ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 542
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
407
LiDAR в космосе
НАСА разработало для международной космической станции инструмент под названием GEDI (исследование динамики глобальной экосистемы), который обеспечивает уникальное трехмерное изображение лесов Земли и помогает предоставить информацию об углеродном цикле, который ранее не был доступен. GEDI предоставляет жизненно важную информацию о влиянии деревьев на количество углерода в атмосфере.
Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранится в лесах, и количество деревьев, которые необходимо посадить, чтобы компенсировать влияние выбросов парниковых газов.
Геодезия
Геодезия является одной из самых известных областей применения технологии. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. При съемке материалы собираются очень быстро, превосходя обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительную погрешность, экономят деньги и позволяют принимать решения быстрее.
При съемке точки преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности.
Археология
Для исследования старых археологических раскопок, здесь Лидар полезен из-за исключительной детализации, которую он может сделать. При этом экономится время, а также усилия археологов, позволяя им
«воскрешать» объекты, которые раньше было практически невозможно создать.
Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя, были созданы двумя археологами с помощью лидара. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий
408
LiDAR Mapping (Карты лидара). При картировании используется лазерная сканирующая система со встроенным инерциальным измерительным блоком (IMU) и приемником GNSS, который позволяет осуществлять географическую привязку каждого измерения или точки.
Каждая точка объединяется с другими для создания трехмерного представления объекта или области.
Карты лидара могут использоваться для определения точности позиционирования.
Материалы LiDAR в форме или облаке точек можно использовать для создания карт целых городов, с точностью до миллиметра. Элементы и объекты, такие как дорожные сети, мосты, растительность, могут быть классифицированы и нанесены на трехмерные карты.
Карты LiDAR также можно использовать для выделения изменений и отклонений, таких как эрозия земли, изменения наклона почвы и рост растительности.
Лидары для автомобилей
Использование лидара на автомобилях без водителя. Как следует из названия, LiDAR работает как радар (радиоволновая навигация, используемая на кораблях и самолетах) и гидролокатор (подводное обнаружение при помощи звука, в основном используемое подводными лодками), хотя он имеет совершенно иные применения, от роботов заводского уровня и автоматических автомобилей, до «картирования» местности и измерений уровня роста лесных массивов.
409
Рис. 16.3 Использование лидара на автомобилях без водителя
Основная идея работы навигационного лидара – автомобиль с автономным управлением испускает лазерные лучи в пространство вокруг себя, они отражаются от различных препятствий и улавливаются специальными приемниками. Время, необходимое для возвращения луча, говорит нам, как далеко находится каждое препятствие от машины. Таким образом, LiDAR создает трехмерное изображение среды вокруг автомобиля.
Причем Lidar реагирует и получает информацию гораздо быстрее, чем любой водитель. Полученные материалы обрабатывает центральный процессор, который на основании заложенных в него алгоритмов управляет автомобилем. Также он на основании местоположения благодаря системе
GPS прокладывает маршрут и движется к точке назначения.
То, что вы видите своими глазами – это трехмерная цветная карта вашего окружения, которую ваш мозг построил в режиме реального времени, используя лучи света, воспринятые вашими глазами. Если бы вы были роботом с парой цифровых камер, прикрепленных к вашей голове, вы могли бы составить себе карту комнаты почти таким же образом, но это было бы не так информативно и полезно. Вы бы не знали, что один объект ближе, чем другой. Как человек, вы знаете эти вещи, потому что ваш мозг обрабатывает
410 визуальную информацию, и анализирует поступающие в него материалы, а у роботов нет «жизненного опыта», так что они находятся в естественном неблагоприятном положении, когда дело доходит до «видения» мира.
Вот почему автономные роботы (например, автономный погрузчик) и автомобили с автоматическим управлением часто предпочитают смотреть на мир по-другому, используя системы LIDAR вместо камер.
