Как десяток ведущих компаний пытаются создать мощный и недорогой лидар / Хабр

Лидарные системы справляются там, где радара недостаточно. Рассказываем, как работает и где используется эта многообещающая технология датчиков пространства.

Как работает обычный лидар

Слева видно, как сенсор составляет 3D карту вокруг себя, а справа – как он улавливает луч от поверхности. Источники: раз, два

По принципу работы радар и лидар отличаются только в источнике энергии, которым они измеряют величины. В первом это радио-волны, во втором лазер. Чаще всего инфракрасный, невидимый человеком.

Название LiDAR идёт от аббревиатуры light detection and ranging, на русском как «обнаружение и определение дальности через свет»

Простейшая система работы такая:

  • 1. Излучатель бьёт лазером со скоростью света
    2. Ресивер получает его обратно
    3. Компьютер рассчитывает время возвращения луча
    4. Формируется информация о расстоянии до объекта

Скорость света – величина неизменная, она всегда одинакова. Считывая разницу в скорости возвращения луча, можно составить глубинную 3D-карту местности, улицы или комнаты. Масштаб и точность такой карты зависит от размера датчиков, количества лучей, их яркости и множества других факторов.

Например, вот здесь можно пощупать информацию, которая получается на выходе сенсора для автомобилей OS1 от компании OUSTER.

Действие дальнобойного автомобильного датчика OUSTER OS2

NASA составила огромный список того, что умеют лидеры разного типа.

В зависимости от размера и точности сенсора, можно получить следующие данные:

Дальность и высотуТемпературуДиффузию и плотность газаСтепень облачностиСкорость ветраФорму и размер ландшафтаВысоту и плотность лесовШероховатость морской поверхности

Излучатели отличаются размерами, мощностью, типом лучей, их количеством, статичностью и многим другим. Их цепляют на спутники, самолёты, дроны и автомобили.

Учитывая, сколько материала можно собрать и обработать, становится понятно, что лидар может быть полезен в десятке разных областей. Пройдёмся по некоторым.

Три крупных фактора, отличающих лидары друг от друга

Базовая идея лидара проста: датчик испускает лазерные лучи в разных направлениях, и ждёт, пока их отражения вернутся. Скорость света известна, и время в пути туда и обратно даёт точную оценку расстояния.

И хотя базовая идея проста, детали усложняют всё очень быстро. Каждый изготовитель лидаров должен принять три базовых решения: как направлять лазер в разные стороны, как измерять время на путь туда и обратно, и свет какой частоты использовать. Мы рассмотрим каждое из них по очереди.

Технология управления лучом

Большинство ведущих лидаров используют один из четырёх методов направления лазерных лучей в разные стороны (две компании, Baraja и Cepton, сообщили, что используют другие технологии, которые они не объяснили):

  • Вращающийся лидар. Velodyne создала современную лидарную индустрию в 2007, представив лидар, в котором было размещено 64 лазера по вертикали, и вся эта штуковина вращалась со скоростью в несколько оборотов в секунду. Датчики из вышего сегмента от Velodyne до сих пор используют такую технологию, и, по крайней мере, один из конкурентов, Ouster, поступил так же. Преимущества такого подхода – покрытие на 360 градусов, но критики ставят вопросы о том, можно ли сделать дешёвый и надёжный вращающийся лидар, подходящий для массового рынка.
  • Механический сканирующий лидар использует зеркало, перенаправляя единственный лазерный луч в разных направлениях. Некоторые из компаний используют подход под названием «микроэлектромеханическая система» (МЭМС) для управления зеркалом.
  • Активная фазированная антенная решетка использует ряд излучателей, способных изменять направление лазерного луча, подстраивая относительную фазу сигнала между соседними передатчиками. Мы подробно опишем эту технологию в секции про Quanergy.
  • Лидар на основе вспышек подсвечивает всю область сразу. Существующие технологии используют один широкоугольный лазер. Технология испытывает трудности с большими расстояниями, поскольку до любой точки доходит лишь малая часть лазерного света. По меньшей мере, одна компания, Ouster, планирует создать многолазерную вспышку, в которой будет массив из тысяч или миллионов лазеров, направленных в разные стороны.

