PEUGEOT_062022 PEUGEOT_062022 PEUGEOT_062022

Ako funguje LIDAR pri leteckých prácach s dronom?

0

Stavebníctvo, kartografia, geodézia či ochrana životného prostredia, to sú len niektoré z mnohých oblastí, v ktorých sa využíva 3D skenovanie. Trojrozmerné modely terénu, stavieb či objektov dávajú odborníkom potrebné vizuálne a priestorové dáta, na základe ktorých môžu efektívne plánovať ďalšie aktivity. Na zber týchto dát sa používa LIDAR – senzorická technológia, ktorej sa budeme venovať v tomto texte. Hlavne vďaka vývoju autonómnych vozidiel zaznamenal vývoj LIDARu výrazný pokrok, ktorý priniesol zmenšenie, zlepšenie parametrov a výrazný pokles ceny. LIDAR v spojení s dronom tak umožňuje veľmi efektívne a presné skenovanie zemského povrchu, stavieb, energetických sietí a iných objektov.

Čo je LIDAR?

Slovo LIDAR je skratka pre Light Detection And Ranging. LIDAR pozostáva z laserového zdroja, ktorý vysiela laserové lúče, a z detektora, ktorý zároveň prijíma odrazy týchto lúčov. Na základe rozdielu času medzi vyslaním lúča a prijatím jeho odrazu sa vypočíta vzdialenosť objektu. Senzor zároveň vie, akým smerom vyslal lúč, čiže dostávame informáciu o smere a vzdialenosti objektu. Ak si predstavíme, že týchto lúčov vyšleme za sekundy stovky tisíc až milióny, pomerne rýchlo vieme zostrojiť 3D obraz povrchu. 

Ako funguje LIDAR?

LIDAR je založený na jednoduchom princípe merania času, ktorý prejde medzi vyslaním svetelného lúča zo zdroja k objektu a jeho návratom naspäť do zdroja. Na to, aby to naozaj prinášalo presné výsledky, treba splniť viacero predpokladov.

Prvý z nich je laserový zdroj, ktorý je v moderných LIDARoch schopný vyslať státisíce až milióny krátkych impulzov zväčša v infračervenom spektre. Vlnová dĺžka laserového žiarenia má rozhodujúcu úlohu v tom, čo LIDAR vidí. Napríklad vlnová dĺžka 905 nm je výrazne absorbovaná vodnou parou, ale vlnová dĺžka 903 nm už nie je tak výrazne absorbovaná vodnou parou.  Zároveň musí byť systém schopný registrovať, akým smerom bol každý z týchto lúčov vyslaný. Preto nejde len o jednoduchý záblesk laserového svetla, ale samotný lúč je modulovaný.


Mračno bodov sfarbené podľa nadmorskej výšky

Druhá dôležitá časť je detektor, ktorý prijíma jednotlivé odrazy. Bežný LIDAR je schopný zaznamenať 2-3 odrazy každého lúča. Špičkové modely evidujú aj viac ako 5 odrazov. Treba si uvedomiť, že svetlo preletí 1 m zhruba za 3 nanosekundy, takže detektor musí byť schopný vyhodnocovať naozaj veľmi rýchle javy. Ak si zoberieme, že typická presnosť LIDARu na drone je asi 1 cm, bavíme sa o pikosekundách.

Tretia dôležitá časť LIDARu je inerciálna meracia jednotka (IMU). Úlohou tejto jednotky je neustále sledovať natočenie LIDARu. Zvyčajne sa údaje o natočení sledujú s frekvenciou minimálne 200 Hz. Vďaka tejto jednotke vieme, kam sa LIDAR „pozerá“.

Posledná dôležitá časť je systém GNSS, ktorý je zodpovedný za určenie polohy, kde sa dron s LIDARom nachádza. Na tieto účely sa používajú prijímače GNSS s korekciou trajektórie v reálnom čase (RTK) alebo s korekciou trajektórie v postprocesingu (PPK).

Všetky dáta sa ukladajú obvykle v tzv. surovom stave, pričom sa kladie veľký dôraz na vzájomnú časovú synchronizáciu týchto údajov. Po skončení merania je preto potrebné nahrať všetky dáta do počítača a pomocou špecializovaného programu vytvoriť tzv. mračno bodov. Mračno bodov je súbor, ktorý obsahuje informácie o nameraných bodoch. Pre každý bod je zaznamenaný minimálne čas merania, súradnice bodu, intenzita odrazu. Pokiaľ je LIDAR vybavený aj pomocnou kamerou, možno priradiť jednotlivým bodom aj informáciu o farbe.


Sfarbené mračno bodov z LIDARu

Kde všade sa LIDAR používa?

Vďaka svojim špecifickým vlastnostiam a výhodám sa systémy LIDAR používajú v rôznych druhoch aplikácií. Spomeňme len niektoré z nich:

Lesníctvo

Skenovanie lesov pomocou LIDARu sa dá využiť na lepšie zaznamenanie stavu lesa. Pomocou špecializovaných programov možno riešiť množstvo analytických úloh, ako je určenie množstva drevnej hmoty, počítanie počtu stromov, identifikácia ročného prírastku, meranie výšky stromov a pod.

Astronómia

NASA použila technológiu LIDAR na skenovanie povrchu Červenej planéty. Dokázali tak vytvoriť topografickú mapu Marsu a odhaliť sneh padajúci do atmosféry.

Mapovanie

Zrejme najčastejšie využívaná oblasť využitia laserového skenera je mapovanie územia. Kartografi získavajú pomocou dronov s LIDARom presné údaje o zemskom povrchu často oveľa efektívnejšie ako pri po­užití lietadiel alebo vrtuľníkov. Svetelné impulzy z LIDARu dokážu preniknúť aj pomedzi stromy, čím možno dosiahnuť presný 3D model tvaru povrchu aj v husto zarastených oblastiach.

Mobilné telefóny a tablety

Novinkou v oblasti mobilných zariadení je systém miniatúrneho LIDARu vo výbave smartfónov alebo tabletov. Túto funkciu využijú najmä architekti a dizajnéri, ktorí si môžu v aplikáciách určených na to vytvárať 3D modely miestností a objektov.

Autonómne autá

Vývoj na poli autonómnej mobility by nebol možný bez použitia LIDARu a ďalších senzorov. Viaceré spoločnosti vyvíjajú laserové skenery schopné „dovidieť“ násobne ďalej ako súčasné systémy. Technológiu zároveň upravujú tak, aby fungovala spoľahlivejšie aj v nepriaznivom počasí.

Meteorológia

V meteorológii sa používa viacero druhov LIDARov. Vedci pomocou nich môžu napríklad pozorovať atmosféru a detailne študovať oblaky a ich pohyb. V tomto prípade sa využíva práve fakt, že rôzne vlnové dĺžky laserového lúča sa správajú rozdielne vo vodnej pare.

Záver

Vývoj technológie LIDAR uľahčil prácu mnohým odborníkom a poskytol presnejšie výsledky ich meraní. Drony umožnili pohyb týchto skenerov v želanej výške a rýchlosti, čím sa opäť rozšírili možnosti ich využitia v rôznych oblastiach.

MamDron.sk

 

Zobrazit Galériu

Václav Michalčík, MamDron.sk

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať