编辑器的选择


现代激光雷达系统有望为每个行业提供传感服务

2021年2月26日编辑器的选择光电

最近的技术进步已经开启了以数字形式捕捉物理世界的前所未有的模式。其中一种方式是光探测和测距,即激光雷达。许多应用和行业都采用了激光雷达技术;应用范围从地理测量到三维结构测绘和物体识别。工业包括制造业自动化、安全、农业和许多其他行业。

所有这些应用和行业都在利用激光雷达降低成本,创造更安全的环境,提高效率,甚至做以前不可能做的事情。为了更好地理解激光雷达的影响,重要的是要了解这种技术是什么,在它之前使用了什么,以及激光雷达允许我们实际测量什么,更重要的是,做什么。

在最基本的层面上,激光雷达是一种可以反射物体光线来探测它们的系统。这归结为系统的发射部分发射光,接收部分测量反射光的返回时间。

这恰好正是传统的雷达系统如何工作,其中一个非常重要的区别:激光雷达系统的波长大约比最短雷达波长短一万倍。

图1所示。我们看到的和雷达看到的。

图2。激光雷达和MEMS技术的发展分别超过13年。

什么不同的激光雷达?

更短的波长能让我们做什么用雷达做不到的?更短的波长可以让我们看到更高分辨率的图像,这是由于物理上的限制,即测量方法不能比测量方法更精确。即使使用软件和信号处理的技巧,你也只能在使用长波长的情况下才能很好地描述某物。激光雷达的波长较短,我们可以扫描环境中的物体及其特征,而不仅仅局限于知道位置、大致大小和速度。

想象一下,试图导航一个陌生的黑暗房间。你通常比照亮更慢地移动,你会用手感受到对象的感觉,以获得某种程度上的东西。采取同样的场景并戴上一对乳胶手套,园艺手套或拳击手套。每对手套中的每一对都有价值在自己的应用中,但在尝试在黑暗中导航时不会那么多。

图3.使用特殊西装的3D运动捕获,跟踪白色球体的运动。

图4。使用激光雷达的特征捕获提供了更丰富的特征图像。

激光雷达不是已经存在几十年了吗?什么是新的吗?

雷达已经成功地使用了数十年,并将继续是宝贵的,但现在我们在地平线上有一个额外的工具,使我们能够进一步扩展我们在这个世界中感受事物的能力。到目前为止,LIDAR仅限于大型且昂贵的(如专业测量设备)或更小更简单(如执法的速度检测装置)的应用。

高性能LIDAR系统必须符合某些标准。例如,在峰值为40a至80a的峰值时需要脉冲3 ns至5 ns以使其对汽车激光驱动器的吸引力最终接近这些感兴趣的景点,使这部分LiDAR A的峰值脉冲3 ns至5 ns。现实。其他因素包括小型高效的电源管理,子系统集成,廉价的高速数据处理和复杂的软件,以了解所有这些数据。

我们有能力提高激光雷达系统的性能,降低电力预算,这接近于在许多应用中使用它是有意义的,这些应用以前根本不能满足需求。由于这种临界质量正在接近,在降低成本、尺寸和功率需求的同时提高性能的共同努力正在加速这种解决方案的吸引力。

图5.采石场的映射高程。

图6。实时更新施工现场,告知设计需要的变化。

就像20世纪90年代的微电子机械系统(MEMS)革命一样,今天的激光雷达正变得更小、更便宜、更多功能。与其他系统和子系统相比,激光雷达和MEMS都花了很长时间来充分发挥它们的潜力。

MEMS虽然开发于20世纪50年代,但由于其成本、尺寸、功率需求和性能,从未成为集成到许多系统中的实际选择。直到20世纪90年代,工艺技术成熟到足以满足需求,MEMS的扩散才有可能应用到以前从未想过的应用中。类似地,激光雷达(在1960年代早期发展)现在才准备好满足类似的需求。

目前正在发生变化的是影响高性能激光雷达系统设计和制造的各种因素。这些额外的因素帮助激光雷达满足了其固有的限制,如降低成本,解决尺寸和功率问题,并提高整体性能。由于这些因素有助于提高激光雷达技术的性能,同时降低开发成本,因此有必要在其他领域进行激光雷达的应用。

激光雷达让我们做了什么以前没有做过的事情?

