Posted in Robotics

Lidar Technology || Lidar là gì vậy?

Lidar là một công nghệ khảo sát tiên tiến để đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu mục tiêu đó bằng một tia laze và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến. Sự khác nhau về thời gian và bước sóng laser sau đó có thể được sử dụng để tạo các mô hình kỹ thuật số thể hiện mục tiêu trong không gian 3D. LiDAR thường được kết hợp với các loại máy ảnh để thu thập đồng thời hình ảnh của đối tượng và xây dựng lên hình ảnh 3D “như thật” của đối tượng. Lidar được sử dụng rộng rãi để tạo ra các sản phẩm đồ hoạ có độ phân giải cao, với nhiều ứng dụng cao cấp trong các ngành trắc địa, geomatics, khảo cổ, địa lý, địa chất, địa mạo, địa chấn, lâm nghiệp, vật lý, bản đồ… Công nghệ này cũng được sử dụng để kiểm soát và điều hướng cho một số phươpng tiện giao thông tự hành. Lidar đôi khi được gọi là quét laser và quét 3D, và gồm 3 loại: lidar mặt đất, hàng không và di động.

Lidar bao gồm có:

Lidar hàng không

Ưu điểm

Độ chính xác cao

LiDAR có thể thu thập dữ liệu địa hình rất chính xác trong khi bay quét ở độ cao lớn hơn độ cao bay chụp không ảnh. Độ chính xác của dữ liệu bay chụp không ảnh tỷ lệ với độ cao bay chụp trong khi độ chính xác của dữ liệu LiDAR giảm đi không đáng kể khi độ cao bay tăng lên. Hơn nữa, LiDAR thu nhận trực tiếp dữ liệu 3 chiều

Hiệu suất thu thập lớn

LiDAR chỉ cần duy nhất 1 tia laser “gần-vuông góc” với mặt đất để khảo sát địa hình. Tia laser có khả năng xuyên qua tán cây chạm tới bề mặt và phản hồi tới cảm biến trong khi chụp không ảnh lại yêu cầu hiệu ứng lập thể (cùng nhìn thấy 1 điểm trên mặt đất từ hai phía). Như vậy, LiDAR sẽ thu thập được dữ liệu bề mặt địa hình nhiều hơn, đặc biệt khi quét qua các khu vực có thực vật che phủ

Mật độ điểm dầy

LiDAR có thể thu nhận tín hiệu phản hồi đầu tiên và cuối cùng với tần suất trung bình 5.000 tới 33.000 tia/giây, do đó dữ liệu thu được cho phép lập bản đồ bề mặt địa hình và bề mặt tán cây với mật độ dữ liệu dày và độ chính xác cao. Một số hệ thống LiDAR còn cho phép thu nhận các tín hiệu phản hồi trung gian (giữa tín hiệu đầu và cuối) cho phép phân tích cấu trúc đối tượng (cấu trúc tán). Phương pháp không ảnh cũng tạo được các điểm độ cao dày nhưng phải bằng cách tăng dày thủ công (tốn kém và mất thời gian), hoặc bằng phương pháp tương quan ảnh tự động, tuy nhiên phương pháp này chỉ trích xuất được các điểm ngọn cây và nóc nhà mà không tạo ra được các điểm mặt đất

Thời gian thu thập linh hoạt

LiDAR cho phép thu thập dữ liệu cả ngày và đêm trong khi phương pháp không ảnh chỉ thực hiện được trong 1 khoảng thời gian hạn chế ban ngày khi ánh sáng tối ưu

Lidar mặt đất:

Các ứng dụng LiDAR mặt đất sử dụng thiết bị quét laser gắn trên các vị trí trên mặt đất, thường là các giá tripod. Công nghệ quét laser mặt đất trên giá cố định là hình thức khảo sát rất phổ biến trong các ứng dụng quy mô nhỏ như vi địa hình, các công trình, công trường… Dữ liệu đám mây điểm 3D thu được từ các loại máy quét này có thể được kết hợp với hình ảnh kỹ thuật số chụp từ cùng vị trí của máy quét để tạo mô hình 3D thực tế trong một khoảng thời gian tương đối ngắn so với các công nghệ khác. Cách thể hiện sản phẩm 3D dạng này có thể là ảnh số trùm phủ lên đám mây điểm hoặc từng điểm laser được gán mã màu theo giá trị điểm ảnh tương ứng trên sản phẩm ảnh số.

