- LiDARとは何ですか？
- LiDARはどのように機能しますか
- LIDARシステムのコンポーネント
- LiDARの種類
- プラットフォームに基づくLiDARのタイプ
- 後方散乱のタイプに基づくLIDARのタイプ
- LiDARのアプリケーション
- LiDARの制限
- LiDARの長所と短所
- 愛好家とメーカーのためのLIDAR
1990年代の最大の技術ファンタジーの1つであった自動運転車（「ラブバッグ」や「デモリションマン」などの初期の映画に支えられた）は、いくつかの技術、特にLIDARを中心に行われた大きな進歩のおかげで、今日現実となっています。
LiDARとは何ですか？
LIDAR（Light Detection and Rangingの略）は、物体に光線を発射することによって物体の距離を測定し、反射された光線の時間と波長を使用して距離を推定する測距技術です（レーザーイメージング）、オブジェクトの3D表現を作成します。
レーザーの背後にある考え方は1930年のEHSyngeの業績にまでさかのぼることができますが、レーザーが発明されてから1960年代初頭までは問題ではありませんでした。本質的に、レーザー焦点イメージングと飛行時間技術を使用して距離を計算する機能の組み合わせであり、雲の測定に使用された気象学と、レーザー高度計がマッピングに使用された宇宙で最も初期のアプリケーションが見つかりました。アポロ15号のミッション中の月面。それ以来、この技術は向上し、次のようなさまざまなアプリケーションで使用されています。いくつか言及すると、地震活動、海洋学、考古学、ナビゲーションの検出。
LiDARはどのように機能しますか
この技術は、レーダー（船や飛行機で使用される電波ナビゲーション）やソナー（水中の物体検出と音を使ったナビゲーション、主に潜水艦で使用される）の技術と非常によく似ており、どちらも物体検出と距離に波の反射の原理を使用しています推定。ただし、RADARは電波に基づいており、SONARは音に基づいていますが、LIDARは光線（レーザー）に基づいています。
LIDARは、次のようなさまざまな波長の光を使用します。オブジェクトを画像化するための紫外線、可視光、または近赤外光、およびそれ自体、以下を含むすべての種類の材料組成を検出することができます。非金属、岩石、雨、化合物、エアロゾル、雲、さらには単一分子。LIDARシステムは、1秒あたり最大1,000,000の光パルスを発射し、パルスがスキャナーに反射して戻るのにかかる時間を使用して、スキャナーの周囲の物体や表面が配置されている距離を決定します。距離の決定に使用される手法は飛行時間として知られており、その方程式を以下に示します。
距離=（光速x飛行時間）/ 2
ほとんどのアプリケーションでは、遠隔測定以外に、光線が発射された環境/オブジェクトの3Dマップが作成されます。これは、オブジェクトまたは環境でのレーザービームの連続発射によって行われます。
平面鏡で得られる鏡面反射とは対照的に、LIDARシステムで発生する反射は、光波が到来した方向に拡散して戻るため、後方散乱反射であることに注意することが重要です。アプリケーションに応じて、LIDARシステムは、レイリー散乱やラマン散乱など、さまざまな後方散乱のバリエーションを使用します。
LIDARシステムのコンポーネント
LIDARシステムは通常、アプリケーションによる変動に関係なく存在すると予想される5つの要素で構成されます。これらの主要なコンポーネントは次のとおりです。
- レーザ
- スキャナーと光学システム
- プロセッサー
- 正確なタイミング電子機器
- 慣性計測装置とGPS
1.レーザー
レーザーは、光パルスのエネルギー源として機能します。LIDARシステムに展開されるレーザーの波長は、特定のアプリケーションの特定の要件により、アプリケーションごとに異なります。たとえば、航空機搭載LiDARシステムは1064 nmダイオード励起YAGレーザーを使用しますが、水深測量システムは532 nmダブルダイオード励起YAGレーザーを使用し、航空機搭載1064nmバージョンよりもはるかに減衰が少なく水（最大40メートル）を透過します。ただし、用途に関係なく、使用されるレーザーは通常、安全性を確保するために低エネルギーです。
2.スキャナーと光学
スキャナーは、LIDARシステムの重要な部分です。彼らは、レーザーパルスを表面に投射し、表面から反射されたパルスを受信することを担当しています。LIDARシステムによって画像が現像される速度は、スキャナーが後方散乱ビームをキャプチャする速度に依存します。アプリケーションに関係なく、LIDARシステムで使用される光学系は、特にマッピングで最良の結果を得るには、高精度で高品質である必要があります。レンズの種類、特定のガラスの選択、および使用される光学コーティングは、LIDARの解像度と範囲の機能の主要な決定要因です。
