Лидары это: Что такое технология ЛиДАР и как она работает?

Содержание

Что такое технология ЛиДАР и как она работает?

ЛиДАР, или обнаружение света и определение расстояния до точки, является популярным методом дистанционного зондирования, используемым для измерения точного расстояния до объекта на поверхности земли, используя световые волны. Аббревиатура ЛиДАР (LiDAR) расшифровывается как Свет и Радар (Light Detection and Ranging). Несмотря на то, что впервые ЛиДАР был использован в 1960-х годах, когда лазерные сканеры устанавливались на самолеты, заслуженную популярность он получил только двадцать лет спустя.

В 1980-х годах, после внедрения GPS, ЛиДАР стал популярным методом расчета точных геопространственных измерений. Таким образом, хотя радар не является старшим братом или двоюродным братом Лидара, но этимологически они буквально неотделимы.

Теперь, когда его сфера применения распространилась на множество областей, мы должны больше знать о технологии лидарного картографирования и о том, как она работает. Вот несколько идей по этому поводу, которые полезно знать.

Лидарная технология

По данным Американского института геонаук, ЛиДАР использует импульсный лазер для вычисления переменных расстояний объекта от поверхности земли. Эти световые импульсы, объединенные с информацией, собранной бортовой системой, генерируют точную 3D—информацию о поверхности земли и целевом объекте.

Лидарный прибор состоит из трех основных компонентов — сканера, лазера и GPS-приемника. Другими элементами, которые играют жизненно важную роль в сборе и анализе данных, являются фотоприемник и оптика. Большинство государственных и частных организаций используют вертолеты, беспилотные летательные аппараты и самолеты для получения лидарных данных.

Типы лидарных систем

Лидарные системы делятся на два типа в зависимости от их функциональности — бортовые лидары и наземные ЛиДАРы.

Бортовой ЛиДАР

Бортовой ЛиДАР устанавливается на вертолете или беспилотном летательном аппарате для сбора данных. Как только он активирован, бортовой ЛиДАР излучает свет в направлении поверхности земли, который возвращается к датчику сразу после попадания на объект, давая точное измерение расстояния. Бортовой ЛиДАР далее делится на два типа — топографический лидар и батиметрический лидар.

Топографический ЛиДАР: Используется в основном для мониторинга и картографирования топографии региона. Таким образом, он находит свое применение в геоморфологии, городском планировании, ландшафтной экологии, прибрежной инженерии, геодезической оценке и т.д.

Батиметрический ЛиДАР: Батиметрические ЛиДАРы используются для измерения глубины водных объектов. При батиметрической съемке ЛиДАРом инфракрасный свет отражается обратно к самолету от поверхности суши и воды, в то время как дополнительный зеленый лазер проходит через толщу воды. Батиметрическая информация имеет решающее значение вблизи береговых линий, в гаванях, а также вблизи берегов и отмелей. Батиметрическая информация также используется для определения местоположения объектов на дне океана.

Наземный ЛиДАР

В отличие от воздушных, наземные лидарные системы устанавливаются на движущихся транспортных средствах или штативах на поверхности земли для сбора точного облака точек, которое помогает в высокоточной идентификации объектов. Они довольно часто используются для наблюдения за автомагистралями, анализа инфраструктуры или даже сбора облаков точек внутри и снаружи зданий. Это также находит свое применение в геодезии и создании 3D-моделирования. Наземные лидарные системы бывают двух типов — мобильные лидары и статические лидары.

Мобильный: в основном используется для анализа инфраструктуры и наблюдения за дорогами. Мобильные лидарные системы в основном включают датчики, камеру и GPS.

Статический: более портативен и удобен в использовании. Он собирает облако точек из фиксированного местоположения и используется в горном деле и археологии.

Другие классификации

DIAL: ЛиДАР с дифференциальным поглощением. В основном он используется для измерения содержания озона в нижних слоях атмосферы.

Рамановский ЛиДАР: используется для профилирования водяного пара и аэрозоля.

Ветровой ЛиДАР: используется для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью. Данные о ветре традиционно собирались с большими трудностями из-за множества точек измерения, приводящих к неточностям. С помощью ЛиДАРа можно измерить скорость, направление ветра, а также турбулентность

Космический ЛиДАР: Потенциал ЛиДАРа распространяется и за пределы земли. Ведущие космические агентства, включая НАСА, используют ЛиДАР для обнаружения и слежения.

Лидар HSRL: бортовой ЛиДАР НАСА с высоким спектральным разрешением (HSRL) используется для характеристики облаков и мелких частиц в атмосфере, называемых аэрозолями. С бортовой платформы команда ученых HSRL анализирует размер, состав, распределение и движение аэрозоля.