Чтобы создать изображение с помощью этой технологии, нужен лазер и что-то, что улавливает отраженный свет. Также необходимо перемещать лазерный луч и заставлять его сканировать все вокруг, вся эта система должна комплектоваться GPS приемником, чтобы Вы могли выяснить свое местоположение.
Как правило, Lidar, состоит из полупроводникового диодного лазера, похожего на тот, который используется в лазерных граверах или проигрывателе компакт-дисков, только более мощного. Вместо того, чтобы излучать видимый свет (длина волны которого составляет около 400 – 700 нм), автомобиль с автоматическим управлением, будет использовать невидимый спектр, близкий к инфракрасному диапазону (около 900 –1100 нм).
В подводных сканерах LIDAR используется зеленый лазерный свет с более короткими длинами волн (около 530 нм) в середине видимого диапазона. Чем дальше лазер лидара должен проникать, тем больше длина волны у него должна быть, потому что свет с большой длиной волны имеет более низкую частоту и меньшую энергию. Самые последние беспилотные автомобили, оснащенные лазерными лидарами с автоматическим приводом, используют волны с длиной 1550 нм для сканирования на расстоянии до 200 метров.
Предыдущие модели, работающие на длине волны 905 нм, сканировали на расстоянии 30 – 40 метров.
Фотоприемник в системе – это своего рода фотоэлемент, изготовленный из арсенида кремния или галлия, который спроектирован с максимальной чувствительностью для любой длины волны, испускаемой
411 лазером. Различные типы детекторов используются в зависимости от диапазона, в котором работает система. Системы ближнего действия обычно используют простые кремниевые фотодиоды. В системах дальнего радиуса действия используются так называемые лавинные фотодиоды (APD). Они работают как детекторы встречного излучения Гейгера, превращая один входящий фотон света в измеримый поток электронов (электрический ток, который можно измерить), так можно обнаружить более низкие уровни света. Сотни APD могут быть встроены в одну микросхему для создания площадки детекторов, называемой многопиксельным счетчиком фотонов
(MPPC).
В современных системах Лидар используются микроскопические движущиеся зеркала, основанные на технологии MEMS (Micro Electro
Mechanical Systems), установленные на микрочипах и аналогичные тем, которые вы найдете в цифровых проекторах, другие типы устройств используют большие зеркала размером с монету.
На практике это выглядит не так громоздко, так как современные лидары имеют тенденцию использовать очень маленькие микроскопические зеркала, основанные на технологии MEMS. Каждый крошечный зеркальный сегмент устанавливается на шарнир, притягиваемый электрически заряженными пластинами.
Данные с лидара могут быть использованы сами по себе или объединены с другими материалами, собранными другими способами:
1. В случае воздушной карты системы обычно используют GPS
(спутниковая навигация).
2. В автомобилях с автоматическим управлением, используется вместе с GPS, бортовыми датчиками (например, акселерометрами, спидометрами), инерциальными системами наведения и гирокомпасами, а также навигационными материалами с сохраненными картами (например, Google
Street View). То, что в итоге получается, называется «облаком точек», трехмерный массив измерений лидара, связанный с конкретными GPS координатами.
412
1 ... 29 30 31 32 33 34 35 36 37
Преимущества Лидар:
1. Высокая скорость и точность сбора.
2. Высокое проникновение.
3. Не зависит от интенсивности света в окружающей среде и может использоваться ночью или на солнце.
4. Высокое разрешение изображения по сравнению с другими методами.
5. Отсутствие геометрических искажений.
6. Легко интегрируется с другими методами сбора.
7. Лидар имеет минимальную зависимость от человека, что хорошо в определенных сферах, где человеческая ошибка стоит дорого.
При работе лазерный луч отражается от поверхностей, возвращается к прибору и улавливается фотоприемником. Частота – до 150 000 импульсов в секунду. Аппарат запоминает время прохождения сигнала, на основе чего формирует координаты предмета в пространстве:
удаленность;
размеры;
геометрические особенности и пр.
Создается точная информация о цели в виде набора 3-мерных точек.
Недостатки Лидар:
1. Стоимость лидара достаточно высока.