Ưu điểm
Mật độ điểm “siêu” dày
Độ chính xác rất cao
Năng suất thu thập dữ liệu cao
Gọn nhẹ, dễ triển khai

Lidar mobile:

Công nghệ mobile LiDAR là công nghệ gắn các máy quét laser lên các phương tiện đi lại như ô tô, tàu hoả… và chạy dọc các tuyến giao thông để thu thập dữ liệu với tốc độ cao, mật độ dày. Mỗi phương tiện giao thông có thể được gắn 1 hoặc nhiều bộ quét. Những máy quét này hầu như luôn luôn kết hợp với các loại thiết bị khác, chủ yếu là máy ảnh số và các hệ thống dẫn đường chuyên dụng. Ứng dụng phổ biến của công nghệ này là khảo sát các thực thể dạng tuyến như đường phố, đường dây điện, đường sắt, đường thuỷ… Ưu điểm nổi bật của giải pháp là thay vì thu thập các đối tượng một cách riêng lẻ, một mô hình 3D với đám mây điểm thể hiện tất cả các đối tượng trên tuyến sẽ được thành lập, sau đó được sử dụng để thu nhận tất cả các đối tượng cần thiết. Điều này giúp loại bỏ vấn đề thường xả ra với phương pháp truyền thống như đo đạc sót đối tượng, đồng thời tăng độ tin cậy và độ chính xác.

Ưu điểm
Khảo sát toàn diện, năng suất cao, độ chính xác cao
Giảm thiểu công khảo sát thực địa
Mật độ điểm rất cao và có nhiều sản phẩm đồng bộ ( ảnh số và đám may điểm )
Có thể chia sẻ rộng rãi cho các bộ phận nội nghiệp cùng sản xuất

Giải thích nguyên lí hoạt động của Lidar:

Nguyên tắc đằng sau LiDAR thực sự khá đơn giản. Chiếu một ánh sáng nhỏ lên một bề mặt và đo thời gian nó quay trở lại nguồn của nó. Khi bạn chiếu một ngọn đuốc lên một bề mặt mà bạn đang thực sự nhìn thấy thì ánh sáng sẽ được phản xạ và quay trở lại võng mạc của bạn. ánh sáng truyền đi rất nhanh – khoảng 300.000 km mỗi giây, 186.000 dặm mỗi giây hoặc 0,3 mét mỗi nanosecond để biến một ánh sáng trên dường như là tức thời. Tất nhiên, nó không phải! Các thiết bị cần thiết để đo lường nhu cầu này hoạt động cực kỳ nhanh. Chỉ với những tiến bộ trong công nghệ máy tính hiện đại, điều này mới trở nên khả thi.

Tính toán thực tế để đo khoảng cách mà một photon ánh sáng trở lại đã đi đến và đi từ một vật thể khá đơn giản:

Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng x Thời gian bay) / 2

Thiết bị LiDAR bắn ra các xung ánh sáng laze nhanh trên bề mặt, một số có tốc độ lên đến 150.000 xung mỗi giây. Một cảm biến trên thiết bị đo khoảng thời gian cần thiết để mỗi xung phản hồi trở lại. Ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi và đã biết để thiết bị LiDAR có thể tính toán khoảng cách giữa chính nó và mục tiêu với độ chính xác cao. Bằng cách lặp lại điều này liên tiếp, hệ thống xây dựng một ‘bản đồ’ phức tạp về bề mặt mà nó đang đo. Với LiDAR trên không, các dữ liệu khác phải được thu thập để đảm bảo độ chính xác. Khi cảm biến đang di chuyển độ cao, vị trí và hướng của thiết bị phải được bao gồm để xác định vị trí của xung laser tại thời điểm gửi đi và thời điểm quay trở lại. Thông tin bổ sung này rất quan trọng đối với tính toàn vẹn của dữ liệu. Với LiDAR trên mặt đất, một vị trí GPS duy nhất có thể được thêm vào cho mỗi vị trí nơi thiết bị được thiết lập.