Прибор HSRL — это инновационная технология, похожая на радар; однако в случае ЛиДАРа радиоволны заменяются лазерным излучением.

Метод HSRL использует спектральное распределение обратного сигнала ЛиДАРа для различения аэрозольных и молекулярных сигналов и, таким образом, независимого измерения поглощения аэрозоля и обратного рассеяния.

Как работает ЛиДАР?

ЛиДАР работает по простому принципу — направьте лазерный луч на объект на поверхности земли и рассчитайте время, необходимое для возврата к источнику ЛиДАРа.

Учитывая скорость, с которой распространяется свет (приблизительно 186 000 миль в секунду), процесс измерения точного расстояния с помощью ЛиДАРа кажется невероятно быстрым. Формула, которую аналитики используют для определения точного расстояния до объекта, выглядит следующим образом:

Расстояние до объекта=(Скорость света х время полета)/ 2

ЛиДАР может быть использован для достижения многих целей развития. Ниже приведены некоторые из сфер применения:

Океанография

Когда власти хотят знать точную глубину поверхности океана, чтобы определить местонахождение какого-либо объекта в случае аварии на море или в исследовательских целях, они используют лидарную технологию для выполнения своей миссии.

Помимо определения местоположения объектов, ЛиДАР также используется для расчета флуоресценции фитопланктона и биомассы на поверхности океана, что в противном случае является очень сложной задачей.

Цифровая модель высот или рельефа местности

Рельеф местности играет решающую роль при строительстве дорог, крупных зданий и мостов.

Лидарная технология имеет координаты x, y и z, что невероятно упрощает создание 3D-модели высот, чтобы заинтересованным сторонам было легче делать необходимые выводы.

Сельское хозяйство и археология

Типичные области применения лидарной технологии в сельском хозяйстве включают анализ показателей урожайности, разведку посевов и распределение семян. Помимо этого, он также используется для планирования кампаний, составления карт под пологом леса и многого другого.

Помимо упомянутых выше приложений, ЛиДАР используется учеными-геологами для раскрытия секретов, связанных с геоморфологией, а также военными для проведения различных операций по обеспечению безопасности вблизи национальных границ.

Что такое LiDAR: принцип работы системы лидар, применение и перспективы технологии

21 декабря 2022

8 мин. на чтение

Советы и помощь Разное

Наверняка все, кто следил за линейкой устройств от Apple, обратили внимание на то, что в самых дорогих моделях появились сенсоры Lidar. Широко разрекламирована их возможность помогать в съемке более качественных фото, но что это за технология и для чего еще она нужна? Давайте разбираться.

Содержание

Что такое лидар (LiDAR)?
Принцип работы лидара
Где используют LiDAR

LiDAR в быту
Зачем лидар в смартфонах и планшетах
Перспективы развития технологи лидар

Сам по себе лидар — это технология, активно использующаяся в геодезии и картографии. Она позволяет строить трехмерные модели и различные карты, будь то различные строительные объекты или природная окружающая среда.

Само слово lidar расшифровывается как Light Identification Detection and ranging — то есть измерение расстояний с помощью света. Это название неспроста звучит схоже со словом «радар» — принцип действия устройств очень схож, но в лидарах используются волны оптического диапазона (то есть световые лучи), а в радарах — радиоволны.

Впервые технология начала применяться еще в 60-е годы — тогда в сканерах lidar использовались лазеры, а сами устройства с этой технологией устанавливали на самолеты. Полноценно развернуть использование Lidar удалось лишь в 80-е, когда полученные с помощью сканеров данные можно было соотнести с информацией из систем GPS.

Рассказать о том, как работает лидар, достаточно просто: в каком-то смысле технологию можно описать как «бумеранг». В основе работы устройств типа lidar сканер лежит использование лазерных лучей. Сканер выпускает луч, который отражается от впереди стоящего объекта и возвращается в сканер. Зная скорость света (299 792 458 метров в секунду), они могут рассчитать, какое расстояние прошел луч до того, как отразился от объекта и вернулся в сканер. Обычно лидарные датчики могут генерировать по 1 000 000 таких импульсов в секунду, создавая таким образом массив точек, из которых в дальнейшем и строятся различные карты и модели.

То есть лидар — это, простыми словами, лазерный дальномер.

Он составляет точные карты местности из набора координат, которые получает во время расчета траектории лазерных лучей, выпущенных из специального сканера.