Измерение расстояния

Лидар измеряет время, которое требуется свету для того, чтобы дойти до объекта, и отразиться от него. Есть три простых способа сделать это:

  • Время в пути. Лидар отправляет короткий импульс и измеряет, сколько времени пройдёт до фиксации возвращающегося импульса.
  • Лидар непрерывного излучения с частотной модуляцией (НИЧМ). Отправляет непрерывный луч света, частота которого постоянно меняется во времени. Луч разбивается на два, и один из них отправляется во внешний мир, а потом по возвращению объединяется с другим. Поскольку частота у источника луча меняется непрерывно, разница в пути двух лучей выражается через разность их частот. В результате получается картина интерференции, частота биений которой является функцией от времени в пути (и, следовательно, от расстояния). Этот путь может показаться беспричинно усложнённым, но у него есть парочка преимуществ. Лидар НИЧМ устойчив к интерференции от других лидаров или от Солнца. Лидар НИЧМ может также использовать допплеровское смещение для измерения скорости объектов, а не только расстояния до них.
  • Лидар непрерывного излучения с амплитудной модуляцией (НИАМ) можно рассматривать, как компромисс между двумя предыдущими вариантами. Такой лидар, как и простой датчик, измеряющий время в пути, отправляет сигнал, а потом измеряет время, которое у него ушло на то, чтобы отразиться и вернуться. Но если простые системы отправляют один импульс, лидар НИАМ отправляет сложную схему (псевдослучайный поток цифровых нулей и единиц). Сторонники подхода говорят, что благодаря этому лидар НИАМ более устойчив к интерференции.

Длина волны лазера

Описанные в данной статье лидары используют один из трёх вариантов длин волн: 850, 905 или 1550 нм.

Этот выбор имеет значение по двум причинам. Одна из них – безопасность глаз. Жидкость внутри глаза прозрачна для света с длиной волны 850 и 905 нм, что позволяет свету дойти до сетчатки. Если лазер будет слишком мощным, он может причинить глазу непоправимый вред.

С другой стороны, глаз непрозрачен для излучения с длиной волны 1550 нм, что позволяет таким лидарам работать на большей мощности, не вредя сетчатке. Увеличение мощности позволяет увеличивать дальность действия.

Так почему же все не используют лазеры с длиной волны 1550 нм в лидарах? Детекторы, работающие с частотами 850 и 905 нм, можно создать на основе недорогих и распространённых кремниевых технологий. Для создания лидара с длиной волны 1550 нм требуется использовать экзотические и дорогие материалы, такие, как арсенид галлия-индия.

И хотя лазеры на 1550 нм могут работать с большей мощностью, не представляя угрозы для глаз, такие уровни мощности могут приводить к другим проблемам. На выставке CES в Лас-Вегасе в этом году один человек сообщил, что мощный лазер на 1550 нм в лидаре от AEye

испортил ему камеру

. И, конечно, лазеры большей мощности потребляют больше энергии, что уменьшает дальность хода и энергетическую эффективность машины.

Учтя всё это, давайте рассмотрим десятку ведущих разработчиков лидаров.

Как это работает

Название LiDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging» — дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности. Из названия понятно, что лидар имеет что-то общее с радаром. Вся разница в том, что вместо СВЧ-радиоволн здесь используются волны оптического диапазона.

Давайте вспомним общий принцип работы подобных систем: у нас есть устройство, которое посылает наружу направленное излучение, затем ловит отражённые волны и строит исходя из этого картину пространства. Именно так и работает лидар: в качестве активного источника используют инфракрасный светодиод или лазер, лучи которого мгновенно распространяются в среде. Рядом с излучателем расположен светочувствительный приёмник — он и улавливает отражения.

Принцип ToF

Обозначения: D — измеренное расстояние; c — скорость света в оптической среде; f — частота сканирующих импульсов; Δφ — фазовый сдвиг.

Получив время, за которое вернулась отражённая волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика. Подобный принцип определения дистанции называют времяпролётным — от английского Time-of-flight (ToF). А что дальше? У вас появляются разные возможности, как распорядиться этими данными.

Что такое LiDAR?

Само слово LiDAR (Light Detection and Ranging) дословно расшифровывается, как «обнаружение и определение дальности с помощью света». Эта технология активно используется в геодезии, картографии, где излучателем света является лазер.

В системах же ближнего радиуса действия его успешно заменяют светодиоды. Принцип действия LiDAR довольно прост – излучатель испускает световые волны, а приемник получает возращенный от тела отраженный сигнал, при этом учитывается воздействие рассеивающей среды. На основании времени отклика можно определить расстояние до объекта.

Так видит LiDAR окружающий мир:

LiDAR в iPhone

Появившийся в марте 2020 года iPad Pro (обзор) и осенью – iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max как раз и получили датчик LiDAR на блоке тыловых камер.

LiDAR в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max

LiDAR в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max

Сенсор LIDAR в iPad Pro

LiDAR на iPad Pro

Velodyne

6e33b3fabda33acd72e7e76cc4867d8e.jpg
Три продукта Velodyne: Alpha Puck, Velarray и Veladome

Управление лучом

: вращение.

Измерение расстояний

: время в пути.

Длина волны

: 905 нм

Velodyne изобрела современный трёхмерный лидар более десяти лет назад, и с тех пор доминирует на этом рынке. Характерные вращающиеся лидары компании часто используются в робомобилях, и компания, скорее всего, останется лидером рынка в 2019. Однако некоторые наблюдатели задаются вопросом, сможет ли компания поддерживать свою лидирующую позицию в последующие годы.

В конце 2017 флагманские лидары Velodyne на 64 лазера

продавались по $75 000

за штуку. Velodyne представила новую модель на 128 лазеров, которая, по слухам, будет ещё дороже — $100 000.

Касательно этих цифр представитель Velodyne ответил: «Мы не раскрываем стоимость продукции, однако, озвученные цены характерны для единичных продуктов. В закупках автомобильных масштабов цены существенно ниже, и мы активно поставляем автопроизводителям продукцию по низким ценам».

Velodyne продаёт и менее дорогие лидары, включая 16-лазерную «

шайбу

«, которая в прошлом году продавалась по $4000. Также Velodyne продаёт и твердотельную модель, Velarray. Velodyne говорит, что это система с длиной волны в 905 мм «с проприетарным методом управления лучом без трения». Velodyne ожидает, что в оптовых объёмах эта модель в итоге будет стоить менее $1000. Однако эти лидары не дают такого высокоточного результата, как вращающиеся модели на 64 и 128 лазеров.

Некоторые критики утверждают, что у Velodyne были трудности с производством и качеством продукции.

«Деликатные движущиеся датчики лидара, являющиеся средством к существованию компании, оказалось сложно производить эффективно и с высоким качеством, и они могут быть раздражающе хрупкими при применении в автомобилях»,

писал недавно

журналист Эд Нидермайер, цитируя источники сектора робомобилей.

Представитель компании поспорил с таким отзывом, утверждая, что Velodyne «за годы работы довела науку изготовления этих датчиков в больших количествах до совершенства», и что «было доказано, что они выдерживают жёсткие условия эксплуатации в автомобилях».

Недавно Velodyne

подписала

лицензионный договор с Veoneer, известной компанией в цепочки поставок автомобильных запчастей. У Veoneer есть большой опыт создания компонентов, удовлетворяющих стандартам качества автомобильных компаний, и у неё могут появиться идеи о внесении изменений в классический дизайн Velodyne с целью улучшения качества и уменьшения цены продукта. Однако им нужно действовать быстро, поскольку целый ряд других компаний уже нацелился на место лидера.