Hầu hết các hệ thống LiDAR sử dụng bốn thành phần chính:

Laser

Tia laser được phân loại theo bước sóng của chúng. Laser 600-1000nm được sử dụng phổ biến hơn cho các mục đích phi khoa học, nhưng vì chúng có thể được tập trung và dễ dàng hấp thụ bởi mắt, công suất tối đa phải được giới hạn để làm cho chúng ‘an toàn cho mắt’. Laser có bước sóng 1550nm là một lựa chọn thay thế phổ biến vì chúng không bị tập trung bởi mắt và ‘an toàn cho mắt’ ở mức công suất cao hơn nhiều. Các bước sóng này được sử dụng cho mục đích phạm vi xa hơn và độ chính xác thấp hơn. Một ưu điểm khác của bước sóng 1550nm là chúng không hiển thị dưới kính nhìn ban đêm và do đó rất thích hợp cho các ứng dụng quân sự.

Hệ thống LiDAR trong không khí sử dụng laser YAG bơm điốt 1064nm trong khi hệ thống Bathymetric sử dụng laser YAG bơm điốt kép 532nm, xuyên qua nước với độ suy giảm ít hơn nhiều so với phiên bản 1064nm trong không khí. Có thể đạt được độ phân giải tốt hơn với các xung ngắn hơn với điều kiện bộ phát hiện máy thu và thiết bị điện tử có đủ băng thông để đối phó với lưu lượng dữ liệu tăng lên.

Máy quét và Quang học

Tốc độ hình ảnh có thể được phát triển bị ảnh hưởng bởi tốc độ mà nó có thể được quét vào hệ thống. Một loạt các phương pháp quét có sẵn cho các mục đích khác nhau như góc phương vị và độ cao, gương phẳng dao động kép, máy quét trục kép và gương đa giác. Loại quang học của chúng xác định độ phân giải và phạm vi có thể được phát hiện bởi một hệ thống.

Bộ tách sóng quang và thiết bị điện tử thu

Bộ tách sóng quang là thiết bị đọc và ghi lại tín hiệu đưa về hệ thống. Có hai loại công nghệ máy tách sóng quang chính, máy dò trạng thái rắn, chẳng hạn như điốt quang tuyết lở silic và bộ nhân quang.

Hệ thống định vị và dẫn đường

Khi một cảm biến LiDAR được gắn trên một nền tảng di động như vệ tinh, máy bay hoặc ô tô, cần phải xác định vị trí tuyệt đối và hướng của cảm biến để giữ lại dữ liệu có thể sử dụng được. Hệ thống Định vị Toàn cầu cung cấp thông tin địa lý chính xác về vị trí của cảm biến và Đơn vị đo lường quán tính (IMU) ghi lại hướng chính xác của cảm biến tại vị trí đó. Hai thiết bị này cung cấp phương pháp chuyển dữ liệu cảm biến thành các điểm tĩnh để sử dụng trong nhiều hệ thống khác nhau.

Cảm ơn các bạn đã quan tâm, nếu có câu hỏi gì xin để lại trong phần bình luận.

Author:

My name is Truong Thanh, graduated Master of Information Technology and Artificial Intelligent in Frankfurt University,Germany. I create this Blog to share my experience about life, study, travel...with friend who have the same hobbies.

One thought on “Lidar Technology || Lidar là gì vậy?

Leave a Reply to Tri Cancel reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s