ההגדרה המוקדמת ביותר של לידר היא LIDAR, אנגלית היא Light DeteaTIon and Ranging, סינית שמשמעותה" איתור אור וטווח"
לאמיתו של דבר, הגדרה מדויקת יותר היא LADAR: LAser DetecTIon and Ranging, כלומר" איתור לייזר וטווח" זוהי הגדרה שהוצעה בשנת 2004, שתואמת יותר את מושג לידר.
לידר הוא למעשה סוג של מכ"ם שעובד בפס האופטי (רצועה מיוחדת). היתרונות שלו מאוד ברורים:
1. רזולוציה גבוהה במיוחד: לידר עובד בפס האופטי, והתדר הוא 2 עד 3 סדרי גודל גבוהים מהמיקרוגל. לכן, בהשוואה לרדאר מיקרוגל, לידר בעל רזולוציית טווח גבוהה במיוחד, רזולוציה זוויתית ורזולוציית מהירות
2. יכולת אנטי הפרעות חזקה: אורך הגל של הלייזר הוא קצר, הוא יכול לפלוט קרן לייזר עם זווית התבדלות קטנה מאוד (בסדר גודל של מיקרו), האפקט הרב-מסלולי הוא קטן (לא יוצר פליטה כיוונית, וייצור אפקטים מרובי נתיבים עם מיקרוגל או גל מילימטר), ניתן לגילוי מטרות בגובה נמוך / במיוחד בגובה נמוך;
3. כמות המידע המתקבלת עשירה: ניתן להשיג ישירות את המרחק, הזווית, עוצמת ההשתקפות, המהירות ומידע אחר של המטרה כדי ליצור את התמונה הרב-ממדית של המטרה;
4. יכול לעבוד כל היום: גילוי פעיל בלייזר, אינו תלוי בתנאי תאורה חיצוניים או במאפייני הקרינה של המטרה עצמה. הוא צריך רק לפלוט קרן לייזר משלו ולקבל מידע יעד על ידי איתור אות ההד של קרן הלייזר הנפלטת.
אך החיסרון הגדול ביותר של לידר הוא שהוא מושפע בקלות מתנאים אטמוספריים ועשן מסביבת העבודה. קשה מאוד להשיג סביבת עבודה בכל מזג האוויר.
סיווג לידר
אם הסיווג של לידר מחולק למערכות, ישנם בעיקר לידר לגילוי ישיר לידר לגילוי קוהרנטי. למעשה, מה שהזכרנו כרגע, כולל נהיגה אוטומטית, רובוטים ומכוניות המשמשות לסקר ומיפוי, שייכים למעשה לסוג זה של לידר לגילוי ישיר. כמה מכ"מים מיוחדים, כמו מדידת רוח ומדידת מהירות, משתמשים בדרך כלל במערכת קוהרנטית. אם הסיווג של לידר מחולק למערכות, ישנם בעיקר לידר לגילוי ישיר לידר לגילוי קוהרנטי. למעשה, מה שהזכרנו כרגע, כולל נהיגה אוטומטית, רובוטים ומכוניות המשמשות לסקר ומיפוי, שייכים למעשה לסוג זה של לידר לגילוי ישיר. כמה מכ"מים מיוחדים, כמו מדידת רוח ומדידת מהירות, משתמשים בדרך כלל במערכת קוהרנטית.
על פי סיווג היישום, אנו יכולים לחלק יותר, כגון: מד טווח לייזר, מכ"ם הדמיה תלת מימדי בלייזר, מכ"ם למדידת מהירות לייזר, רדאר זיהוי אטמוספרי לייזר, וכן הלאה.
בין אם מדובר במכסה חד-קו, לידר רב-קו או לידר מסקר, אנו בעצם יכולים לחלק אותו לקטגוריית מכ"ם ההדמיה התלת ממדי בלייזר.
רדאר הדמיה תלת ממדי בלייזר, למעשה, הוא צריך להשיג שני מידע ליבה: מידע על מרחק יעד ומידע על זווית היעד.