Фото: Wired.co.uk

Сейчас технология лидар по-прежнему чаще всего используется для географических нужд и создания точных моделей и трехмерных карт местности. Хотя лидарами пользуются не только картографы, но и те ученые, кто изучает атмосферные явления. Например, климатологам LiDAR позволяет определять состав атмосферы и проводить исследование облаков, испарений, и на основе этих данных строить прогнозы по глобальному потеплению. Океанографы пользуются профессиональным лазерным дальномером для отслеживания береговой эрозии, а ботаники с помощью лидаров следят за состоянием лесов на Земле.

Фото: Oceanservice.noaa.gov

LiDAR отлично подходит для изучения газового состава атмосферы, потому что разные газы поглощают лазерные лучи с различной интенсивностью. И запустив луч с самолета с определенной высоты и зная, на каком уровне находится поверхность в этой точке, принцип работы лидара позволяет узнать, какие газы преобладают в этом конкретном месте.

Такое использование лидара уже называют DiAL, то есть LiDAR с дифференциальным поглощением.

Также лидарами пользуются полицейские! То, что часто называют «полицейским радаром», на деле оказывается лазерным сканером, с помощью которого хранители правопорядка определяют нарушителей скоростного режима. Подобные портативные приборы чаще всего используют длину волны 905 нм, что является дешевым, безопасным и эффективным решением.

Помимо профессионального применения, точные датчики иногда используются и в более приземленных задачах. На основе данных с систем LiDAR строятся 3D-модели, проводятся 3D-сканирования различных объектов, а специалисты измеряют длину участков для кадастровых служб.

Фото: Oceanservice.noaa.gov

Но для чего нужен лидар в повседневной жизни? На самом деле, мы сталкиваемся с лидарами сильно чаще, чем может показаться. Помимо уже упомянутых полицейских со скоростными лидарами и приборов для измерения расстояний (при кадастровых работах), лидары встречаются и в технике, которой мы ежедневно пользуемся.

Например, сегодня система мониторинга лидар встраивается в частные умные дома. Там лидары рассматриваются в качестве альтернативы другим датчикам, определяющими передвижение в пространстве.

А прямо сейчас системы LiDAR уже давно устанавливают на продвинутые модели роботов-пылесосов, что позволяет им создавать точную карту стен и препятствий, которые могут встретиться во время уборки квартиры. На практике это выглядит как отдельный блок, вращающийся на 360 градусов, — он-то и занимается лазерным сканированием. Впрочем, тут есть один забавный казус: лидар плохо справляется с зеркалами, поскольку принимает их не за препятствие, а за еще одно пространство.

По похожему принципу работают и лидары в умных автомобилях. Яндекс еще в 2021 году оснастил все свои беспилотные машины лидарами собственной разработки, что позволяет авто хорошо ориентироваться в местности, сверяя полученную с датчика информацию с установленным программным обеспечением и данными GPS-системы. При этом современный датчик lidar позволяет заблаговременно узнать обо всех происходящих событиях — например, лидар от «Яндекса» распознает легковые автомобили за 200 метров, а грузовые — за 500.

Фото: Википедия, Shvicha

На разработку собственного LiDAR у Яндекса ушло более двух с половиной лет, однако в итоге у них получилось устройство, лишенное подвижных частей. Это позволяет сохранять его работоспособность на более длительный период. Аналогичные датчики ставит на свои беспилотные автомобили и Mercedes-Benz, только немецкий производитель решил не сам разрабатывать решение, а заказал его у компании Luminar Technologies.

В 2020 году в устройствах apple впервые появились датчики LiDAR — это были модели iPad Pro и iPhone 12 Pro/Pro Max. До сих пор наличие сенсора лидар является прерогативой высшего сегмента устройств калифорнийской компании. С помощью этого датчика некоторые функции девайсов выходят на совершенно новый уровень качества.

Так, например, сильно повышается естественность фотографий с эффектом боке. Именно LiDAR помогает объектам на переднем плане быть в идеальном фокусе — на телефонах без этого сенсора волосы, части ушей и другие небольшие объекты могут быть проигнорированы алгоритмом и затеряются на общем фоне. А благодаря применению лазерных дальномеров в айфонах детализация и качество таких фото значительно выросли.

Помимо боке, LiDAR также используется для улучшения ночных изображений. Так, в уже существующих моделях iPhone Pro и iPad Pro с лидаром скорость автофокуса и наведения в ночное время увеличивается в шесть раз, что позволяет сделать больше качественных фото без сбитого фокуса.

Устройства с поддержкой LiDAR также позволяют повысить точность измерения таких инструментов, как виртуальная линейка и дальномер. Каждый владелец современных iPhone и iPad может точно узнать габариты своей квартиры, вымерять длину и высоту стен и даже измерить кривизну пола. Точность полученных данных позволяет использовать эту информацию в настоящем строительстве и сэкономить на покупке дополнительного оборудования или услугах специалистов с помощью стандартных приложений apple.

