Apa itu lidar dan bagaimana cara kerjanya

Mobil tanpa pengemudi yang merupakan salah satu fantasi teknologi terbesar di tahun 1990-an (didorong oleh film-film sebelumnya seperti "The Love Bug" dan "Demolition Man"), menjadi kenyataan saat ini, berkat kemajuan besar yang dibuat di sekitar beberapa teknologi terutama LIDAR.

Apa itu LiDAR?

LIDAR (singkatan dari Light Detection and Ranging) adalah teknologi jarak yang mengukur jarak suatu benda dengan menembakkan berkas cahaya ke benda tersebut dan menggunakan waktu dan panjang gelombang berkas cahaya yang dipantulkan untuk memperkirakan jarak dan dalam beberapa aplikasi (Laser Imaging), buat representasi 3D dari Objek.

Sementara ide di balik laser dapat dilacak ke karya EH Synge pada tahun 1930, itu tidak ada sampai awal 1960-an, setelah penemuan laser. Pada dasarnya kombinasi pencitraan yang berfokus pada laser dengan kemampuan untuk menghitung jarak menggunakan teknik waktu penerbangan, ia menemukan aplikasi paling awal dalam Meteorologi, di mana ia digunakan untuk mengukur awan, dan di Luar Angkasa, di mana altimeter laser digunakan untuk memetakan permukaan bulan selama misi Apollo 15. Sejak itu, teknologinya telah meningkat dan telah digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk; deteksi aktivitas seismik, oseanografi, arkeologi, dan navigasi, dan lain-lain.

Bagaimana Cara Kerja LiDAR

Teknologi ini sangat mirip dengan RADAR (navigasi gelombang radio yang digunakan oleh kapal dan pesawat) dan SONAR (deteksi objek bawah air dan navigasi menggunakan suara, terutama digunakan oleh kapal selam) yang keduanya menggunakan prinsip pantulan gelombang untuk deteksi objek dan jarak. perkiraan. Namun, sementara RADAR didasarkan pada gelombang radio dan SONAR didasarkan pada suara, LIDAR didasarkan pada berkas Cahaya (Laser).

LIDAR menggunakan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda termasuk; sinar ultraviolet, sinar tampak, atau sinar infra merah dekat ke objek gambar dan dengan demikian, mampu mendeteksi semua jenis komposisi material, termasuk; non-logam, batuan, hujan, senyawa kimia, aerosol, awan dan bahkan molekul tunggal. Sistem LIDAR dapat menyalakan hingga 1.000.000 pulsa cahaya per detik dan menggunakan waktu yang dibutuhkan agar pulsa tersebut dipantulkan kembali ke pemindai untuk menentukan jarak di mana objek dan permukaan di sekitar pemindai berada. Teknik yang digunakan untuk penentuan jarak dikenal sebagai waktu terbang dan persamaannya diberikan di bawah ini.

Jarak = (Kecepatan Cahaya x Waktu Penerbangan) / 2

Di sebagian besar aplikasi, selain pengukuran jarak jauh, peta 3D lingkungan / objek tempat berkas cahaya ditembakkan dibuat. Ini dilakukan melalui penembakan sinar laser secara terus menerus ke objek atau lingkungan.

Penting untuk dicatat bahwa, sebagai lawan dari pantulan tipe spekular yang dapat diperoleh di cermin bidang, pantulan yang dialami dalam sistem LIDAR adalah pantulan hamburan balik karena gelombang cahaya disebarkan kembali melalui arah datangnya. Bergantung pada aplikasinya, sistem LIDAR menggunakan variasi hamburan balik yang berbeda termasuk hamburan Rayleigh dan Raman,

Komponen Sistem LIDAR

Sistem LIDAR biasanya terdiri dari 5 elemen yang diharapkan ada terlepas dari variasi karena aplikasi. Komponen utama ini meliputi:

Laser
Pemindai dan sistem Optik
Prosesor
Elektronik pengaturan waktu yang akurat
Unit Pengukuran Inersia dan GPS

1. Laser

Laser berfungsi sebagai sumber energi untuk pulsa cahaya. Panjang gelombang laser yang digunakan dalam sistem LIDAR berbeda dari satu aplikasi ke aplikasi lainnya karena persyaratan spesifik dari aplikasi tertentu. Misalnya, sistem LiDAR Airborne menggunakan laser YAG yang dipompa dioda 1064 nm sementara sistem Batimetri menggunakan laser YAG yang dipompa dioda ganda 532nm yang menembus air (hingga 40 meter) dengan atenuasi yang jauh lebih sedikit daripada versi 1064nm di udara. Namun, Terlepas dari aplikasinya, laser yang digunakan biasanya memiliki energi rendah untuk memastikan keamanan.

