česky english Vítejte, dnes je neděle 29. leden 2023

Moderní systémy s LIDARem. Snímání pro každé průmyslové odvětví

DPS 5/2021 | Vývoj - články
Autor: Tony Pirc, Analog Devices

Pokrok v moderních technologiích zpřístupnil dříve nemyslitelné možnosti spojené s digitálním obrazem světa okolo nás. Patří mezi ně i „light detection and ranging“, resp. LIDAR. Zmíněná technologie se uplatňuje v řadě aplikací a také průmyslových odvětví, od geografického mapování až po konstrukční zobrazování ve 3D a rozpoznávání předmětů. Rovněž sem patří automatizace ve výrobě, otázka bezpečnosti, zemědělství a spousta dalšího. Smyslem je pokaždé snižovat náklady, vytvářet bezpečnější prostředí, zlepšit účinnost, nebo dokonce dělat věci, které dříve nebyly vůbec možné. Abychom však lépe pochopili význam LIDARu, musíme se s touto technologií blíže seznámit, zjistit, co se používalo před ní, a také si říci, co nám ve skutečnosti umožňuje změřit, a především pak i dělat.

Obr. 2 (jpg)

LIDAR je v zásadě systémem, který nechává paprsek odrážet od předmětů tak, aby jej následně dokázal i zaznamenat. Omezuje se přitom na vysílací část emitující záření a přijímač vyhodnocující u odrazů jejich zpoždění. Přesně tímto způsobem ostatně pracují i klasické radary, ovšem s jedním zásadním rozdílem – vlnová délka LIDARu zde bude v porovnání s nejkratšími délkami u radarů řádově deset tisíckrát menší.

Obr. 1 a 3  (jpg)

Čím se LIDAR odlišuje?

Co nám výrazně kratší vlnové délky oproti radaru umožňují? Zprostředkují zde výstupy s mnohem větším rozlišením. Důvodem jsou fyzická omezení, kdy výsledek nemůže být zkrátka přesnější než to, co při měření sami použijeme. Dokonce i se softwarovými „fígly“ při zpracování signálu můžete vše popsat pouze tak dobře, jako byste přitom používali větší vlnové délky. Ovšem s kratšími délkami u LIDARu již dokážeme v prostředí pozorovat objekty, včetně jejich vlastností, místo toho, abychom se omezili pouze na znalost polohy, hrubých rozměrů a rychlosti.

Obr. 4 a 6 (jpg)

Představte si, že se musíte dostat přes cizí temnou místnost. Zřejmě se budete pohybovat mnohem pomaleji než v případě, kdyby zde bylo světlo, a také se při orientaci spolehnete na své ruce a jejich hmatové vjemy. A teď si dále nasaďte latexové, zahradnické či boxerské rukavice! Každý z těchto párů má nepochybně smysl v případech, pro které je také určený. Navigace ve tmě to ale nebude.

Obr. 5 a 7 (png)

Není s námi LIDAR už desítky let?

Co je nového?

Radary se s velkými úspěchy používají již desítky let a svou obrovskou hodnotu si udrží i nadále. Nyní se ale na obzoru objevuje další nástroj, který umožní snímat předměty okolo sebe ještě lépe. Až dosud se však LIDAR omezoval na rozsáhlé a nákladné aplikace typu speciálního mapování nebo zase na něco menšího a jednoduššího, třeba při měření povolené rychlosti.

Špičkový systém LIDARu musí splňovat určitá kritéria. Pro potřeby automobilového průmyslu na straně vysílače kupříkladu požadujeme laser s pulzy v délce 3 až 5 ns a se špičkami od 40 do 80 A. Jejich budiče se k těmto předpokladům konečně přibližují a LIDAR se zde stává realitou. Další faktory pak zahrnují řízení napájení, malé svou velikostí a velké účinností, zapracování subsystémů, poměrně levné a velmi rychlé zpracování dat a také sofistikovaný software, který všem získaným informacím dává smysl. Naše schopnost vytěžit ze systémů LIDARu co nejvíce a nespotřebovat přitom spoustu energie se dostává do bodu, kdy je dokážeme použít v řadě aplikací, kterým dříve nemohly zkrátka vyhovět. Společné úsilí při snižování ceny, rozměrů a také vlastní spotřeby, zatímco se dále přibližujeme běžným situacím a zlepšujeme přitom technické parametry, staví takové systémy do ještě lepšího světla.