Фото: yablyk.com

Серьезной перспективой для развития и еще более широкого использования технологии LiDAR является дополненная реальность.

Также известная как AR, в отличие от полностью виртуальной реальности она базируется на работе с реальным изображением, а для точного определения объектов в пространстве сенсоры LiDAR гораздо лучше подходят, чем обработка информации с помощью нейросетей.

Это уже сейчас можно увидеть на примере той же техники Apple — компания развивает свое AR-направление еще с 2017 года, и особенно хорошо оно работает именно на устройствах с сенсорами LiDAR. Встроенные датчики способны измерять расстояние до объектов в пределах пяти метров, а затем объединять полученные данные с помощью систем компьютерного зрения.

С каждым крупным обновлением операционной системы Apple стремится представить и новый функционал для AR, в том числе развивая набор утилит для разработчиков ARKit. Вместе с выходом устройств с LiDAR компания как раз добавила в него возможность получать данные с помощью датчика лидар, что сильно улучшило качество отображения виртуальных объектов на экране смартфона.

Распространению LiDAR отчасти мешает высокая стоимость таких девайсов. В профессиональной технике используются точные сенсоры, и стоимость одной единицы может доходить до 800–1200 долларов. В бытовую технику, где дальность измерений существенно ниже, как и необходимость в точности, можно ставить датчики стоимостью до 100 долларов, но даже в случае с iPhone премиальных сегментов это практически одна десятая от его цены.

Если в будущем технология станет заметно дешевле, то и количество использующих ее производителей возрастет. А пока даже инноватор Илон Маск не спешит устанавливать LiDAR в свои автомобили Tesla: по заявлениям бизнесмена, это дорогая и бессмысленная технология, которую полностью сможет заменить набор камер и компьютерное зрение. Впрочем, пока что даже у автопилота Tesla случаются осечки.

Любите делиться своим мнением о технике? Тогда напишите обзор товара в «Эльдоблоге» и получите до 1000 бонусов на новые покупки!

Редакция Эльдоблога

1568

Вам также понравятся

Лучшее за неделю

Что такое LiDAR и почему LiDAR

LiDAR – это метод дистанционного обнаружения и измерения дальности, который работает так же, как радар, испуская импульсы инфракрасного света вместо радиоволн и измеряя, сколько времени требуется, чтобы они вернулись после столкновения с близлежащими объектами. Время между выходным лазерным импульсом и отраженным импульсом позволяет датчику LiDAR точно рассчитать расстояние до каждого объекта на основе скорости света. LiDAR каждую секунду фиксирует миллионы таких точных точек измерения расстояния, из которых можно создать трехмерную матрицу окружающей среды. Информация о положении, форме и поведении объектов может быть получена из этого всеобъемлющего картографирования окружающей среды.

Транспортные средства всех типов используют LiDAR, чтобы определить, какие препятствия находятся поблизости и как далеко они находятся. 3D-карты, предоставляемые компонентами LiDAR, не только для обнаружения и позиционирования объектов, но и для определения того, что они из себя представляют. Информация, полученная с помощью LiDAR, также помогает компьютерной системе автомобиля прогнозировать, как будут вести себя объекты, и соответствующим образом корректировать вождение автомобиля.

Полуавтономные и полностью автономные транспортные средства используют комбинацию сенсорных технологий. Этот набор датчиков включает Radar , который обеспечивает постоянное измерение расстояния и скорости, а также превосходные всепогодные характеристики, но ему не хватает разрешения и возникают проблемы с отображением более мелких деталей на больших расстояниях. Camera Vision , также широко используемая в автомобилях и мобильных приложениях, предоставляет информацию с высоким разрешением в 2D. Однако существует сильная зависимость от мощного искусственного интеллекта и соответствующего программного обеспечения для преобразования захваченных данных в трехмерные интерпретации. Условия окружающей среды и освещения могут существенно повлиять на технологию видеокамеры.

LiDAR, напротив, предлагает точные данные трехмерных измерений на коротких и больших расстояниях, даже в сложных погодных условиях и условиях освещения. Эту технологию можно комбинировать с другими сенсорными данными, чтобы обеспечить более надежное представление как статических, так и движущихся объектов в окружении автомобиля.

Таким образом, технология LiDAR стала очень доступным решением, позволяющим обнаруживать препятствия, избегать их и безопасно перемещаться в различных средах на различных транспортных средствах. Сегодня LiDAR используются во многих важных автомобильных и транспортных приложениях, включая усовершенствованные системы помощи водителю и автономное вождение.