2. Системы LIDAR плохо работают в условиях сильного дождя, тумана или снега.
3. Системы LIDAR генерируют большие наборы материалов, которые требуют больших вычислительных ресурсов для обработки.
4. Ненадежные результаты в турбулентных водных условиях.
5. В зависимости от принятой длины волны рабочие характеристики систем ограничены по высоте, поскольку импульсы, генерируемые в определенных типах, становятся неэффективными на определенных высотах.
413
Laser lidar выпускается в 2 основных видах:
Микроимпульсные
– обладают небольшой мощностью и допускаются к использованию без соблюдения особых мер безопасности.
Устройства с высокой энергией излучения, рассчитанные на исследования атмосферы. Они определяют параметры облаков; атмосферное давление; силу ветра; влажность; содержание газов в воздухе.
Независимо от варианта устройства принцип действия лидар основан на применении одних и тех же систем.
Измерение расстояния
В лазерном дальномере используются разные типы лазера.
Распространенные длины волн:
топографические сканеры – 1064 нм;
батиметрические – 532 нм;
наземные коммерческие приборы – 600-1000 нм;
наземное научное оборудование – 1500 нм.
Эти значения выбираются с учетом факторов:
свойства окружающей среды;
отражающая способность изучаемых мест;
чувствительность детектора;
конструктивные требования к технике;
допустимая степень безопасности излучения для зрения.
Сканирование
Для определения не только расстояния, но и обзора цели измеряется множество точек. Методы функционирования сканирующего лидара:
качающееся зеркало – за счет изменения положения зеркала вокруг своей оси удается отсканировать нужную область и сформировать трехмерные данные;
вращающаяся призма – более совершенный метод, в котором исключен недостаток зеркала в виде непостоянной скорости движения, здесь луч скачет по граням призмы и создает ряды точек;
414
вращающееся зеркало – развертка формируется в виде эллиптической кривой, при этом каждая точка сканируется 2 раза;
оптоволоконная подсистема – в отличие от названных механических методов оптоволоконный способ обеспечивает более стабильную геометрию сканирования, поскольку между оптическими каналами оборудования и оптоволокном связи фиксированы.
Ориентация и позиционирование
Подсистема нужна, чтобы для каждой точки измерялось абсолютное значение ее положения в пространстве. Так достигается высокая достоверность измерений, которая используется в дальнейшем на практике.
Контроллер
Все компоненты lidar должны работать согласованно, чтобы генерировать облака точек. Для этого используется система управления, которая выставляет параметры сенсоров и контролирует работу всех элементов.
Хранилище информации
Результаты исследований представляют собой файлы с координатами и дополнительной информацией. Техника способна генерировать большие объемы измерений, поэтому в них предусмотрены собственные накопители, где все значения сохраняются сразу после сбора и цифровой обработки.
16.4 Примеры практического применения связки LiDAR и дронов
Появилась возможность пользоваться системой LiDAR, которую устанавливают на беспилотники, чтобы получилось единое устройство для
3D-картографирования. Систему ScanLook LiDAR серии А устанавливают на летающую платформу DJI Matrice 600, что позволяет получить для работы эффективное, универсальное и точное решение для 3D-зондирования на основе беспилотных технологий.
415
Рис. 16.4 Сканер серии A, установленный на дрон DJI Matrice 600
Моделирование ландшафта
Простейший пример, когда новые технологии могут существенно облегчить и сделать еще эффективнее работу - уборка мусора и грязи.
Известно, что оплата обычно производится за квадратный метр, но расчеты не всегда бывают точны, особенно, если имеется большой разброс мусора, листьев, а на территории также растут кусты и деревья. LiDAR предлагает значительную экономию по сравнению с методами методам наземного исследования.
Рис. 16.5 Сканер серии Revolution, установленный на дрон DJI Matrice 600
LiDAR значительно сокращает различного рода затраты на методы исследования рельефа. Применяя метод дистанционного исследования объектов разного типа, включая траву, листья или деревья, LiDAR может