Данная статья посвящена изучению принципов и практической реализации технологии обнаружения и определения дальности с помощью активных оптических систем (LIDAR)

LIDAR – Light Detection and Ranging – технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, применяющих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах.

На сегодняшний день оптические локационные системы являются наиболее распространёнными системами, привлекающих к себе внимание учёных и практиков как инструменты, обеспечивающие максимальную информативность и точность при наблюдениях и дистанционных измерениях.

Оптическая локация, представляет собой совокупность методов обнаружения, измерения координат, а также распознавания формы удалённых объектов с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. Одной из известных оптических локационных систем является технология LIDAR.

Целью статьи является, исследование различных областей применения оптических локационных систем, более глубокое познание в их использовании, огромнейшая ценность этих систем в наше время, их дальнейшие тенденции и возможности развития. А также статья направлена на выявление современной и актуальной технологии, работающей на основе оптических локационных систем.

Технология LIDAR

Лидары – лазерные локационные оптико-электронные системы (ОЭС) активного типа, предназначенные для активного дистанционного зондирования окружающей среды с целью получения информации для решения научных, производственных, экологических и метрологических задач.

Исторически, название «лидар» соответствует латинской аббревиатуре «LIDAR» английского выражения «light identification, detection and ranging», то есть оптическое распознавание, обнаружение и локация (определение местоположения).

Лидар работает, подсвечивая цель светом и может использовать свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия технологии прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара.

Технология существует с 1960-х годов, когда лазерные сканеры были установлены на самолетах. Лишь в конце 1980-х годов, с появлением коммерчески жизнеспособных систем GPS, данные с лидаров стали полезным инструментом для обеспечения точных геопространственных измерений.

Практическое применение

Система чаще всего используется для геодезических задач. 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. Цифровая модель рельефа может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности.

Лазерное сканирование является популярным методом обнаружения риска наводнений, накопления углерода в лесном хозяйстве и мониторинга береговой эрозии.

На сегодняшний день наиболее распространёнными сферами использования системы лидар являются приложения для географического и атмосферного картографирования. Такие организации, как USGS (Геологическая служба США), NOAA (Национальное управление океанографии и атмосферы) и NASA, десятилетиями использовали лидар для создания карт Земли и космоса.

NASA 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.

Климатологи используют лидар, чтобы исследовать состав атмосферы и изучать облака, испарения и глобальное потепление.

Ботаники применяют эту технологию, чтобы измерить постоянно меняющиеся структуры лесов Земли.

Одним из наиболее распространённых применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей.

Портативные приборы гораздо чаще используют лазеры с длиной волны 905 нм, которые недорогие, безопасные и очень эффективные.

Лидар следует называть глазами автономного транспортного средства, поскольку он смотрит на окружение, вычисляет расстояние, определяет препятствия впереди, освещает объекты лазером, а затем создают цифровое изображение высокого разрешения. Он также используется для предотвращения столкновений, путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки модуля на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков, с помощью которых она решает, когда включать тормоза, замедляться либо ускоряться.

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.

Проектирование прибора LIDAR

В этой статье будет пошагово описан процесс создания лидара своими руками. По характеристикам он несравним с коммерческими лидарами, но вполне подойдёт для небольшого простого робота, чтобы он мог обнаруживать и избегать препятствия на своём пути или более-менее точно строить карту помещения.

Схема практической реализации представлена на рисунках ниже.

Корпус лидара можно сделать по-разному, но для проекта был разработан и выбран один из самых простых и удобных вариантов его изготовления. В нашем случает для его изготовления применялся 3D принтер. Корпус сделан так, что верхней части установлена подставка для электромотора, а также закреплены датчик Холла, магнит и зеркало (смотрите рисунки ниже).

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными среди радиолюбителей и разработчиков радиоэлектронных устройств. Такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, они не боятся вибрации, пыли и влаги. Датчик Холла простыми словами – это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Для вращения зеркала на 360° был использован электродвигатель, который может работать при питании от сети как постоянного, так и однофазного переменного тока.

Магнит необходим для того, чтобы на него срабатывал датчик Холла и в этот момент в коде происходит установка переменной «угол» в некоторое значение. Если магнит по размерам позволяет наклеить его по центру под датчиком, это будет самый лучший вариант, т.к. при срабатывании переменной «угол» нужно будет присвоить значение 0. Если нет, магнит можно наклеить возле датчика. Тогда переменной «угол» нужно будет присвоить не 0, а соответствующее значение (на какой угол относительно магнита повёрнут датчик). Если магнит находится с противоположной стороны, нужно присвоить 180 ( в данном случае присваивается 180).

В нижней части корпуса располагаются такие компоненты, как:

• Arduino NANO,

• Модуль с датчиком VL53L0X,

• Потенциометр на 10 кОМ,

• Резистор на 10 кОМ.

Arduino - это компактная электронная плата, способная управлять различными датчиками, электродвигателями, индикацией, освещением, передавать и принимать данные.

VL53L0X использует технологию STS FlightSense для точного измерения времени, которое потребуется для испускаемых импульсов инфракрасного лазерного излучения, чтобы достичь ближайшего объекта и отразиться обратно на детектор.

Потенциометры — это регулируемые делители напряжения, которые предназначены для регулирования напряжения при неизменной величине тока, и выполненные по типу переменного резистора.

Заключение

В статье был описан процесс создания лидара своими руками.

На этом этапе мы заканчиваем конструирование лидара, во второй части статьи будет произведено программирование и создание 3D карты помещения.