ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ LIDAR КАК АЛЬТЕРНАТИВА РАДИОВОЛНОВЫМ СИСТЕМАМ

В 2022 году компания Innoviz разработала два высокопроизводительных твердотельных датчиков, основанных на технологии LiDAR автомобильного класса, а также ведущее в отрасли программное обеспечение для восприятия.

В то время как LiDAR может использоваться во многих отраслях промышленности и приложениях, Innoviz One был специально разработан для автопроизводителей и компаний, занимающихся робототехникой, челночными перевозками и доставкой, которым требуется автономное решение массового производства автомобильного класса. Благодаря дальности обнаружения до 250 м, угловому разрешению 0,1°´0,1° (H´V) и настраиваемой частоте кадров 5-20 кадров в секунду Innoviz One был разработан для достижения самых высоких стандартов в отрасли.

Полнофункциональный, высокопроизводительный датчик автомобильного класса Innoviz Two был разработан для всех уровней автономного вождения при значительно сниженных затратах. Устройство предназначено для нескольких промышленных применений (бытовые транспортные средства, промышленные беспилотные летательные аппараты, тяжелая техника и многое другое) и может похвастаться увеличением дальности действия (до 300 м), угловым разрешением (0,07° ´ 0,05°), полем обзора (125° ´ 40°), настраиваемой частотой кадров 10-20 кадров в секунду и больше.[5]

Типовой «лидарный» датчик работает по простому принципу, также известному как принцип времени полета (рис. 1). Он посылает импульсные световые волны в окружающую среду, и эти импульсы отражаются или отскакивают от объектов и возвращаются к детектору датчика. Время, затраченное на возврат каждого импульса, используется для расчета пройденного им расстояния.

Рисунок 1. Работа датчика

Многие компании уже отказались от ряда других технологий и датчиков, таких как радары или инфракрасное излучение, во многих приложениях, поскольку они не были достаточно точными в своем обнаружении и инкапсуляции данных. Для решения многих задач, к примеру, сканирование между деревьями, LiDAR оказывается ценной технологией, поскольку он предлагает быстрый, точный и прямой метод 3D-картирования при одновременном получении точных и простых в анализе данных.

Также в мобильных приложениях, где требуется высокая точность и надежность, эта технология быстро набирает популярность.

Эти особенности выделяют LiDAR среди большинства альтернативных методов, например, фотограмметрических методов, которые сталкивались с трудностями при интерпретации высот на земле. Современные лидары в основном независимы от факторов окружающей среды и могут работать непрерывно, что дает им значительное преимущество перед такими датчиками, как камеры, которые практически бесполезны в темноте или под дождем. LiDAR основан на том же принципе, что и радар, за исключением того, что он использует световые лучи вместо высокочастотных радиоволн. [6]

Полноценная радиолокационная решетка не так практична для проекта небольшого робота, однако доступны небольшие микроволновые и радарные датчики. Они могут использоваться в тех же приложениях, что и LiDAR, и имеют аналогичный или больший диапазон и возможности. Некоторые предметы поглощают или пропускают радиоволны и плохо обнаруживаются с помощью радара. [1, с. 46]

Поскольку радар основан на радиоволнах (микроволнах), он работает так же быстро, как Lidar. Последний имеет преимущество в разрешении, но радар все еще довольно эффективен. При низком уровне мощности, необходимом для небольшого датчика, радар не будет представлять угрозы для здоровья человека или животных, но будет потреблять немного больше тока, чем лидарные датчики.

Самоуправляемые транспортные средства используют комбинацию лидарных и радарных датчиков.

Таблица 1.

Сравнение технологий LiDAR и Радар

Лидарный датчик нашел свое применение практически во всех сферах жизни и имеет широкий спектр применений:

- Безопасность:

Системы безопасности на основе этих датчиков более безопасны благодаря возможности обработки данных в режиме реального времени и высокой точности. Области применения могут варьироваться от защиты периметра до обнаружения фасада и даже наблюдения за толпой.

- Картографирование:

Для проведения геодезических работ часто требуются лидарные системы для сбора 3D-измерений. Они используются для создания цифрового рельефа (DTM) и цифровых моделей высот (DEMs) для требуемых ландшафтов. [6]

- Архитектура:

Лидары также полезны для обследования застроенной среды. Это касается зданий, дорожных сетей и железных дорог и невероятно важно для приложений "умного города".

- Автомобильная промышленность:

Лидары вновь обрели популярность благодаря автомобильным приложениям. Они являются неотъемлемой частью превращения автономных транспортных средств в реальность.

- Недвижимость:

Лазерные сканеры можно использовать для измерения внутреннего пространства и создания цифровых планов этажей для виртуальных туров.[5]

- Строительство:

Строительная индустрия также использует LiDAR для отслеживания строительных проектов и создает цифровых двойников для приложений информационного моделирования зданий (BIM). Они также могут помочь создавать 3D-модели для реставрации зданий, таких как Собор Парижской Богоматери, прогнозного обслуживания и мониторинга конструкций, а также Revit-модели для архитекторов и инженеров. Данная технология также может быть полезна при измерении объема строительных материалов, таких как бревенчатые настилы, или при измерении насыпного объема цемента или песка. [3, с. 22]

- Окружающая среда:

LiDAR - популярный метод для составления карт риска наводнений, плотности деревьев в лесу и мониторинга береговой эрозии.

- Космические путешествия:

У лидара есть даже внеземные приложения. NASA и SpaceX Илона Маска использовали эти датчики для оказания помощи в посадке и эксплуатации ракет и внеземных транспортных средств.

Можно выделить следующие преимущества данной технологии:

1) высокая скорость и точность сбора данных;

2) глубокое проникновение волн;

3) на датчики не влияет интенсивность света внешней среды, поэтому может использоваться в ночное время;

4) высокое качество изображения;

5) удобно комбинируется с другими технологиями;

6) не сильно зависит от ошибки человека.

Несмотря на свои достоинства, эта технология имеет и недостатки:

1) очень высокая стоимость технологии;

2) данные системы достаточно слабо работают в условиях плохой погоды;

3) создают большие наборы данных, которые требуют сложной вычислительной обработки;

4) присутствует погрешность результатов в условиях турбулентности и воды;

5) ограниченность по высоте из-за неэффективности импульсов.

При современном уровне научно-технического прогресса предпочтительной формой изготовления является комплексно-автоматизированное производство.

Специалистам в области автоматизации технологических процессов часто ставится цель по переводу изготовления на человеческие технологические нужды, что заметно уменьшит потери организации.

К примеру, отечественные изготовители техники для сельского хозяйства высказываются о необходимости автоматизации сельскохозяйственных машин так: «В итоге подъема энергонасыщенности, а значит и трудящихся скоростей тракторов, появляется надобность в автоматизации управления ими. Это обосновано еще несоответствием совместного количества тракторов, сельскохозяйственных машин, автомашин в сельском хозяйстве с количеством механизаторских сотрудников. В связи с этим нужно делать автоматы на тракторах, которые управляли бы положением трудящихся орудий, скоростью перемещения, режимом работы двигателя, курсовой стабильностью, торможением и разгоном трактора». [2]

На основании данных фактов можно сделать вывод о необходимости применения более современных и развивающихся технологий, способных воспринимать большое количество информации за небольшое время без значительных ошибок. Этими характеристиками и обладает технология LiDAR.

Делая акцент на научные материалы, экспериментальные данные и богатый мировой навык применения LiDAR, можно говорить о высочайшей плотности данных, точности и чувствительности предоставленной технологии.