2. Scanner dan Optik

Scanner adalah bagian penting dari sistem LIDAR manapun. Mereka bertugas memproyeksikan pulsa laser ke permukaan dan menerima kembali pulsa yang dipantulkan dari permukaan. Kecepatan pengembangan gambar oleh sistem LIDAR bergantung pada kecepatan pemindai menangkap berkas hamburan balik. Terlepas dari aplikasinya, optik yang digunakan dalam sistem LIDAR harus memiliki presisi dan kualitas yang tinggi untuk mendapatkan hasil terbaik terutama untuk pemetaan. Jenis lensa, pilihan kaca tertentu, bersama dengan lapisan optik yang digunakan adalah penentu utama resolusi dan kemampuan jangkauan LIDAR.

Bergantung pada aplikasinya, berbagai metode pemindaian dapat diterapkan untuk resolusi yang berbeda. Pemindaian azimuth dan elevasi, serta pemindaian sumbu ganda adalah beberapa metode pemindaian yang paling populer.

3. Prosesor

Prosesor berkapasitas tinggi biasanya merupakan jantung dari sistem LIDAR mana pun. Ini digunakan untuk menyinkronkan dan mengoordinasikan aktivitas semua komponen individu dari sistem LIDAR memastikan semua komponen bekerja pada saat yang seharusnya. Prosesor mengintegrasikan data dari pemindai, pengatur waktu (jika tidak dibangun ke dalam subsistem pemrosesan), GPS dan IMU untuk menghasilkan data titik LIDAR. Data titik ketinggian ini kemudian digunakan untuk membuat peta tergantung pada aplikasinya. Di Mobil Tanpa Pengemudi, data titik digunakan untuk menyediakan peta lingkungan waktu nyata untuk membantu mobil menghindari rintangan dan navigasi umum.

Dengan cahaya yang bergerak dengan kecepatan sekitar 0,3 meter per nanodetik dan ribuan sinar biasanya dipantulkan kembali ke pemindai, prosesor biasanya diharuskan memiliki kecepatan tinggi dengan kemampuan pemrosesan yang tinggi. Dengan demikian, kemajuan dalam kekuatan pemrosesan elemen komputasi telah menjadi salah satu pendorong utama teknologi LIDAR.

4. Elektronik Waktu

Pengaturan waktu yang akurat sangat penting dalam sistem LIDAR karena seluruh operasi dibangun tepat waktu. Elektronik pengaturan waktu mewakili subsistem LIDAR yang mencatat waktu tepat pulsa laser pergi dan waktu yang tepat kembali ke pemindai.

Presisi dan akurasinya tidak bisa terlalu ditekankan. Karena pantulan yang tersebar, pulsa yang dikirim biasanya memiliki beberapa pengembalian yang masing-masing perlu diatur waktunya secara tepat untuk memastikan keakuratan data.

5. Unit Pengukuran Inersia dan GPS

Saat sensor LiDAR dipasang pada platform seluler seperti satelit, pesawat terbang atau mobil, penting untuk menentukan posisi absolut dan orientasi sensor untuk menyimpan data yang dapat digunakan. Ini dicapai dengan penggunaan sistem pengukuran Inersia (IMU) dan Global Positioning System (GPS). IMU biasanya terdiri dari akselerometer, giroskop, dan magnetometer untuk mengukur kecepatan, orientasi, dan gaya gravitasi, yang digabungkan bersama, digunakan untuk menentukan orientasi sudut (Pitch, roll, dan Yaw) pemindai relatif terhadap tanah. GPS di sisi lain memberikan informasi geografis yang akurat mengenai posisi sensor, sehingga memungkinkan untuk georeferensi langsung dari titik-titik objek.Kedua komponen ini menyediakan metode untuk menerjemahkan data sensor menjadi titik statis untuk digunakan dalam berbagai sistem.

Informasi tambahan yang diperoleh dengan menggunakan GPS dan IMU sangat penting untuk integritas data yang diperoleh, dan membantu memastikan jarak ke permukaan diperkirakan dengan benar, terutama dalam aplikasi LIDAR seluler seperti kendaraan otonom dan sistem imaginasi berbasis Pesawat Udara.