アプリケーションに応じて、さまざまなスキャン方法をさまざまな解像度に展開できます。方位角と仰角のスキャン、および2軸スキャンは、最も一般的なスキャン方法の一部です。
3.プロセッサー
大容量プロセッサは通常、LIDARシステムの中心です。これは、LIDARシステムのすべての個々のコンポーネントのアクティビティを同期および調整して、すべてのコンポーネントが必要なときに機能するようにするために使用されます。プロセッサは、スキャナー、タイマー（処理サブシステムに組み込まれていない場合）、GPS、およびIMUからのデータを統合して、LIDARポイントデータを生成します。これらの標高ポイントデータは、アプリケーションに応じてマップを作成するために使用されます。自動運転車では、ポイントデータを使用して環境のリアルタイムマップを提供し、障害物の回避と一般的なナビゲーションで車を支援します。
光はナノ秒あたり約0.3メートルの速度で移動し、通常は数千のビームが反射してスキャナーに戻るため、プロセッサーは通常、高速で高い処理能力を備えている必要があります。したがって、コンピューティング要素の処理能力の進歩は、LIDARテクノロジーの主要な推進力の1つです。
4.タイミングエレクトロニクス
LIDARシステムでは、操作全体が時間どおりに構築されるため、正確なタイミングが不可欠です。タイミング電子機器は、レーザーパルスが離れる正確な時間とスキャナーに戻る正確な時間を記録するLIDARサブシステムを表します。
その精度と正確さは強調しすぎることはありません。散乱反射のため、通常、送信されるパルスには複数のリターンがあり、データの精度を確保するために、それぞれを正確にタイミングを合わせる必要があります。
5.慣性計測装置とGPS
LiDARセンサーが衛星、飛行機、自動車などのモバイルプラットフォームに搭載されている場合、使用可能なデータを保持するには、センサーの絶対位置と方向を決定する必要があります。これは、慣性測定システム（IMU）と全地球測位システム（GPS）を使用することで実現されます。 IMUは通常、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計で構成され、速度、方向、重力を測定します。これらを組み合わせて、地面に対するスキャナーの角度方向（ピッチ、ロール、ヨー）を決定します。一方、GPSはセンサーの位置に関する正確な地理情報を提供するため、オブジェクトポイントの直接地理参照が可能になります。これらの2つのコンポーネントは、さまざまなシステムで使用するためにセンサーデータを静的ポイントに変換する方法を提供します。
GPSとIMUを使用して取得した追加情報は、取得したデータの整合性にとって非常に重要であり、特に自動運転車や飛行機ベースの想像システムなどのモバイルLIDARアプリケーションで、表面までの距離を正しく推定するのに役立ちます。
LiDARの種類
LIDARシステムは、かなりの数の要因に基づいてタイプに分類できますが、LIDARシステムには次の3つの一般的なタイプがあります。
- レンジファインダーLIDAR
- 微分吸収LIDAR
- ドップラーライダー
1.レンジファインダーLIDAR
これらは最も単純な種類のLIDARシステムです。これらは、LIDARスキャナーからオブジェクトまたはサーフェスまでの距離を決定するために使用されます。「仕組み」のセクションで説明した飛行時間の原理を使用することにより、反射ビームがスキャナーに当たるのにかかる時間を使用して、LIDARシステムとオブジェクトの間の距離を決定します。
2.差動吸収LIDAR
微分吸収LIDARシステム（DIALと呼ばれることもあります）は、通常、特定の分子または材料の存在を調査する際に使用されます。DIALシステムは通常、一方の波長が対象の分子に吸収され、もう一方の波長が吸収されないように選択された2つの波長のレーザービームを発射します。ビームの1つが吸収されると、スキャナーが受信する戻りビームの強度に差が生じます（吸収差）。次に、この違いを使用して、調査対象の分子の存在レベルを推測します。DIALは、大気中の化学物質濃度（オゾン、水蒸気、汚染物質など）を測定するために使用されてきました。
3.ドップラーライダー
ドップラーLiDARは、ターゲットの速度を測定するために使用されます。LIDARから発射された光線が、LIDARに近づいたり遠ざかったりするターゲットに当たると、ターゲットで反射/散乱される光の波長がわずかに変化します。これはドップラーシフトとして知られています-その結果、ドップラーLiDAR。ターゲットがLiDARから遠ざかる場合、戻り光の波長は長くなり（赤方偏移と呼ばれることもあります）、LiDARに向かって移動する場合、戻り光の波長は短くなります（青方偏移）。
LIDARシステムがタイプにグループ化される他の分類には、次のものがあります。
- プラットホーム
- 後方散乱のタイプ
プラットフォームに基づくLiDARのタイプ
