LiDARとは?

LiDARの基本的な機能は、デバイスから放出されたレーザーパルスが対象物に当たって反射し、戻ってきたときにデバイスに登録されることです。デバイスは、正確なタイミング情報を用いて、ビームが放出されてから受信されるまでの飛行時間を知り、その時間と不変の光速を用いて対象物までの距離を計算する。水平・垂直方向のパルスの角度と対象物までの距離がわかれば、球体座標での3D画像の構築に必要な情報が得られます。つまり、測定されたすべての点は、LiDARの座標フレーム、記録された時間、反射ビームの強度に対する3D位置がわかるということです。

これにより、LiDARは周囲の環境をマッピングすることができます。レーザーパルスの数が多ければ多いほど、より効果的にこの機能を果たすことができます。多くのLiDARデバイスは、レーザービームの固定チャンネルを持っており、各スライスがLiDARからの円錐形の表面である周囲のエリアの「スライス」で3D画像を構築します。下のスクリーンショットは、Velodyneのビューイングソフトウェアから取得したものですが、これを見ることができます。VLP16 LiDARには16のレーザーチャンネルがあり、デバイスが静止しているときには、環境の16の「スライス」によって見ることができます。他のLiDARは、ギャップを埋めるためにビームの方向を変化させるインテリジェントな方法を持っています。また、1つのチャンネルで3D空間をマッピングするLiDARもあります。

LiDARには、適用範囲、性能、物理的特性など、さまざまな種類があります。市販されている多くのLiDARは機械的に作動します。レーザー、ミラー、機械的な回転を利用して、レーザーチャンネルが3D環境をマッピングします。下の図は、Hesai XTのマニュアルから引用したものですが、内部のレーザーがどのように分割され、デバイスから放出される32のレーザーチャンネルになっているかを示しています。これらはそれぞれ固定の仰角を持っています。機械的に回転させることで、チャンネルを水平面内で回転させ、3Dエリアをカバーします。

LiDAR技術のもう一つの形態として、ソリッドステートLiDARが普及しつつあります。この技術は、可動部のない高精度のLiDARを、より低コストで実現します。ソリッドステートLiDARは、シリコンチップ上に印刷されているため可動部がなく、生産量の拡大に適しており、デバイスは非常に堅牢です。近い将来、これらのLiDARは様々なシステムに採用されることになるでしょう。OxTS では、自律走行システムのセンサーデータを提供するために使用されている自動車分野でのソリッドステートLiDARの使用に興味を持っています。

私たちは、LiDARとナビゲーションデータを組み合わせて、主な用途の一つであるモバイルマッピングの測量を行っています。LiDARの精度を高めるためには、非常に正確なナビゲーションデータが必要です。LiDARがミリやセンチメートル単位の精度であれば、ナビゲーションデータも同じレベルの精度である必要があります。そのため、ナビゲーションデバイスがシステム全体の誤差のボトルネックになることが多いのです。測量レベルのLiDAR点群データを得るためには、強力なIMUとGNSS受信機技術を備えた測量レベルのINSが必要であり、カルマンフィルターでしっかりと組み合わせなければなりません。ナビゲーションデータがあれば、LiDARのフレームを組み合わせて、使用可能なポストプロセスの点群にすることができます。

LiDARデータは、その精度と密度の高さから、非常に多くの測量用途に利用されています。航空機にLiDARを搭載して、長期にわたる地理的な調査を行ったり、UAVマルチコプターにLiDARを搭載して、高精度な道路や建物の調査を行うことができます。また、LiDARデータをカメラデータと組み合わせることで、実在するランドマークにリアルなデジタルツインモデルを与えるために必要なRGBデータなど、点群にさらなる次元を与えることができます。このように、LiDARの用途は非常に多岐にわたっており、その応用範囲も非常に広いため、LiDARは急速に主要な測量センサー技術になりつつあります。

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