אם נקבע את סטנדרט הישיבה התלת מימדי שלו, עלינו לקבל מידע על מרחק, אזימוט וזווית המגרש שלו. לאחר מכן אנו מחשבים את נקודת התיאום התלת מימדית של היעד על סמך שלושת המידע של מרחק, זווית אזימוט וזווית המגרש.
באופן כללי, הטכניקה של השגת מידע בזווית על ידי מדידת המקודד היא בשלה מאוד. אנו מודאגים יותר כיצד להשיג את המידע המרחק של לידר.
מכ"ם ההדמיה התלת ממדי בלייזר יכול להשיג את נתוני הענן הנקודיים התלת מימדיים של היעד באמצעות טכנולוגיה למדידת זווית ישירה וטווח ישיר, והנתונים המתקבלים הם עצמם נתונים תלת מימדיים. זה לא דורש כמות גדולה של חישוב ועיבוד כדי ליצור את תמונת התלת מימד היעד, ולמגוון הלייזר יש דיוק גבוה מאוד.
לכן, מכ"ם ההדמיה התלת ממדי בלייזר הוא כיום החיישן היעיל ביותר שיכול להשיג תמונות של מגוון גדול של סצינות תלת מימדיות, והוא גם החיישן שיכול להשיג כיום את הדיוק הגבוה ביותר של סצינות תלת מימדיות.
A
שיטת טווח לייזר
נכון לעכשיו ניתן לחלק את שיטות מדידת המרחק שאנו רואים בדרך כלל לקטגוריות רחבות: שיטת זמן הטיסה בלייזר (TIme of Fly, TOF) ושיטת משולש.
ניתן לחלק את שיטת זמן הטיסה בלייזר לשתי קטגוריות, האחת היא אפנון דופק (טכנולוגיית טווחי הדופק) והשנייה היא אפנון פאזות של אפנון גל רציף של לייזר, המודד את מידע המרחק דרך הפרש השלבים.
מדדי טווח שאנו יכולים לראות בשוק, או מכסים חד-קויים ורב-קויים, משתמשים בעצם בשלושת סוגי השיטות הללו.
A
טכנולוגיית דופק לייזר בטווחים
העיקרון של טכנולוגיית דופק לייזר נע הוא פשוט מאוד: קבל את מידע המרחק של המטרה על ידי מדידת זמן הטיסה של דופק הלייזר בין הרדאר למטרה. נעשה כאן שימוש במבחן המידה שהוא מהירות האור. על כל המדידות להיות נתון. עבור לייזר ישנם שני תאריכים: מהירות ותדר (שני התאומים המדויקים ביותר), מכיוון שהנתון המשמש עבור TOF הוא מהירות הטיסה של הלייזר.
בין שלושת השיטות המנעות שהוזכרו לעיל, אני חושב שהבעיה הטכנית הקשה ביותר היא שיטת הדופק. אך היתרונות שהיא מביאה ברורים: מהירות המדידה מהירה מאוד. מכיוון שהמדידה מתבצעת על ידי לייזר בעל ערך שיא גבוה, יכולתו נגד השיבוש חזקה מאוד.
החיסרון הוא שקשה לשפר את הרזולוציה הנעית ומעגל הגילוי קשה. לדוגמה, אם אנו רוצים להשיג רזולוציה של 1.5 מילימטרים לטווח פאזות, עלינו להשיג רזולוציית שעון תזמון של 10 פיקוסו-שניות, המקבילה לרוחב פס של 100G. זו טכניקה מאוד קשה.
A
שלב לייזר החל
מגוון שלבי לייזר, כגון איתור טווח לייזר כף יד נפוץ, משתמשים בטווחי פאזה. זה בעיקר משיג מידע על מרחק על ידי מדידת הפרש השלבים הנוצר על ידי אות לייזר גל רציף-מודולציה המעוצב קדימה ואחורה בין הרדאר למטרה.
היתרון הגדול ביותר בטכנולוגיה זו: רזולוציית הטווח גבוהה מאוד. נכון לעכשיו, מאתר טווחי השלבים בשוק הכללי יכול להשיג רזולוציה של מילימטר.
החיסרון הוא שמהירות המדידה איטית יותר מדופק הנע. אחרי הכל, עלינו לכייל הפרש פאזות לפחות עשרות ואף מאות מחזורים. למעשה, זה שווה להארכת זמן המדידה שלו בשלב, ואז למהירות המדידה שלו יחסית יחסית. בנוסף, דיוק המדידה שלה חשוף יחסית לתנועת צורת היעד. אם במקום האור שנמדד, שני המטרות הם בד בבד, המידע הספציפי שהוא נמדד בפועל הוא ממוצע של המרחק בין שני המטרות, לא מידע היעד הקודם או מידע היעד הבא.
אך בדופק הנע קל להפריד מידע כזה. לדוגמה, עבור דופק לייזר, אם אנו יכולים להשיג רוחב דופק של 10 ננו-שניות, נוכל להבחין ביעד שהוא 30 סנטימטרים מקדימה לאחור על ידי הדים מרובים.
קשה להבחין בשיטה זו בטווחי שלבים. מכיוון שבתהליך המדידה, זמנו יהיה ארוך יותר, ומידע המרחק שהובא על ידי תנועת היעד מוחדר לערך הנמדד. למעשה, הוא מודד מידע ממוצע מרחקים ולא מידע בזמן אמת. אך דופק לייזר נע הוא למעשה מידע בזמן אמת על המיקום הנוכחי.
זו הסיבה שלידר לרכבים או לרובוטים לעיתים קרובות משתמשים בטכנולוגיית דופק לייזר בטווחי לייזר במקום בטכנולוגיית פאזה.
A
שִׁיטַת מְשׁוּלָשׁ
מדידת מרחק משולש היא השגת מידע מרחק על ידי מדידת מיקום ההדמיה של נקודת הקרנת הלייזר במצלמה. היתרון הגדול ביותר בשיטת הטריאנגולציה הוא שהקושי הטכני הוא נמוך, העלות גם נמוכה מאוד, והדיוק של טווח טווח קרוב גם הוא גבוה מאוד. לדוגמא, שימוש תעשייתי יכול להשיג דיוק של 100 מיקרון.
אך החיסרון הוא שדיוקו יתדרדר בהדרגה עם הגדלת המרחק, ובעצם אי אפשר להשוות עם טווחי דופק וטווחי פאזה.
נקודה נוספת, מכיוון שמצלמת CMOS חייבת להשתמש בלייזר רציף כדי להאיר באופן סינכרוני, עוצמתה הממוצעת היא נמוכה יחסית, ויכולת ההפרעה שלה תהיה חזקה מאוד. שיטת טווח זו מתאימה בדרך כלל לעבודות מקרוב מקורות, אך אינה מתאימה לעבודה תחת רקע בוהק חיצוני או רקע בוהק מקורה.
מדידת מרחק משולש מתאימה יותר לסצינות עם דרישות ביצועים נמוכות כמו רובוטים. בנוסף למחיר הגבוה יחסית ולקושי הטכני, לטווחי הדופק יש ביצועים מצוינים בהיבטים אחרים. כמובן שדיוק הטווחים שלו יהיה נמוך מעט יותר מזה של פאזה בטווחים. אבל דיוק מסוג זה, על פי הטכנולוגיה הנוכחית, אנו יכולים בעצם להגיע לדיוק מדידת המרחק בסדר גודל של סנטימטרים, או אפילו כמה מילימטרים בודדים, שיכולים בעצם לעמוד בדרישות השימוש שלנו בהזדמנויות רבות.
הכיוון העיקרי שלנו הוא להשתמש בפולסים שנעים לביצוע מכ"ם חד-קו, כולל מכ"ם רב-קו.
A
מה זה לידר חד-קו
מכסה קו יחיד הוא למעשה מד טווח לייזר דופק בתדירות גבוהה, בתוספת סריקת סיבוב חד-ממדית. תכונות של לידר שורה אחת:
1. יש רק דרך אחת לשדר ודרך אחת לקבלה, המבנה פשוט יחסית וקל לשימוש;
2. מהירות סריקה גבוהה ורזולוציה זוויתית גבוהה;
3. נפח נמוך, משקל וצריכת חשמל;
4. אמינות גבוהה יותר;
5. עלות נמוכה;
A
מה יכול לעשות לידר חד-קו?
בתחום הנהיגה האוטונומית אנו למעשה רואים לייזר רב-קוי, לייזר חד-קו
מה יכול הרדאר לעשות?
כפי שמוצג בתרשים לעיל, המכונית הראשונה שהשתתפה באתגר הטייס האוטומטי DARPA בארצות הברית היא מכונית סטנפורד משנת 2005 בשם סטנלי. זו המכונית שזכתה באליפות באותה השנה. השנייה היא המכונית מאוניברסיטת קרנגי מלון.
באותה תקופה הם למעשה השתמשו במכסה יחיד. במיוחד עבור מכונית התחרות של אוניברסיטת סטנפורד, ישנם חמישה מכסים המותקנים ממש מעל, אנו יכולים לחשוב עליה כמקורה של לידר רב-קו, אך היא משתמשת בחמישה מכוניות-קו בודדות כדי להשיג פונקציית לידר רב-קו.
לאחר שוולודין השיקה לידר 64-קו בשנת 2007, רכבים רבים לנהיגה עצמית השתמשו למעשה במוצרי Velodyne. אבל האם זה אומר שלידר חד-קו אין שוק בנהיגה בסיוע או אוטונומי? אני לא' אני לא חושב. מכיוון שלידר חד-קו יש את המאפיינים שלו, למשל, קשה למכסה רב-קו להשיג את אותם אינדיקטורים טכניים בקצב חזרות גבוה וברזולוציה זוויתית גבוהה. מבחינת איתור הולכי רגל, איתור מכשולים (גילוי יעד קטן) וגילוי מכשולים קדמיים, לייזרים חד-קויים יש יתרונות רבים על פני מכסות רב-קו, מכיוון שמכ"מים לייזר חד-קויים יכולים לקבל רזולוציה זוויתית גבוהה יותר ממכסים רב-קויים. זה שימושי מאוד לגילוי חפצים קטנים או הולכי רגל. טכנולוגיה זו שימושית מאוד ברובוטים חכמים ורובוטי שירות, וזה גם תחום חם.
אנשים רבים עשויים לשאול שאלה, מדוע להשתמש לידאר לגילוי נתיב במקום מצלמה. האם' האם אלגוריתם ה- ADAS בוגר מאוד? מדוע עלי להשתמש לידר?
הסיבה לכך היא שהמצלמה חשופה במיוחד להפרעות מאור רקע או אור חזק. לדוגמא, כשאנחנו הולכים על שדרה מרופדת עצים, אם צל העצים נופל בנקודות ואז משתלב עם קווי המסלול הלבן, קשה מאוד לזהות את קווי הנתיב, וההסתברות להכרה נמצאת תחת תאורה מורכבת או תנאי אור חזקים. הסתברות ההכרה שלו היא מאוד מאוד נמוכה והאלגוריתם מורכב מאוד.
אז, מה היתרונות בשימוש לידאר לגילוי מסלול? ראשית, אנו משתמשים בלייזרים אינפרא אדום שיש להם קרינה נמוכה בהרבה בפס האינפרא אדום מאשר אור גלוי. שנית, נוסיף מסנן צר מאוד לסינון ישירות של אור הרקע החזק. ואז אנו משתמשים באור אינפרא אדום כדי לזהות אותו. בדרך זו אנו יכולים להשיג תמונה באיכות גבוהה מאוד של קו הנתיב, ובאמצעות גווני האפור של התמונה קל מאוד לאתר את קו הנתיב. במילים אחרות, שימוש ב- Lidar לאיתור קו נתיב, הביצועים שלה יהיו גבוהים יותר מהמצלמה.
יישום לידר קו יחיד בנהיגה בסיוע הוא איתור הולכי רגל. למעשה, זהו גם יישום למניעת התנגשות קדימה, אשר בעיקרון דומה למניעת התנגשות רכב. מכיוון שהרזולוציה הזוויתית של מכסה הקו היחיד יכולה להיות גבוהה מזו של המכסה הרב-קוי, ניתן להבחין בהולכי רגל מראש במרחק גדול יותר, ולהשאיר זמן אזהרה רב יותר למערכת הבקרה או לנהג.
