O que é lidar e como funciona

Carros sem motorista, que foram uma das maiores fantasias tecnológicas da década de 1990 (impulsionada por filmes anteriores como “The Love Bug” e “Demolition Man”), são uma realidade hoje, graças ao enorme avanço feito em torno de várias tecnologias, especialmente LIDAR.

O que é LiDAR?

LIDAR (significa Light Detection and Ranging) é uma tecnologia de alcance que mede a distância de um objeto disparando feixes de luz no objeto e usa o tempo e o comprimento de onda do feixe de luz refletido para estimar a distância e em algumas aplicações (Laser Imagem), crie uma representação 3D do objeto.

Embora a ideia por trás do laser possa ser atribuída ao trabalho de EH Synge em 1930, ele não existia até o início dos anos 1960, após a invenção do laser. Essencialmente uma combinação de imagens focadas a laser com a capacidade de calcular distâncias usando a técnica do tempo de vôo, ele encontrou suas primeiras aplicações na meteorologia, onde era usado para medir nuvens, e no espaço, onde um altímetro a laser era usado para mapear o superfície da lua durante a missão Apollo 15. Desde então, a tecnologia foi aprimorada e tem sido usada em diversas aplicações, incluindo; detecção de atividades sísmicas, oceanografia, arqueologia e navegação, para citar alguns.

Como funciona o LiDAR

A tecnologia é bastante semelhante à do RADAR (navegação por ondas de rádio usada por navios e aviões) e SONAR (detecção de objetos subaquáticos e navegação por som, usado principalmente por submarinos) que utilizam o princípio de reflexão de ondas para detecção de objetos e distância estimativa. No entanto, enquanto o RADAR é baseado em ondas de rádio e o SONAR é baseado em sons, o LIDAR é baseado em feixes de luz (Laser).

LIDAR usa luz em diferentes comprimentos de onda, incluindo; luz ultravioleta, visível ou infravermelha próxima para objetos de imagem e é, como tal, capaz de detectar todos os tipos de composições de materiais, incluindo; não metais, rochas, chuva, compostos químicos, aerossóis, nuvens e até moléculas individuais. Os sistemas LIDAR podem disparar até 1.000.000 de pulsos de luz por segundo e usar o tempo necessário para que os pulsos sejam refletidos de volta para o scanner para determinar a distância em que os objetos e superfícies ao redor do scanner estão localizados. A técnica utilizada para a determinação da distância é conhecida como tempo de vôo e sua equação é apresentada a seguir.

Distância = (Velocidade da Luz x Tempo de Voo) / 2

Na maioria das aplicações, além de apenas medição distante, um mapa 3D do ambiente / objeto no qual o feixe de luz foi disparado é criado. Isso é feito através do disparo contínuo do feixe de laser no objeto ou ambiente.

É importante notar que, ao contrário da reflexão do tipo especular obtida em espelhos planos, a reflexão experimentada em sistemas LIDAR é a reflexão retroespalhada à medida que as ondas de luz são difundidas de volta na direção de onde vieram. Dependendo da aplicação, os sistemas LIDAR usam diferentes variações de retroespalhamento, incluindo espalhamento Rayleigh e Raman,

Componentes de um sistema LIDAR

Um sistema LIDAR normalmente compreende 5 elementos que se espera que estejam presentes independentemente das variações devido à aplicação. Esses componentes principais incluem:

Laser
Scanners e sistema ótico
Processador
Eletrônica de temporização precisa
Unidade de medição inercial e GPS

1. Laser

O laser serve como fonte de energia para os pulsos de luz. O comprimento de onda do laser implantado em sistemas LIDAR difere de um aplicativo para outro devido aos requisitos específicos de certos aplicativos. Por exemplo, os sistemas Airborne LiDAR usam lasers YAG bombeados com diodo de 1064 nm, enquanto os sistemas batimétricos usam lasers YAG bombeados com diodo duplo de 532 nm que penetram na água (até 40 metros) com muito menos atenuação do que a versão de 1064 nm no ar. Porém, independentemente das aplicações, os lasers utilizados são geralmente de baixa energia para garantir a segurança.

2. Scanner e óptica

Scanners são uma parte importante de qualquer sistema LIDAR. Eles são responsáveis por projetar pulsos de laser nas superfícies e receber de volta os pulsos refletidos da superfície. A velocidade com que as imagens são desenvolvidas por um sistema LIDAR depende da velocidade com que os scanners capturam os feixes retroespalhados. Independentemente da aplicação, a ótica utilizada em um sistema LIDAR deve ser de alta precisão e qualidade para obter os melhores resultados, principalmente para mapeamento. O tipo de lentes, a escolha específica do vidro, junto com os revestimentos ópticos usados são os principais determinantes da resolução e da capacidade de alcance do LIDAR.

Dependendo do aplicativo, uma variedade de métodos de digitalização podem ser implementados para diferentes resoluções. Varredura de azimute e elevação e varredura de eixo duplo são alguns dos métodos de varredura mais populares.