Jenis LiDAR

Sementara sistem LIDAR dapat diklasifikasikan ke dalam jenis berdasarkan cukup banyak faktor, ada tiga jenis umum dari Sistem LIDAR yaitu;

Pencari jarak LIDAR
LIDAR serapan diferensial
LIDAR Doppler

1. Range Finder LIDAR

Ini adalah jenis sistem LIDAR yang paling sederhana. Mereka digunakan untuk menentukan jarak dari pemindai LIDAR ke suatu objek atau permukaan. Dengan menggunakan prinsip waktu terbang yang dijelaskan pada bagian “cara kerjanya”, waktu yang dibutuhkan sinar refleksi untuk mengenai pemindai digunakan untuk menentukan jarak antara sistem LIDAR dan objek.

2. Penyerapan Diferensial LIDAR

Sistem LIDAR absorpsi diferensial (kadang-kadang disebut sebagai DIAL), biasanya digunakan dalam menyelidiki keberadaan molekul atau bahan tertentu. Sistem DIAL biasanya menembakkan sinar laser dari dua panjang gelombang yang dipilih sedemikian rupa sehingga salah satu panjang gelombang akan diserap oleh molekul yang diinginkan sedangkan panjang gelombang lainnya tidak. Penyerapan salah satu balok menghasilkan perbedaan (penyerapan diferensial) dalam intensitas balok balik yang diterima oleh pemindai. Perbedaan ini kemudian digunakan untuk menyimpulkan tingkat keberadaan molekul yang diselidiki. DIAL telah digunakan untuk mengukur konsentrasi kimiawi (seperti ozon, uap air, polutan) di atmosfer.

3. LIDAR Doppler

Doppler LiDAR digunakan untuk mengukur kecepatan sebuah target. Ketika berkas cahaya yang ditembakkan dari LIDAR mengenai target yang bergerak menuju atau menjauh dari LIDAR, panjang gelombang cahaya yang dipantulkan / tersebar di luar target akan sedikit berubah. Ini dikenal sebagai pergeseran Doppler - sebagai hasilnya, Doppler LiDAR. Jika target bergerak menjauh dari LiDAR, lampu balik akan memiliki panjang gelombang yang lebih panjang (terkadang disebut sebagai pergeseran merah), jika bergerak menuju LiDAR, lampu balik akan berada pada panjang gelombang yang lebih pendek (bergeser biru).

Beberapa klasifikasi lain di mana sistem LIDAR dikelompokkan menjadi beberapa jenis meliputi:

Peron
Jenis hamburan balik

Jenis LiDAR berdasarkan Platform

Menggunakan platform sebagai kriteria, sistem LIDAR dapat dikelompokkan menjadi empat jenis termasuk;

LIDAR berbasis darat
LIDAR Lintas Udara
LIDAR Spaceborne
Gerak LIDAR

LIDAR ini berbeda dalam konstruksi, bahan, panjang gelombang, pandangan, dan faktor lain yang biasanya dipilih untuk menyesuaikan dengan pekerjaan di lingkungan tempat mereka akan ditempatkan.

Jenis LIDAR Berdasarkan Jenis Backscattering

Selama uraian saya tentang cara kerja sistem LIDAR, saya menyebutkan bahwa refleksi di LIDAR adalah melalui hamburan balik. Tipe keluar hamburan balik yang berbeda dan terkadang digunakan untuk menggambarkan tipe LIDAR. Jenis hamburan balik meliputi;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluoresensi

Aplikasi LiDAR

Karena keakuratan dan fleksibilitasnya yang ekstrem, LIDAR memiliki banyak aplikasi, khususnya, produksi peta resolusi tinggi. Selain survei, LIDAR telah digunakan di bidang pertanian, arkeologi, dan robot karena saat ini menjadi salah satu pendorong utama perlombaan kendaraan otonom, menjadi sensor utama yang digunakan di sebagian besar kendaraan dengan sistem LIDAR yang menjalankan peran yang mirip dengan mata untuk kendaraan.

Ada 100 aplikasi LiDAR lainnya dan akan coba sebutkan sebanyak mungkin di bawah ini.

