, jak i Linux oraz przykłady integracji z graficznymi środowiskami programistycznymi.
Wszystkie skanery laserowe w ofercie Botland znajdziecie w tej kategorii sklepu.
Na zakończenie proponujemy bliskie spotkanie z intellisaurusem – robotem, który potrafi chodzić i rozumie asystentów głosowych Alexa i Google dzięki połączeniu Raspberry Pi, Arduino oraz technologii LiDAR. Materiał trwa około 4 minut.