3. Processadores

Um processador de alta capacidade geralmente está no coração de qualquer sistema LIDAR. É usado para sincronizar e coordenar as atividades de todos os componentes individuais do sistema LIDAR, garantindo que todos os componentes estão funcionando quando deveriam. O processador integra os dados do scanner, o cronômetro (se não estiver embutido no subsistema de processamento), o GPS e o IMU para produzir os dados do ponto LIDAR. Esses dados de ponto de elevação são então usados para criar mapas dependendo da aplicação. Em Carros sem motorista, os dados de ponto são usados para fornecer um mapa do ambiente em tempo real para ajudar os carros a evitar obstáculos e navegação geral.

Com a luz viajando a uma velocidade de cerca de 0,3 metros por nanossegundos e milhares de feixes geralmente refletidos de volta para o scanner, o processador geralmente precisa ser de alta velocidade com alta capacidade de processamento. Portanto, os avanços no poder de processamento de elementos de computação têm sido um dos principais impulsionadores da tecnologia LIDAR.

4. Eletrônica de cronometragem

O tempo preciso é essencial nos sistemas LIDAR, pois toda a operação é construída no prazo. A eletrônica de temporização representa o subsistema LIDAR que registra a hora exata em que um pulso de laser sai e a hora exata em que retorna ao scanner.

Sua precisão e exatidão não podem ser subestimadas. Devido à reflexão espalhada, os pulsos enviados geralmente têm vários retornos, cada um dos quais precisa ser cronometrado com precisão para garantir a precisão dos dados.

5. Unidade de medição inercial e GPS

Quando um sensor LiDAR é montado em uma plataforma móvel, como satélites, aviões ou automóveis, é necessário determinar a posição absoluta e a orientação do sensor para reter os dados utilizáveis. Isso é conseguido pelo uso de um sistema de medição inercial (IMU) e Sistema de Posicionamento Global (GPS). O IMU geralmente é composto de um acelerômetro, giroscópio e um magnetômetro para medir a velocidade, orientação e forças gravitacionais, que combinadas, são usadas para determinar a orientação angular (inclinação, rotação e guinada) do scanner em relação ao solo. O GPS, por outro lado, fornece informações geográficas precisas sobre a posição do sensor, permitindo assim o georreferenciamento direto dos pontos do objeto.Esses dois componentes fornecem o método para converter os dados do sensor em pontos estáticos para uso em uma variedade de sistemas.

As informações extras obtidas usando o GPS e o IMU são cruciais para a integridade dos dados adquiridos e ajudam a garantir que a distância às superfícies seja estimada corretamente, especialmente em aplicativos LIDAR móveis como veículos autônomos e sistemas de imagens baseados em aviões.

Tipos de LiDAR

Embora os sistemas LIDAR possam ser classificados em tipos com base em vários fatores, existem três tipos genéricos de sistemas LIDAR que são;

Telêmetro LIDAR
Absorção diferencial LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Esses são os tipos mais simples de sistemas LIDAR. Eles são usados para determinar a distância do scanner LIDAR a um objeto ou superfície. Usando o princípio do tempo de vôo descrito na seção “como funciona”, o tempo que o feixe de reflexão leva para atingir o scanner é usado para determinar a distância entre o sistema LIDAR e o objeto.

2. Absorção diferencial LIDAR

Os sistemas LIDAR de absorção diferencial (às vezes chamados de DIAL), geralmente são usados na investigação da presença de certas moléculas ou materiais. Os sistemas DIAL geralmente disparam feixes de laser de dois comprimentos de onda que são selecionados de forma que um dos comprimentos de onda seja absorvido pela molécula de interesse, enquanto o outro não. A absorção de um dos feixes resulta em uma diferença (absorção diferencial) na intensidade dos feixes de retorno recebidos pelo scanner. Essa diferença é então usada para deduzir o nível de presença da molécula que está sendo investigada. DIAL tem sido usado para medir concentrações químicas (como ozônio, vapor d'água, poluentes) na atmosfera.

3. Doppler LIDAR

O Doppler LiDAR é usado para medir a velocidade de um alvo. Quando os feixes de luz disparados do LIDAR atingem um alvo se movendo em direção ou longe do LIDAR, o comprimento de onda da luz refletida / espalhada para fora do alvo será ligeiramente alterado. Isso é conhecido como desvio Doppler - como resultado, Doppler LiDAR. Se o alvo estiver se afastando do LiDAR, a luz de retorno terá um comprimento de onda mais longo (às vezes referido como um desvio para o vermelho), se se movendo em direção ao LiDAR, a luz de retorno estará em um comprimento de onda mais curto (azul desviado).

Algumas das outras classificações nas quais os sistemas LIDAR são agrupados em tipos incluem:

Plataforma
Tipo de retroespalhamento

Tipos de LiDAR baseados na plataforma

Usando a plataforma como critério, os sistemas LIDAR podem ser agrupados em quatro tipos, incluindo;

LIDAR terrestre
LIDAR aerotransportado
Spaceborne LIDAR
Motion LIDAR

Esses LIDARs diferem em construção, materiais, comprimento de onda, perspectiva e outros fatores que geralmente são selecionados para se adequar ao que funciona no ambiente para o qual serão implantados.