Kendaraan Otonom
Pencitraan 3D
Survei tanah
Inspeksi Saluran Listrik
Manajemen Pariwisata dan Taman
Penilaian Lingkungan untuk Perlindungan Hutan
Pemodelan Banjir
Klasifikasi Ekologi & Lahan
Pemodelan Polusi
Eksplorasi Minyak dan Gas
Meteorologi
Ilmu samudra
Semua jenis Aplikasi militer
Perencanaan Jaringan Sel
Astronomi

Batasan LiDAR

LIDAR seperti setiap teknologi lainnya memiliki kekurangannya. The jangkauan dan akurasi sistem LIDAR yang sangat terpengaruh selama kondisi cuaca buruk. Misalnya, dalam kondisi berkabut, sejumlah besar sinyal palsu dihasilkan karena sinar yang dipantulkan oleh kabut. Hal ini biasanya menyebabkan efek hamburan mie dan dengan demikian, sebagian besar sinar yang ditembakkan tidak kembali ke pemindai. Kejadian serupa dialami dengan hujan karena partikel hujan menyebabkan pengembalian palsu.

Selain cuaca, sistem LIDAR dapat dibodohi (baik sengaja atau tidak sengaja) untuk berpikir bahwa suatu objek ada dengan mengedipkan "lampu" padanya. Menurut sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 2015, mem-flash pointer laser sederhana pada sistem LIDAR yang dipasang pada kendaraan otonom dapat mengacaukan sistem navigasi kendaraan, memberikan kesan adanya objek yang sebenarnya tidak ada. Cacat ini terutama dalam aplikasi laser mobil tanpa pengemudi, membuka banyak masalah keamanan karena tidak butuh waktu lama bagi pembajak mobil untuk menyempurnakan prinsip yang digunakan dalam serangan. Hal ini juga dapat menyebabkan kecelakaan dengan mobil berhenti tiba-tiba di tengah jalan jika mereka merasakan apa yang mereka yakini sebagai mobil atau pejalan kaki lain.

Keuntungan dan Kerugian LiDAR

Untuk menyelesaikan artikel ini, kita mungkin harus melihat alasan mengapa Anda LIDAR bisa cocok untuk proyek Anda dan alasan mengapa Anda mungkin harus menghindarinya.

Keuntungan

1. Kecepatan tinggi dan akuisisi data yang akurat

2. Penetrasi Tinggi

3. Tidak terpengaruh oleh intensitas cahaya di lingkungannya dan dapat digunakan pada malam hari atau di bawah sinar matahari.

4. Pencitraan Resolusi Tinggi dibandingkan dengan metode lain.

5. Tidak Ada Distorsi Geometris

6. Mudah diintegrasikan dengan metode akuisisi data lainnya.

7. LIDAR memiliki ketergantungan manusia yang minimal yang baik pada aplikasi tertentu dimana kesalahan manusia dapat mempengaruhi keandalan data.

Kekurangan

1. Biaya LIDAR membuatnya berlebihan untuk proyek-proyek tertentu. LIDAR paling tepat digambarkan sebagai relatif mahal.

2. Sistem LIDAR bekerja buruk dalam kondisi hujan lebat, kabut, atau salju.

3. Sistem LIDAR menghasilkan kumpulan data besar yang membutuhkan sumber daya komputasi tinggi untuk diproses.

4. Tidak dapat diandalkan dalam aplikasi air yang bergejolak.

5. Bergantung pada panjang gelombang yang diadopsi, kinerja sistem LIDAR terbatas pada ketinggian karena pulsa yang ditembakkan pada jenis LIDAR tertentu menjadi tidak efektif pada ketinggian tertentu.

LIDAR untuk Hobbyist dan Makers

Karena biaya LIDAR, sebagian besar sistem LIDAR di pasar (seperti velodyne LIDAR) digunakan dalam aplikasi industri (untuk menyatukan semua aplikasi "non-hobiis").

Yang paling dekat dengan “kelas hobi” sistem LIDAR benar tersedia saat ini adalah yang iLidar sensor Solid-State LIDAR dirancang oleh Hybo. Ini adalah sistem LiDAR kecil yang mampu melakukan pemetaan 3D (tanpa memutar sensor) dengan jarak maksimum efektif 6 meter. Sensor ini dilengkapi dengan port USB di samping port UART / SPI / i2C yang melaluinya komunikasi dapat dibuat antara sensor dan mikrokontroler.

iLidar dirancang agar sesuai dengan semua orang dan fitur yang terkait dengan LiDAR membuatnya menarik bagi pembuatnya.