Qu'est-ce que le lidar et comment ça marche

Les voitures sans conducteur qui étaient l'un des plus grands fantasmes technologiques des années 1990 (alimentée par des films antérieurs comme «The Love Bug» et «Demolition Man»), sont aujourd'hui une réalité, grâce à l'énorme avancée faite autour de plusieurs technologies en particulier LIDAR.

Qu'est-ce que LiDAR?

LIDAR (signifie Light Detection and Ranging) est une technologie de télémétrie qui mesure la distance d'un objet en projetant des faisceaux de lumière sur l'objet et utilise le temps et la longueur d'onde du faisceau de lumière réfléchi pour estimer la distance et dans certaines applications (Laser Imagerie), créez une représentation 3D de l'objet.

Alors que l'idée derrière le laser peut être attribuée au travail d'EH Synge en 1930, ce n'était pas une chose jusqu'au début des années 1960, après l'invention du laser. Essentiellement une combinaison d'imagerie focalisée au laser avec la capacité de calculer des distances en utilisant la technique du temps de vol, il a trouvé ses premières applications en météorologie, où il était utilisé pour mesurer les nuages, et dans l'espace, où un altimètre laser était utilisé pour cartographier le surface de la lune pendant la mission Apollo 15. Depuis lors, la technologie s'est améliorée et a été utilisée dans diverses applications, notamment; détection des activités sismiques, océanographie, archéologie et navigation pour n'en citer que quelques-unes.

Comment fonctionne LiDAR

La technologie est assez similaire à celle de RADAR (navigation par ondes radio utilisées par les navires et avions) et SONAR (détection d'objets sous-marins et navigation utilisant le son, principalement utilisée par les sous-marins) qui utilisent tous deux le principe de réflexion des ondes pour la détection d'objets et la distance. estimation. Cependant, alors que RADAR est basé sur les ondes radio et SONAR est basé sur les sons, LIDAR est basé sur les faisceaux lumineux (laser).

LIDAR utilise la lumière sur différentes longueurs d'onde, y compris; lumière ultraviolette, visible ou proche infrarouge pour les objets d'image et, en tant que tel, capable de détecter toutes sortes de compositions de matériaux, y compris; non-métaux, roches, pluie, composés chimiques, aérosols, nuages et même molécules uniques. Les systèmes LIDAR peuvent déclencher jusqu'à 1 000 000 d'impulsions lumineuses par seconde et utiliser le temps nécessaire pour que les impulsions soient réfléchies vers le scanner pour déterminer la distance à laquelle se trouvent les objets et les surfaces autour du scanner. La technique utilisée pour la détermination de la distance est connue sous le nom de temps de vol et son équation est donnée ci-dessous.

Distance = (Vitesse de la lumière x Temps de vol) / 2

Dans la plupart des applications, autres que la simple mesure à distance, une carte 3D de l'environnement / objet sur lequel le faisceau lumineux a été tiré est créée. Cela se fait via un tir continu du faisceau laser sur l'objet ou l'environnement.

Il est important de noter que, contrairement à la réflexion de type spéculaire pouvant être obtenue dans les miroirs plans, la réflexion expérimentée dans les systèmes LIDAR est une réflexion rétrodiffusée lorsque les ondes lumineuses sont renvoyées dans la direction où elles sont arrivées. Selon l'application, les systèmes LIDAR utilisent différentes variantes de rétrodiffusion, y compris la diffusion Rayleigh et Raman,

Composants d'un système LIDAR

Un système LIDAR comprend généralement 5 éléments qui devraient être présents indépendamment des variations dues à l'application. Ces principaux composants comprennent:

Laser
Scanners et système optique
Processeur
Électronique de synchronisation précise
Unité de mesure inertielle et GPS

1. Laser

Le laser sert de source d'énergie pour les impulsions lumineuses. La longueur d'onde du laser déployé dans les systèmes LIDAR diffère d'une application à l'autre en raison des exigences spécifiques de certaines applications. Par exemple, les systèmes LiDAR aéroportés utilisent des lasers YAG pompés par diode de 1064 nm tandis que les systèmes bathymétriques utilisent des lasers YAG pompés par double diode de 532 nm qui pénètrent dans l'eau (jusqu'à 40 mètres) avec beaucoup moins d'atténuation que la version aéroportée 1064 nm. Cependant, quelles que soient les applications, les lasers utilisés sont généralement de faible énergie pour assurer la sécurité.

2. Scanner et optique

Les scanners sont une partie importante de tout système LIDAR. Ils sont chargés de projeter les impulsions laser sur les surfaces et de recevoir en retour les impulsions réfléchies de la surface. La vitesse à laquelle les images sont développées par un système LIDAR dépend de la vitesse à laquelle les scanners capturent les faisceaux rétrodiffusés. Quelle que soit l'application, l'optique utilisée dans un système LIDAR doit être de haute précision et de haute qualité pour obtenir les meilleurs résultats notamment pour la cartographie. Le type de lentilles, le choix spécifique du verre, ainsi que les revêtements optiques utilisés sont des déterminants majeurs de la résolution et des capacités de portée du LIDAR.

En fonction de l'application, diverses méthodes de numérisation peuvent être déployées pour différentes résolutions. Le balayage d'azimut et d'élévation, et le balayage à deux axes sont parmi les méthodes de balayage les plus populaires.

3. Processeurs

Un processeur haute capacité est généralement au cœur de tout système LIDAR. Il est utilisé pour synchroniser et coordonner les activités de tous les composants individuels du système LIDAR en s'assurant que tous les composants fonctionnent quand ils le devraient. Le processeur intègre les données du scanner, du minuteur (s'il n'est pas intégré au sous-système de traitement), du GPS et de l'IMU pour produire les données de point LIDAR. Ces données de point d'élévation sont ensuite utilisées pour créer des cartes en fonction de l'application. Dans les voitures sans conducteur, les données ponctuelles sont utilisées pour fournir une carte en temps réel de l'environnement afin d'aider les voitures à éviter les obstacles et à naviguer en général.

Avec une lumière voyageant à une vitesse d'environ 0,3 mètre par nanosecondes et des milliers de faisceaux généralement réfléchis vers le scanner, le processeur doit généralement être à haute vitesse avec des capacités de traitement élevées. Ainsi, les progrès de la puissance de traitement des éléments informatiques ont été l'un des principaux moteurs de la technologie LIDAR.

4. Électronique de synchronisation

Un timing précis est essentiel dans les systèmes LIDAR, car toute l'opération est construite à temps. L'électronique de synchronisation représente le sous-système LIDAR qui enregistre l'heure exacte à laquelle une impulsion laser quitte et l'heure exacte à laquelle elle revient au scanner.

Sa précision et sa précision ne peuvent pas être surestimées. En raison de la réflexion dispersée, les impulsions émises ont généralement plusieurs retours dont chacun doit être minuté avec précision pour garantir l'exactitude des données.

5. Unité de mesure inertielle et GPS

Lorsqu'un capteur LiDAR est monté sur une plate-forme mobile telle que des satellites, des avions ou des automobiles, il est nécessaire de déterminer la position absolue et l'orientation du capteur pour conserver les données utilisables. Ceci est réalisé en utilisant un système de mesure inertielle (IMU) et un système de positionnement global (GPS). L'IMU comprend généralement un accéléromètre, un gyroscope et un magnétomètre pour mesurer la vitesse, l'orientation et les forces gravitationnelles, qui, combinés ensemble, sont utilisés pour déterminer l'orientation angulaire (pas, roulis et lacet) du scanner par rapport au sol. Le GPS, d'autre part, fournit des informations géographiques précises concernant la position du capteur, permettant ainsi un géoréférencement direct des points objets.Ces deux composants fournissent le procédé de traduction des données de capteur en points statiques à utiliser dans une variété de systèmes.

Les informations supplémentaires obtenues à l'aide du GPS et de l'IMU sont cruciales pour l'intégrité des données acquises et permettent de garantir que la distance aux surfaces est correctement estimée, en particulier dans les applications LIDAR mobiles telles que les véhicules autonomes et les systèmes imaginaires basés sur les avions aériens.

Types de LiDAR

Alors que les systèmes LIDAR peuvent être classés en types basés sur un certain nombre de facteurs, il existe trois types génériques de systèmes LIDAR qui sont;

Télémètre LIDAR
Absorption différentielle LIDAR
LIDAR Doppler

1. Télémètre LIDAR

Ce sont les types les plus simples de systèmes LIDAR. Ils sont utilisés pour déterminer la distance entre le scanner LIDAR et un objet ou une surface. En utilisant le principe du temps de vol décrit dans la section «comment ça marche», le temps nécessaire au faisceau de réflexion pour frapper le scanner est utilisé pour déterminer la distance entre le système LIDAR et l'objet.

2. LIDAR à absorption différentielle

Les systèmes LIDAR à absorption différentielle (parfois appelés DIAL) sont généralement utilisés pour rechercher la présence de certaines molécules ou matériaux. Les systèmes DIAL émettent généralement des faisceaux laser de deux longueurs d'onde qui sont sélectionnées de telle sorte que l'une des longueurs d'onde sera absorbée par la molécule d'intérêt alors que l'autre ne le sera pas. L'absorption de l'un des faisceaux se traduit par une différence (absorption différentielle) de l'intensité des faisceaux de retour reçus par le scanner. Cette différence est ensuite utilisée pour déduire le niveau de présence de la molécule étudiée. DIAL a été utilisé pour mesurer les concentrations chimiques (comme l'ozone, la vapeur d'eau, les polluants) dans l'atmosphère.

3. LIDAR Doppler

Le LiDAR Doppler est utilisé pour mesurer la vitesse d'une cible. Lorsque les faisceaux lumineux tirés du LIDAR touchent une cible se déplaçant vers ou loin du LIDAR, la longueur d'onde de la lumière réfléchie / diffusée sur la cible sera légèrement modifiée. Ceci est connu comme un décalage Doppler - par conséquent, Doppler LiDAR. Si la cible s'éloigne du LiDAR, la lumière de retour aura une longueur d'onde plus longue (parfois appelée décalage vers le rouge), si elle se déplace vers le LiDAR, la lumière de retour sera à une longueur d'onde plus courte (décalée en bleu).

Certaines des autres classifications sur lesquelles les systèmes LIDAR sont regroupés en types comprennent:

Plate-forme
Type de rétrodiffusion

Types de LiDAR basés sur la plate-forme

En utilisant la plate-forme comme critère, les systèmes LIDAR peuvent être regroupés en quatre types, notamment;

LIDAR au sol
LIDAR aéroporté
LIDAR spatial
Mouvement LIDAR

Ces LIDAR diffèrent par la construction, les matériaux, la longueur d'onde, les perspectives et d'autres facteurs qui sont généralement sélectionnés en fonction de ce qui fonctionne dans l'environnement pour lequel ils doivent être déployés.

Types de LIDAR en fonction du type de rétrodiffusion

Au cours de ma description du fonctionnement des systèmes LIDAR, j'ai mentionné que la réflexion dans LIDAR se fait via la rétrodiffusion. Différents types de sorties de rétrodiffusion et son utilisation parfois pour décrire le type de LIDAR. Les types de rétrodiffusion comprennent;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescence

Applications de LiDAR

En raison de son extrême précision et flexibilité, LIDAR a un grand nombre d'applications, en particulier la production de cartes haute résolution. En plus de l'arpentage, LIDAR a été utilisé dans l'agriculture, l'archéologie et les robots car il est actuellement l'un des principaux catalyseurs de la course des véhicules autonomes, étant le capteur majeur utilisé dans la plupart des véhicules avec le système LIDAR jouant un rôle similaire à celui de les yeux pour les véhicules.

Il existe des centaines d'autres applications de LiDAR et nous essaierons d'en mentionner autant que possible ci-dessous.

Véhicules autonomes
Imagerie 3D
Arpentage des terres
Inspection des lignes électriques
Gestion du tourisme et des parcs
Évaluation environnementale pour la protection des forêts
Modélisation des inondations
Classification écologique et des terres
Modélisation de la pollution
Exploration pétrolière et gazière
Météorologie
Océanographie
Toutes sortes d'applications militaires
Planification du réseau cellulaire
Astronomie

Limitations LiDAR

LIDAR, comme toute autre technologie, a ses défauts. La portée et la précision des systèmes LIDAR sont gravement affectées lors de mauvaises conditions météorologiques. Par exemple, dans des conditions de brouillard, une quantité importante de faux signaux est générée en raison des faisceaux réfléchis par le brouillard. Cela conduit généralement à l'effet de diffusion mie et, en tant que tel, une grande partie du faisceau tiré ne retourne pas vers le scanner. Un événement similaire se produit avec la pluie car les particules de pluie provoquent des retours parasites.

Mis à part la météo, les systèmes LIDAR peuvent être dupés (délibérément ou indélibérément) pour penser qu'un objet existe en faisant clignoter des «lumières» dessus. Selon un article publié en 2015, faire clignoter un simple pointeur laser sur le système LIDAR monté sur des véhicules autonomes pourrait désorienter les systèmes de navigation du véhicule, lui donnant l'impression de l'existence d'un objet là où il n'y en a pas. Cette faille, en particulier dans l'application des lasers pour voitures sans conducteur, soulève de nombreux problèmes de sécurité, car il ne faudra pas longtemps aux détourneurs de voiture pour affiner le principe d'utilisation dans les attaques. Cela pourrait également entraîner des accidents avec des voitures s'arrêtant brusquement au milieu de la route si elles sentaient ce qu'elles croyaient être une autre voiture ou un piéton.

Avantages et inconvénients du LiDAR

Pour conclure cet article, nous devrions probablement examiner les raisons pour lesquelles votre LIDAR pourrait être un bon choix pour votre projet et les raisons pour lesquelles vous devriez probablement l'éviter.

Avantages

1. Acquisition de données haute vitesse et précise

2. Pénétration élevée

3. Non affecté par l'intensité de la lumière dans son environnement et peut être utilisé la nuit ou au soleil.

4. Imagerie haute résolution par rapport à d'autres méthodes.

5. Aucune distorsion géométrique

6. S'intègre facilement avec d'autres méthodes d'acquisition de données.

7. LIDAR a une dépendance humaine minimale, ce qui est bon dans certaines applications où l'erreur humaine pourrait affecter la fiabilité des données.

Désavantages

1. Le coût du LIDAR le rend excessif pour certains projets. LIDAR est mieux décrit comme étant relativement cher.

2. Les systèmes LIDAR fonctionnent mal dans des conditions de forte pluie, de brouillard ou de neige.

3. Les systèmes LIDAR génèrent de grands ensembles de données qui nécessitent des ressources de calcul élevées pour être traitées.

4. Peu fiable dans les applications d'eau turbulente.

5. En fonction de la longueur d'onde adoptée, les performances des systèmes LIDAR sont limitées en altitude car les impulsions tirées dans certains types de LIDAR deviennent inefficaces à certaines altitudes.

LIDAR pour les amateurs et les fabricants

En raison du coût des LIDAR, la plupart des systèmes LIDAR du marché (comme les LIDAR velodyne) sont utilisés dans des applications industrielles (pour regrouper toutes les applications «non amateurs»).

Les capteurs LiDAR à semi- conducteurs iLidar conçus par Hybo sont les plus proches du système LIDAR de «qualité amateur». Il s'agit d'un petit système LiDAR capable de cartographie 3D (sans faire pivoter le capteur) avec une portée maximale effective de 6 mètres. Le capteur est équipé d'un port USB à côté d'un port UART / SPI / i2C à travers lequel la communication peut être établie entre le capteur et un microcontrôleur.

iLidar a été conçu pour convenir à tout le monde et les fonctionnalités associées au LiDAR le rendent attrayant pour les fabricants.