Оптический дальномер

Дальномер — это частный случай лидара, у которого сравнительно узкий угол наблюдения. Устройство смотрит вперёд в узком сегменте и не получает посторонних данных, кроме удалённости объектов. Так работает оптический дальномер, основанный на принципе ToF. Рабочая дистанция зависит от используемого источника света: для ИК-светодиодов это десятки метров, а лазерные лидары способны стрелять лучом на километры вперёд. Неудивительно, что эти приборы прижились в беспилотных летающих аппаратах (БПЛА) и метеорологических установках.

Оптический дальномер

Однако быстродействующий дальномер может пригодиться и в самодельных роботах на Arduino и Raspberry Pi: лидары не боятся засветки солнцем, а скорость реакции у них выше, чем у ультразвуковых датчиков. Используя лидар в качестве датчика пространства, ваше детище сможет видеть препятствия на увеличенной дистанции. Разные модели отличаются дальностью работы и степенью защиты. Модификации в герметичном корпусе позволят роботу работать на улице.

Лидары Benewake

Виды техники, использующие LiDAR

Лидар повсеместно распространён. Он используется в машинах с автопилотом и с усовершенствованной системой помощи водителю. Также он находит применение в робототехнике и дронах. Hololens 2 – интеллектуальные очки смешанной реальности от Microsoft – работают по схожей технологии, как и, кстати, инфракрасный сканер Kinect в Xbox. Стоит отметить, что PrimeSense – компания, участвовавшая в разработке Kinect – в 2013 году была куплена Apple.

Лидарная камера

Следующая ступень развития — лидар в роли 3D-камеры. Добавляем к одномерному лучу систему развёртки и получаем прибор, который может построить модель пространства из облака точек в определённой зоне обзора. Для перемещения сканирующего луча чего только не применяют: от поворотных зеркал и призм до микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобные решения используют, например, для быстрого построения 3D-карты местности или оцифровки архитектурных объектов.

3D-оцифровка

Точный сенсор айпэда нужен везде. Развлечениям и образованию особенно

Пока система стоит в сравнительно непопулярном устройстве, ей мало кто будет пользоваться. Вот только парк AR-устройств уже огромный, компания зря время не теряли.

Всё те же люди продолжат использовать AR-приложения, просто чаще. Раньше текстуры прыгали друг на друга, а положение объектов неудачно отслеживалось.

Теперь этой проблемы нет благодаря LiDAR, и некоторые индустрии могут с большей охотой подрубать сканер. Например:

  • 1. Студенты и профессоры с приложением по анатомии
    2. Дизайнеры квартир с быстрым составлением плана
    3. Ритейлеры, вроде IKEA, которые удобно покажут свои товары
    4. Музеи смогут рендерить в AR скульптуры, а не только картины

Это та часть, которая хоть как-то активна в дополненной реальности. Скорее всего, теперь к ней увереннее подключатся спорт и бьюти-сфера.

Apple такая же технологичная компания, как и все остальные. Бывает, что инновации не заходят в массы, как это было с 3D Touch, и их постепенно выпилывают. Но мне кажется, что LiDAR за следующие десятилетие взлетит до ключевой технологии.

Улучшение работы камеры с LiDAR

Apple обещает более хорошую и быструю (в 6 раз быстрее) фокусировку при низком освещении. Также лидар будет использован для улучшения эффектов при съёмке портрета в ночном режиме.

Возможно, iPhone 12 Pro также добавит больше данных, связанных с технологией 3D-фото, но об этом информации пока нет.

Полезные ссылки

  • Каталог датчиков пространства

Приём и обработка сигнала

Важную роль играет динамический диапазон приёмного тракта. Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в «ближней зоне», в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

Павел Телешевский

@Tinelray

У меня 4 новых года: обычный, свой, WWDC и сентябрьская презентация Apple. Последний — самый ожидаемый, и ни капли за это не стыдно.Instagram/Telegram: @tinelray

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...