Ключевые преимущества LiDAR

Разрешение и точность :

LiDAR мгновенно генерирует огромное количество измерений с точностью до сантиметра

3D Mapping интерпретировать окружающую среду
Производительность при слабом освещении :
LiDAR не зависит от изменений окружающего освещения и хорошо работает в любых условиях низкой освещенности;
Скорость:
Данные LiDAR представляют собой прямые измерения расстояния, которые не нужно расшифровывать или интерпретировать, что обеспечивает более высокую производительность и снижает требования к обработке.
«LiDAR предлагает надежные, удобные для компьютера данные в виде точных измерений. Вот почему каждый серьезный участник гонки беспилотных автомобилей считает, что лазерный датчик является незаменимым компонентом полностью роботизированного автомобиля, которому не нужен руль или человеческая рука».

Алекс Дэвис, Wired.com
Благодаря своей уникальной способности обеспечивать надежное обнаружение и дальность действия на коротких и больших расстояниях технология LiDAR используется во многих отраслях и приложениях. Автономное вождение требует, чтобы LiDAR дополнял и дополнял существующий набор автомобильных датчиков (т. е. технологии Camera Vision, Radar и Ultrasonic), создавая новые, быстрорастущие возможности для распространения LiDAR с высоким спросом и большими объемами.
По данным Wallstreet и фирм, занимающихся исследованиями рынка, предполагается, что 130 миллиардов долларов США будет инвестировано в исследования и разработки в области технологий автономного вождения (AD) в период с 2015 по 2025 год, в результате чего рынок автомобильных лидаров приблизится к 40 миллионам единиц в год. 2026. В настоящее время AD представляет собой наиболее значительный сегмент инвестиций в новые автомобильные технологии, опережая электрификацию и удаленную связь.
Внедрение на массовом рынке полностью автономных (SAE Level 4 и Level 5 автономии) транспортных средств является долгосрочной целью, которая потребует интеграции технологии LiDAR. Однако ожидается, что в следующем десятилетии легковые автомобили в категориях автоматизации уровня 2+ и уровня 3 (ADAS и полуавтономное вождение) будут наиболее широко использоваться в коммерческих целях и, скорее всего, откроют наиболее существенные возможности для автомобильных LiDAR.
Автопроизводители с нетерпением ждут появления автомобильных LiDAR-решений, которые обеспечат оптимальное соотношение цены и качества, а также обеспечат высокий уровень автоматизации серийных автомобилей. Лидары с механическим сканированием, доказавшие свою популярность при создании прототипов систем R&D и AD, имеют несколько недостатков, которые необходимо устранить.
A Механический сканирующий лидар может собирать данные на широкой площади до 360 градусов путем физического вращения узла лазер/приемник или с помощью вращающегося зеркала для направления светового луча. В лидарах с механическим сканированием используются мощные коллимированные лазеры, которые концентрируют отраженный сигнал на детекторе через высокосфокусированную оптику. Хотя они обеспечивают детальное отображение окружающей среды, их высокая цена (т. е. от нескольких до десятков тысяч долларов), сложность, проблемы с надежностью и большие размеры делают их непривлекательным вариантом для коммерческого развертывания в автомобильных и мобильных приложениях.
Твердотельные конструкции , построенные без моторизованного механического сканирования, были признаны лучшим способом предоставления лидарных решений для массового рынка автомобилей. Их более простая конструкция без движущихся механических частей делает их более рентабельными в производстве, обеспечивая путь к крупносерийному производству и коммерческой жизнеспособности. В частности, флэш-лидары обеспечивают полное мгновенное освещение сцены. Они собирают дополнительную информацию об объектах, используя значительно меньше данных, чем методы облака точек, что обеспечивает высокоэффективную обработку.
Прочтите статью:
Как LeddarTech развивает автономные транспортные решения LiDAR завтрашнего дня
Скачать
Решение проблем стоимости и дальности действия лидара с помощью технологии Leddar
Запатентованная LeddarTech технология сбора и обработки сигналов Leddar генерирует более чистый сигнал, который обеспечивает более низкие пороги обнаружения для значительного увеличения дальности и чувствительности по сравнению с другими твердотельными методами лидара.
Вместо того, чтобы работать непосредственно с аналоговым сигналом, Leddar производит выборку полученного эхосигнала для полного диапазона обнаружения датчика;
Благодаря запатентованным методам Leddar многократно расширяет частоту дискретизации и разрешение этого дискретизированного сигнала;
Результатом является дискретный временной сигнал, который анализируется, при этом расстояния рассчитываются для каждого объекта с использованием сложных программных алгоритмов.
О компании Leddar Technology
Leddar™ — это запатентованная технология LeddarTech LiDAR. Leddar обеспечивает усовершенствованный сбор и обработку сигналов LiDAR, чтобы обеспечить значительные, явные преимущества в цене и производительности на рынке автомобилей и мобильных устройств. Это технология оцифровки и обработки светового сигнала, которая расширяет частоту дискретизации и временное разрешение, восстанавливает информацию о расстоянии, отражательной способности и качестве объектов. Leddar обеспечивает надежное обнаружение и определение дальности за счет смягчения помех, условий окружающей среды и других ограничивающих условий, присущих датчикам LiDAR.
Технология Leddar лежит в основе нашей платформы LiDAR и защищена более чем 70 патентами (выданными или находящимися на рассмотрении). Эта технология является результатом более чем десятилетней научно-исследовательской работы под руководством ведущих инженеров и ученых в этой области. Он был проверен и оптимизирован в ходе различных коммерческих развертываний и работы в режиме 24/7 в сложных внешних условиях.
Сокращение затрат на LiDAR для удовлетворения требований коммерческого развертывания без ущерба для обеспечиваемой производительности является сложной задачей. По сути, выбор используемых технологий и компонентов часто напрямую влияет на производительность датчика LiDAR. Кроме того, увеличение светоотдачи конкретной конструкции LiDAR для увеличения эффективного диапазона обычно сопряжено с более высокой ценой.
Многое можно сделать для оптимизации производительности LiDAR с точки зрения программного обеспечения. Более высокая чувствительность и дальность действия могут быть достигнуты с помощью высокоэффективных алгоритмов цифровой обработки сигналов, что позволяет ведущим поставщикам LiDAR снизить общую стоимость своих решений или повысить производительность данной конструкции.
Leddar Technology предлагает значительные инновации и новые возможности для LiDAR с помощью программного обеспечения. Это также означает, что Leddar не привязан к конкретной механической конструкции или оптической технологии, что делает Leddar ключевым фактором для любого времени полета LiDAR. Таким образом, Leddar является предпочтительной технологией для улучшения соотношения производительности и стоимости различных конструкций лидаров, которые сегодня используются на рынках автомобилей и мобильных устройств.
Leddar — это ключевой инструмент для любых лидаров времени полета,

с масштабируемой дорожной картой для поддержки будущего развития и требований лидарных технологий.
Что такое лидар? — MATLAB и Simulink
Лидарные датчики
(аббревиатура от «обнаружение света и определение дальности») представляют собой датчики для измерения расстояния, такие как радар и гидролокатор. Датчики излучают лазерные импульсы, которые отражаются от объектов, позволяя им воспринимать структуру своего окружения. Датчики регистрируют энергию отраженного света, чтобы определить расстояние до объектов и создать 2D- или 3D-представление окружающей среды. Лидары становятся одним из основных датчиков для разработки систем восприятия во многих отраслях. Они обеспечивают рабочие процессы трехмерного восприятия, такие как обнаружение объектов, семантическая сегментация и рабочие процессы навигации, такие как картирование, одновременная локализация и картирование (SLAM) и планирование пути.
Почему это важно
Приложения
Лидарная обработка в MATLAB
Почему лидар имеет значение
Автономные системы используют несколько датчиков, таких как камера, IMU и радар, в своем наборе датчиков для восприятия окружающей среды. Лидары могут преодолеть некоторые недостатки других датчиков, предоставляя высокоточную структурную и трехмерную информацию об окружающей среде. Это преимущество способствовало внедрению лидарных датчиков на основной рынок восприятия.
Облако лидарных точек дорожной сцены.
Принятие лидаров на рынке обусловлено тремя основными причинами:
Недорогие лидары
Внедрение недорогих лидаров с улучшенными характеристиками, такими как дальность действия, размер и надежность, повысило доступность технологии для сравнительно низкодоходных промышленных приложений.
Точные 3D-данные
Лидары собирают трехмерную информацию высокой плотности об окружающей среде в виде облаков точек с более высокой точностью, чем другие датчики расстояния, такие как радары и гидролокаторы. Это, в свою очередь, повышает точность 3D-реконструкции.
Алгоритмы обработки лидара
Последние разработки в рабочих процессах обработки лидаров, таких как семантическая сегментация, обнаружение и отслеживание объектов, объединение данных лидарных камер и лидар SLAM, позволили отрасли добавить лидары в свои рабочие процессы разработки. Вы можете использовать такие инструменты, как MATLAB, для разработки и применения алгоритмов лидарной обработки.
Применение лидара
Лидары используются в самых разных отраслях, от автоматизированного вождения до геолого-геофизических исследований. Мы можем разделить эти приложения на три группы в зависимости от платформы, на которой они установлены.
Воздушные лидары
Наземные лидары
Лидары для помещений
Воздушные лидары
Воздушные лидары представляют собой лидарные датчики, установленные на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) или самолетах. Воздушные лидары собирают трехмерные данные облаков точек большой местности, которые можно использовать для лидарного картографирования, извлечения признаков, классификации местности и других вариантов использования.
Воздушный лидарный датчик.
Лидарные данные с воздуха.
Примеры применения воздушного лидара включают:
Сельское хозяйство : Лидарная технология широко используется в сельском хозяйстве для картографирования растительности и определения точного рельефа фермы и площади водосбора.
Городское планирование : Лидары используются при создании цифровых моделей поверхности (DSM) или даже цифровых моделей города (DCM) области, которые могут помочь в проектировании города или создании новой инфраструктуры в существующем городе.
Геологическое картографирование : Лидары можно использовать для создания трехмерных карт земной поверхности, которые в дальнейшем можно использовать в таких приложениях, как добыча полезных ископаемых, точное лесоводство и разведка нефти и газа.
Воздушная навигация и планирование маршрута : Лидары теперь используются в БПЛА для сбора живых 3D-данных для автономной навигации по окрестностям.
См. примеры использования MATLAB ^® для обработки данных аэролидара:
Aerial Lidar SLAM
Классификация местности
Воздушная навигация и планирование маршрута
Наземные лидары
Существует два типа наземных лидаров: стационарные наземные лидары и мобильные лидары.
Мобильный лидарный датчик.
Данные мобильного лидара.
Стационарные наземные лидары представляют собой лидары, установленные на стационарной платформе. Они обычно используются для топографической съемки, съемки дорог, топологического картографирования, создания цифровых карт высот (ЦМР), сельского хозяйства и других приложений. Они больше подходят для приложений, где требуется подробный и более тщательный сбор данных.
Мобильные лидары — это наземные лидары, прикрепленные к мобильной платформе, такой как автомобиль или грузовик. Наиболее важным мобильным лидарным приложением является автономное вождение. Лидары, установленные на транспортных средствах, собирают трехмерные данные облака точек об окружающей среде, которые в дальнейшем используются в рабочих процессах восприятия и навигации. Эти рабочие процессы будут подробно описаны в следующем разделе.
См. примеры использования MATLAB для наземной лидарной обработки:
Отслеживание транспортных средств с помощью лидара: от облака точек к списку треков
Создание карты с лидарной одометрией и картированием (LOAM) с использованием моделирования Unreal Engine
Лидары для помещений
Лидары широко используются в робототехнике для помещений путем установки их на мобильных роботах. Помимо 3D-лидаров, 2D-лидары или лазерные сканеры также используются в приложениях робототехники для помещений, таких как лидарное сканирование и картографирование. Они собирают информацию о глубине окружения, и информация о глубине обрабатывается в дальнейшем в зависимости от вариантов использования.
Внутренний лидарный датчик.
Данные внутреннего лидара.
Общие области применения лидаров для помещений включают:
Лидарное картирование и SLAM : Вы можете использовать 2D или 3D лидары для создания 2D или 3D SLAM и картирования, соответственно.
Обнаружение препятствий, предупреждение о столкновении и избегание : 2D-лидары широко используются для обнаружения препятствий. Эти данные можно в дальнейшем использовать для создания предупреждений о столкновении или для обхода препятствий.
См. примеры использования MATLAB для наземной лидарной обработки:
Предупреждение о столкновении с использованием 2D-лидара
Создание карты помещений на основе сканирования лидара с помощью SLAM
Лидарная обработка в MATLAB
MATLAB и Lidar Toolbox™ упрощают задачи лидарной обработки. Благодаря специальным инструментам и функциям MATLAB помогает преодолеть распространенные проблемы при обработке лидарных данных, такие как трехмерные типы данных, разреженность данных, недопустимые точки в данных и высокие шумы.
Вы можете импортировать живые и записанные лидарные данные в MATLAB, реализовывать рабочие процессы лидарной обработки и создавать C/C++ и CUDA ^® код для развертывания в рабочей среде.
Некоторые из важных возможностей MATLAB, предоставляемых при обработке лидарных облаков точек, описаны в следующих разделах.
Потоковая передача, чтение и запись данных лидара
Первым шагом в обработке любых данных датчиков в MATLAB является передача данных в рабочее пространство MATLAB. Вы можете:
Потоковые данные в реальном времени с датчиков Velodyne с помощью пакета аппаратной поддержки Velodyne Lidar и с датчиков Ouster с помощью пакета аппаратной поддержки Ouster Lidar.
Чтение сохраненных облаков точек в файлах различных форматов, таких как PCD, PLY, PCAP (Velodyne, Ouster и Hesai Pandar), контейнер данных Ibeo, LAS и LAZ.
Запись облаков точек в файлы различных форматов, таких как PCD, PLY, LAS и LAZ.
Моделирование данных лидара , что позволяет вам тестировать свои алгоритмы и рабочие процессы перед развертыванием в реальной системе. В MATLAB вы можете синтезировать 3D- или 2D-лидарные данные в средах моделирования, задав параметры датчика для тестирования ваших алгоритмов обработки. Lidar Toolbox, UAV Toolbox и Automated Driving Toolbox предоставляют модели датчиков лидара для имитации облаков точек лидара.
Потоковая передача лидарных данных в реальном времени с лидарных датчиков Velodyne ^®.
К сожалению, ваш браузер не поддерживает встроенные видео.
Моделирование данных трехмерного лидара.
Обработка лидарных данных
Вы можете предварительно обработать лидарные данные, чтобы улучшить качество данных и извлечь из них основную информацию. Lidar Toolbox™ предоставляет функциональные возможности для понижения дискретизации, медианной фильтрации, выравнивания, преобразования и извлечения признаков из облаков точек.
Калибровка лидарной камеры
MATLAB позволяет выполнять калибровку лидарной камеры для оценки преобразований лидар-камера для объединения данных камеры и лидара. Вы можете дополнительно объединять информацию о цвете в облаках точек лидара и оценивать 3D-ограничивающие рамки в лидаре с помощью 2D-ограничивающих рамок с расположенной рядом камеры.
Приложение Lidar Camera Calibrator.
Глубокое обучение для лидара
С помощью MATLAB можно применять алгоритмы глубокого обучения для обнаружения объектов и семантической сегментации лидарных данных.
Всего несколькими строками кода в MATLAB можно импортировать предварительно обученные модели семантической сегментации, включая PointSeg и SqueezeSegV2, в данные лидара. Вы также можете обучать, оценивать и развертывать собственные модели глубокого обучения.
MATLAB позволяет проектировать, обучать и оценивать надежные детекторы, такие как сети PointPillars и ComplexYolo-V4. Вы можете обнаруживать и размещать ориентированные ограничивающие рамки вокруг объектов в облаках точек лидара.
Приложение Lidar Labeler в Lidar Toolbox упрощает задачи маркировки облаков точек. Вы можете вручную маркировать облака точек для обнаружения объектов и семантической сегментации, применять встроенные или пользовательские алгоритмы для автоматизации маркировки лидарных облаков точек и оценивать производительность алгоритмов автоматизации.
Семантическая сегментация облаков точек.
Отслеживание объектов в облаках точек
MATLAB может объединять несколько доменов, которые используются в сквозном рабочем процессе отслеживания объектов. Это позволяет вам считывать лидарные данные, предварительно обрабатывать их, применять глубокое обучение для обнаружения объектов, отслеживать эти объекты с помощью предопределенного трекера и развертывать его на целевом оборудовании.
Обнаружение и отслеживание объектов.
Регистрация облаков точек и SLAM
MATLAB предоставляет функции для регистрации лидарных облаков точек и построения трехмерных карт на основе наземных и воздушных лидарных данных с использованием алгоритмов SLAM. В том числе:
Построение карты на основе признаков
Построение карты методом лидарной одометрии и картографирования (LOAM)
Совпадение сегментов
К сожалению, ваш браузер не поддерживает встроенные видео.
Создание карты из последовательных данных облака точек лидара.
Для получения дополнительной информации об обработке лидара см. Lidar Toolbox и Computer Vision Toolbox™.
Примеры и инструкции
Маркировка облаков точек лидара для обнаружения объектов (5:29)) — Видео
Калибровка лидарной камеры с помощью MATLAB (5:01) — Видео
Обнаружение объектов в облаках точек лидара с использованием глубокого обучения (4:37) — Видео
Создайте систему предупреждения о столкновении с помощью 2D-лидара с помощью MATLAB (3:31) — Видео
Разработка SLAM на основе лидара с использованием среды моделирования Unreal Engine (4:50) — Видео
Справочник по программному обеспечению
Обнаружение транспортных средств в лидаре с использованием меток изображений — Пример
Воздушный лидар SLAM с использованием дескрипторов FPFH — Пример
См.