Tipos de LIDAR com base no tipo de retroespalhamento

Durante minha descrição de como funcionam os sistemas LIDAR, mencionei que a reflexão no LIDAR é por meio de retroespalhamento. Diferentes tipos de saídas de retroespalhamento e às vezes são usados para descrever o tipo de LIDAR. Os tipos de retroespalhamento incluem;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescência

Aplicações de LiDAR

Devido à sua extrema precisão e flexibilidade, o LIDAR possui um grande número de aplicações, em particular, a produção de mapas de alta resolução. Além de agrimensura, o LIDAR tem sido utilizado na agricultura, arqueologia e em robôs, pois é atualmente um dos principais facilitadores da corrida de veículos autônomos, sendo o principal sensor utilizado na maioria dos veículos com o sistema LIDAR desempenhando uma função semelhante à de os olhos para os veículos.

Existem centenas de outras aplicações do LiDAR e tentarei mencionar o maior número possível abaixo.

Veículos Autônomos
Imagens 3D
Levantamento fundiário
Inspeção de linha de força
Gestão de Turismo e Parques
Avaliação Ambiental para Proteção Florestal
Modelagem de Inundação
Classificação Ecológica e Terrestre
Modelagem de Poluição
Exploração de petróleo e gás
Meteorologia
Oceanografia
Todos os tipos de aplicações militares
Planejamento de rede celular
Astronomia

Limitações LiDAR

O LIDAR, como qualquer outra tecnologia, tem suas deficiências. O alcance e a precisão dos sistemas LIDAR são gravemente afetados durante más condições climáticas. Por exemplo, em condições de nevoeiro, uma quantidade significativa de falsos sinais é gerada devido aos feixes sendo refletidos pela névoa. Isso geralmente leva ao efeito de dispersão de mie e, como tal, uma grande parte do feixe disparado não retorna para o scanner. Uma ocorrência semelhante ocorre com a chuva, pois as partículas de chuva causam retornos espúrios.

Além do clima, os sistemas LIDAR podem ser enganados (deliberadamente ou indeliberadamente) para pensar que um objeto existe ao acender "luzes" nele. Segundo artigo publicado em 2015, o disparo de um simples apontador laser no sistema LIDAR montado em veículos autônomos poderia desorientar os sistemas de navegação do veículo, dando a impressão da existência de um objeto onde não existe. Essa falha, especialmente na aplicação de lasers em carros sem motorista, abre muitas preocupações de segurança, pois não demorará muito para os ladrões de carros refinarem o princípio de uso em ataques. Também pode levar a acidentes com carros parando repentinamente no meio da estrada se eles sentirem o que acreditam ser outro carro ou um pedestre.

Vantagens e desvantagens do LiDAR

Para encerrar este artigo, provavelmente devemos examinar as razões pelas quais o LIDAR pode ser uma boa opção para o seu projeto e as razões pelas quais você provavelmente deve evitá-lo.

Vantagens

1. Alta velocidade e aquisição de dados precisos

2. Alta penetração

3. Não é afetado pela intensidade da luz em seu ambiente e pode ser usado à noite ou ao sol.

4. Imagem de alta resolução em comparação com outros métodos.

5. Sem distorções geométricas

6. Integra-se facilmente com outros métodos de aquisição de dados.

7. O LIDAR tem dependência humana mínima, o que é bom em certas aplicações onde o erro humano pode afetar a confiabilidade dos dados.

Desvantagens

1. O custo do LIDAR torna-o um exagero para certos projetos. LIDAR é melhor descrito como relativamente caro.

2. Os sistemas LIDAR funcionam mal em condições de chuva forte, nevoeiro ou neve.

3. Os sistemas LIDAR geram grandes conjuntos de dados que requerem altos recursos computacionais para serem processados.

4. Não confiável em aplicações turbulentas de água.

5. Dependendo do comprimento de onda adotado, o desempenho dos sistemas LIDAR é limitado à altitude, pois os pulsos disparados em certos tipos de LIDARs tornam-se ineficazes em certas altitudes.

LIDAR para amadores e criadores

Devido ao custo dos LIDARs, a maioria dos sistemas LIDAR no mercado (como os LIDARs velodyne) são usados em aplicações industriais (para reunir todas as aplicações “não amadoras”).

O sistema LIDAR mais próximo do “grau de amador” disponível no momento são os sensores LiDAR de estado sólido iLidar projetados pela Hybo. É um pequeno sistema LiDAR capaz de mapeamento 3D (sem girar o sensor) com um alcance máximo efetivo de 6 metros. O sensor é equipado com uma porta USB ao lado de uma porta UART / SPI / i2C por meio da qual a comunicação pode ser estabelecida entre o sensor e um microcontrolador.

O iLidar foi projetado para atender a todos e os recursos associados ao LiDAR o tornam atraente para os fabricantes.