想象一下,可以使用一个可以在更可达的价格点扫描表面的系统中开发出了哪种新颖的技术。以下是Lidar Systems应用的几个创新:

娱乐

娱乐业的一个好处是,人们能够以数字方式绘制出复杂的场景或物体,从而使我们所知道的现实与软件生成的现实之间的互动更加无缝。在电影或视频游戏,例如,这允许流体三维动作捕捉人类演员转录成一个虚构的宇宙,直到现在依赖昂贵的西装与传感器(转达了有限的运动信息)或自造动画(根据所需的水平的细节,并且可以缓慢而昂贵的)。

地理测量

激光雷达已经用于地理测量有一段时间了,但这些系统的范围和分辨率的增加使研究人员能够发现无法步行调查的古代遗迹。其规模和成本的不断降低也使其在民用土地测量和工程中更具吸引力,在速度、精度、灵活性和安全性方面都优于传统的土地测量方法。

结构与土木工程

作为建筑物的构造,LIDAR可用于实时监测施工进度,将这些测量结果与当前的原理图进行比较,并允许更新这些原理图。也可以扫描现有结构以更好地了解完整性随着时间的推移的演变,这将使我们能够更适当地评估改造或重建的需求。

运输

自动驾驶的灵丹妙药是增加一个低成本的激光雷达系统,以补充目前测量车辆周围环境的仪器套件。激光雷达信号允许自动系统测量雷达无法测量的详细地表特征(从而识别目标),并比传统的视觉系统更好地穿越天气障碍。

安全

“我前面有什么东西吗?”“激光雷达系统的传感器可以知道在安全情况下如何以及何时做出反应。当类似人的物体进入机器人的路径时,处理重物的机械手臂将能够做出更敏锐的反应,而不是被设计用来处理的物体。

农业

多年来,人们一直使用简单的传感器来检测粮仓中的粮食水平、作物状况、燃料水平等。这些方法往往没有捕捉到更深层次的内容,比如谷物被倒进筒仓时形成的土堆的形状以及在哪里测量(最高、最低、平均或任意点)会影响储存的利用效率。

目前,使用传统方法获取这些信息的唯一方法是使用多个传感器,这本身有分辨率限制,同时增加了巨大的制造成本。随着时间的推移,能够捕捉整个作物生长的颗粒细节,提供了重要的数据,并可以实时地为未来的作物提供栽培实践信息。激光雷达还可以帮助优化收获作物的自动化机械的运动。

图7.夜间近端物体的汽车检测特征,允许车辆的安全操作。

自动化

了解精确细节的物理结构为机器人提供了巨大的价值,可以更准确且适当地处理各种尺寸和几何形状的物体。这可以推断为涉及重复处理或分类的任何制造或仓库上下文。拥有这种附加信息还可以允许在制造中放宽其他不必要的紧张公差,节省生产和质量控制的成本。

上述应用程序是目前正在开发或已经开发的应用程序。在人类的努力中,情况总是如此,我们不可能知道人们会想出什么其他创造性和有用的方法来使用激光雷达等技术。如果你有一个产品或系统可以利用激光雷达的好处,模拟设备有专业知识,可以帮助你沿着旅程从概念到创造,使想法成为现实。

图8。耕地与随后的实时地形测绘-不敏感的光照条件由于激光雷达的性质。

图9。在装瓶之前就可以检测到损坏和缺陷,而在这一点上设置一个大的视觉系统通常是不现实的(这通常是在瓶子装满和包装后使用)。当这些瓶子在视觉上难以区分时,这一点尤其有用。

看看激光雷达是否能为你的公司提供价值

www.analog.com/lidar包含一个用于希望进入LIDAR空间的公司的发射垫或增强他们目前的产品。对于基于高级别的基于应用程序的方法,请与Altron Arrow联系以进行指导(下面的联系方式)如何接近这些问题。对于一种技术方法,ADI公司具有评估平台,例如AD-FMCLIDAR1-EBZ开发平台,可以通过避免不必要的设计,帮助您的产品更快地推销。

欲了解更多信息,请联系Conrad Coetzee, Altron Arrow, +27 11 923 9600,ccoetzee@arrow.altech.co.zawww.altronarrow.com.


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