What is LiDAR? A powerful technology explained

Was ist LiDAR?

Bei OXTS arbeiten wir häufig mit LiDAR. Aber was ist LiDAR?

LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Methode zur Messung der Entfernung zu Objekten in der Umgebung des LiDAR-Geräts.

LiDAR funktioniert ähnlich wie Radar, daher die Ähnlichkeit in der Namensgebung, verwendet aber Laser anstelle von Radiowellen. Laser arbeiten in der Regel mit viel kleineren Wellenlängen als Radiowellen (~5 cm bei Radar), was LiDAR den entscheidenden Vorteil einer höheren Auflösung verleiht. Es können feinere Details erkannt werden. Durch die Verwendung von Lasern können auch die immensen Fortschritte in der Lasertechnologie genutzt werden, was uns eine sehr leistungsfähige Technologie in kleinen und erschwinglichen Paketen ermöglicht. Leider bedeutet dies auch, dass der Wirkungsbereich und die Eindringtiefe von LiDAR ist gegenüber Radar stark verkürzt.

Was ist LiDAR? Die grundlegende Funktion von LiDAR

Die Grundfunktion von LiDAR besteht darin, dass das Gerät Laserimpulse aussendet, die dann auf ein Objekt treffen, reflektiert und bei ihrer Rückkehr vom Gerät registriert werden.

Mit Hilfe präziser Zeitangaben kennt das Gerät die Laufzeit des Strahls zwischen seiner Aussendung und seinem Empfang und errechnet aus der Zeit und der unveränderlichen Lichtgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt. Wenn das Gerät den Winkel des Impulses in der horizontalen und vertikalen Ebene und die Entfernung zum Objekt kennt, dann hat es alles, was es braucht, um ein 3D-Bild in Kugelkoordinaten zu erstellen. Das bedeutet, dass für jeden gemessenen Punkt die 3D-Position in Bezug auf den LiDAR-Koordinatenrahmen, den Zeitpunkt der Aufnahme und die Intensität des reflektierten Strahls bekannt ist.

Dadurch kann LiDAR seine unmittelbare Umgebung kartieren. Je mehr Laserimpulse ausgesendet werden, desto effektiver ist das Gerät in dieser Hinsicht. Viele LiDAR-Geräte verfügen über feste Kanäle mit Laserstrahlen, die ein 3D-Bild in "Scheiben" der Umgebung erstellen, wobei jede Scheibe eine konische Oberfläche des LiDAR ist. Sie können dies auf dem untenstehenden Screenshot aus der Betrachtungssoftware von Velodyne sehen. Das VLP16 LiDAR verfügt über 16 Laserkanäle, was bei stationärem Gerät an den 16 "Scheiben" der Umgebung zu erkennen ist. Andere Geräte verfügen über intelligente Möglichkeiten, die Richtungen der Strahlen zu variieren, um die Lücken zu füllen. Andere LiDAR-Geräte verwenden einen einzigen Kanal, um den 3D-Raum abzubilden.

Was ist LiDAR? Die verschiedenen Arten von LiDAR-Sensoren

Es gibt viele verschiedene Arten von LiDAR, die ein breites Spektrum an Anwendbarkeit, Leistung und physikalischen Eigenschaften abdecken.Viele der im Handel erhältlichen LiDAR arbeiten mechanisch. Mithilfe eines Lasers, eines Spiegels und einer mechanischen Drehung zeichnen die Laserkanäle die 3D-Umgebung auf. In der nachstehenden Abbildung aus dem Handbuch des Hesai XT sehen Sie, wie der Laser im Inneren aufgeteilt wird, um 32 Laserkanäle zu erzeugen, die aus dem Gerät ausgestrahlt werden. Diese haben jeweils einen festen Elevationswinkel. Durch mechanische Drehung werden die Kanäle dann in der horizontalen Ebene gedreht, um einen 3D-Bereich abzudecken.

Festkörper-LiDAR

Eine andere Form der LiDAR-Technologie, die sich immer mehr durchsetzt, ist Solid-State-LiDAR.

Diese Technologie macht hochpräzises LiDAR ohne bewegliche Teile zu einem wesentlich günstigeren Preis möglich. Festkörper-LiDAR hat keine beweglichen Teile, da es auf Siliziumchips gedruckt wird, wodurch sich die Produktion perfekt skalieren lässt und die Geräte sehr robust sind. Es ist wahrscheinlich, dass diese LiDAR in naher Zukunft in einer ganzen Reihe von Systemen zum Einsatz kommen werden. Bei OXTS sind wir an der Verwendung von Solid-State-LiDAR interessiert, insbesondere im Automobilsektor, wo es zur Bereitstellung von Sensordaten für autonome Fahrsysteme eingesetzt wird.

Wir kombinieren LiDAR mit Navigationsdaten für eine der Hauptanwendungen, die mobile Kartierung. Für die Verknüpfung mit LiDAR sind sehr genaue Navigationsdaten erforderlich, um den Präzisionsgrad zu erreichen, zu dem LiDAR in der Lage ist. Wenn LiDAR auf Millimeter- oder Zentimeter-Ebene genau ist, müssen auch die Navigationsdaten auf diese Genauigkeit gebracht werden. Dadurch wird das Navigationsgerät oft zum Engpass für Fehler im Gesamtsystem. Um LiDAR-Punktwolkendaten in Vermessungsqualität zu erhalten, ist ein vermessungsgerechtes INS mit leistungsstarker IMU- und GNSS-Empfängertechnologie erforderlich, die in einem Kalman-Filter eng miteinander kombiniert sind. Mit den Navigationsdaten können die LiDAR-Frames zu einer brauchbaren, nachbearbeiteten Punktwolke kombiniert werden.

Die Präzision und Dichte der LiDAR-Daten machen sie für eine Vielzahl von Vermessungsanwendungen nützlich

Flugzeuge können LiDAR-Daten für geografische Vermessungen mit langer Basislinie tragen, und UAV-Multikopter können LiDAR-Daten für hochpräzise Straßen- oder Gebäudevermessungen tragen. LiDAR-Daten können auch mit Kameradaten kombiniert werden, um einer Punktwolke weitere Dimensionen zu verleihen, z. B. RGB-Daten, die benötigt werden, um realistische digitale Zwillingsmodelle von realen Landmarken zu erstellen. Die Einsatzmöglichkeiten von LiDAR sind so vielfältig und ihre Anwendungen so weitreichend, dass sie sich schnell zur wichtigsten Vermessungssensorik entwickeln.