プラットフォームを基準として使用すると、LIDARシステムは次の4つのタイプにグループ化できます。
- 地上ベースのLIDAR
- 空中LIDAR
- 宇宙搭載LIDAR
- モーションライダー
これらのLIDARは、構造、材料、波長、見通し、およびそれらが展開される環境で機能するものに合わせて通常選択されるその他の要因が異なります。
後方散乱のタイプに基づくLIDARのタイプ
LIDARシステムがどのように機能するかについての説明の中で、LIDARでの反射は後方散乱によるものであると述べました。さまざまなタイプの後方散乱出口と、LIDARのタイプを説明するために使用されることがあります。後方散乱の種類は次のとおりです。
- 三重
- レイリー
- ラマン
- 蛍光
LiDARのアプリケーション
LIDARは、その非常に高い精度と柔軟性により、特に高解像度の地図の作成など、さまざまな用途に使用できます。LIDARは、調査だけでなく、農業、考古学、ロボットでも使用されています。これは、現在、自動運転車レースの主要なイネーブラーの1つであり、LIDARシステムと同様の役割を果たすほとんどの車両で使用される主要なセンサーです。車両の目。
LiDARには他にも何百ものアプリケーションがあり、以下でできるだけ多くのアプリケーションについて言及しようとします。
- 自動運転車
- 3Dイメージング
- 土地測量
- 電力線検査
- 観光と公園の管理
- 森林保護のための環境アセスメント
- 洪水モデリング
- 生態学的および土地分類
- 汚染モデリング
- 石油とガスの探査
- 気象学
- 海洋学
- あらゆる種類の軍事用途
- セルネットワーク計画
- 天文学
LiDARの制限
LIDARには、他のすべてのテクノロジーと同様に欠点があります。LIDARシステムの範囲と精度は、悪天候時に悪影響を受けます。たとえば、霧の状態では、ビームが霧によって反射されるため、かなりの量の誤った信号が生成されます。これは通常、ミー散乱効果につながり、そのため、発射されたビームの大部分はスキャナーに戻りません。雨の粒子が偽の戻りを引き起こすので、同様の発生が雨で経験されます。
天候に加えて、LIDARシステムは（故意または故意に）だまされて、オブジェクトに「ライト」を点滅させることでオブジェクトが存在すると考えることができます。2015年に発表された論文によると、自動運転車に搭載されたLIDARシステムで単純なレーザーポインターを点滅させると、車両のナビゲーションシステムの方向が乱れ、物体が存在しないという印象を与える可能性があります。特に自動運転車でのレーザーの適用におけるこの欠陥は、カージャッカーが攻撃で使用するための原理を洗練するのにそれほど時間はかからないため、多くのセキュリティ上の懸念を引き起こします。また、他の車や歩行者と思われるものを感知すると、道路の真ん中で急に車が止まる事故につながる可能性があります。
LiDARの長所と短所
この記事を締めくくるには、LIDARがプロジェクトに適している理由と、LIDARを避ける必要がある理由を検討する必要があります。
利点
1.高速で正確なデータ収集
2.高い浸透
3.環境内の光の強さの影響を受けず、夜間または太陽の下で使用できます。
4.他の方法と比較した高解像度イメージング。
5.幾何学的な歪みはありません
6.他のデータ収集方法と簡単に統合できます。
7. LIDARの人間依存性は最小限であり、ヒューマンエラーがデータの信頼性に影響を与える可能性がある特定のアプリケーションに適しています。
短所
1. LIDARのコストは、特定のプロジェクトにとってはやり過ぎになります。LIDARは、比較的高価であると最もよく説明されています。
2. LIDARシステムは、大雨、霧、または雪の状態ではパフォーマンスが低下します。
3. LIDARシステムは、処理に高い計算リソースを必要とする大きなデータセットを生成します。
4.乱流のアプリケーションでは信頼性がありません。
5.採用された波長に応じて、特定の種類のLIDARで発射されたパルスが特定の高度で無効になるため、LIDARシステムのパフォーマンスは高度が制限されます。
愛好家とメーカーのためのLIDAR
LIDARのコストが原因で、市場に出回っているほとんどのLIDARシステム（ベロダインLIDARなど）は、産業用アプリケーションで使用されています（すべての「非愛好家」アプリケーションをまとめるため）。
現在利用可能な「愛好家グレード」のLIDARシステムに最も近いのは、Hyboによって設計されたiLidarソリッドステートLiDARセンサーです。これは、有効最大範囲が6メートルの3Dマッピング（センサーを回転させずに）が可能な小型のLiDARシステムです。センサーには、UART / SPI / i2Cポートの横にUSBポートが装備されており、センサーとマイクロコントローラーの間で通信を確立できます。
iLidarはすべての人に合うように設計されており、LiDARに関連する機能によりメーカーにとって魅力的です。