Obr. 8 a 9 (jpg)

Podobně jako u revoluce s mikroelektromechanickými systémy MEMS v devadesátých letech minulého století se i dnes LIDARy stávají menšími, levnějšími a ještě univerzálnějšími nástroji. K tomu, aby jak LIDARy, tak i MEMS naplno rozvinuly svůj potenciál v dalších systémech a subsystémech, potřebovaly hodně času. Ačkoli byl MEMS vyvinut již v padesátých letech, nedal se v řadě aplikací nikdy prakticky využít. Důvodem byla jeho cena, rozměry, spotřeba energie a také dosahované vlastnosti. Až do technologie procesů z devadesátých let proto nebyl dostatečně způsobilý k nasazení v měřítku, které jsme si dříve nedokázali ani představit. A podobně je na tom i LIDAR vyvinutý začátkem šedesátých let, který je připravený vyhovět obdobným požadavkům teprve nyní.

To, co se aktuálně mění, je souhra faktorů dotýkajících se návrhu a také výroby špičkových LIDARů. Pomohly totiž zvládnout omezení, se kterými se zde potkáváme již ze samotného principu, a snižovat cenu, řešit otázku rozměrů či spotřeby a také zlepšovat celkové vlastnosti. Proto se také vyplatí začít hledat nové způsoby využití.

Co nám LIDAR umožňuje (a dříve to nešlo)

Zkuste si jen představit všechny ty nové technologie, které bude možné využívat právě díky systému pro skenování okolí s ještě dostupnější cenovkou. Pokud jde o aplikace LIDARu, níže předkládáme několik nedávných inovací.

Zábava

Přínos u zábavního průmyslu spočívá ve schopnosti digitálně mapovat složité scény či předměty, čímž také systém umožnil jednodušší interakci mezi realitou, tak jak ji sami známe, a realitami vytvářenými softwarovou cestou. Ve filmech či videohrách to např. znamená plynulé zachytávání pohybu herců ve 3D převedené do fiktivního prostředí. Dosud něco takového záviselo na drahých oblecích s čidly (s omezenou informací o pohybu) nebo animacích, které mohly být s ohledem na požadovanou míru detailu pomalé a nákladné.

Mapování terénu

LIDAR se nějakou dobu používal v zeměměřictví, nicméně zvyšování dosahu a také rozlišení takových systémů umožnilo badatelům odkrýt dokonce starověké pozůstatky, které by jinak nešlo fyzicky ani prozkoumat. Neustálé snižování rozměrů, ale i ceny rovněž stále více nahrává civilnímu měřictví a souvisejícím technickým oborům, společně se všemi výhodami oproti tradičním pozemním metodám, pokud jde o rychlost, přesnost, flexibilitu a bezpečnost.

Stavebnictví

V průběhu výstavby lze LIDAR použít k monitorování postupu v reálném čase, porovnávat získaná měření s aktuální dokumentací a příp. ji také aktualizovat. U stávajících budov může zase probíhat skenování s cílem lépe porozumět jejich současnému stavu a přesněji tak zhodnotit potřebu modernizace či rekonstrukce.

Doprava

Všelékem pro systémy autonomního řízení se stává rozšíření o levný LIDAR doplňující sadu zařízení, které momentálně sledují okolí vozu. Signály z LIDARu autonomnímu systému umožňují posoudit detailní informace (a rovněž tím předměty rozpoznávat), na které již radar nestačí, a ještě se přitom elegantněji vypořádat s nástrahami počasí, než je tomu v případě klasických systémů strojového vidění.

Bezpečnost

Pokud na místě tradičních senzorů řešících otázku „je zde něco přede mnou?“ použijeme LIDAR, bude systém vědět, kdy a také jak má z pohledu bezpečnosti zareagovat. Robotická paže pracující s těžkými předměty se tak bude chovat mnohem citlivěji, když ji do cesty místo věci určené k uchopení vstoupí objekt podobný člověku.

Zemědělství

Ke zjištění množství zrna v silu, stavu úrody, úrovně paliva apod. se léta používaly jednoduché snímače. Zmíněné metody však mnohdy nedokážou nabídnout širší souvislosti, třeba jako tvar kupy, kterou zrno při nasypání do zásobníku, kde je rovněž měřeno (nejvyšší, nejnižší, střední či libovolný bod), vytváří, může během provozu ovlivnit efektivitu využití. Jediný způsob, jak v současné době takovou informaci na základě tradičních postupů získat, spočívá v nasazení většího počtu senzorů, jejichž rozlišení ovšem naráží na své limity, o dalším výrazném zvyšování ceny ani nemluvě. Pokud tedy dokážeme v čase detailně zaznamenat růst celé sklizně, získáme důležitá data, která lze okamžitě aplikovat pro účely kultivace a také budoucích výnosů. LIDAR může rovněž pomoci s optimalizací pohybu automatizované techniky během žní.

Automatizace

Znalost fyzické konstrukce do nejmenšího detailu přináší robotickým systémům ohromnou výhodu. Dokážou totiž mnohem přesněji a také vhodněji zacházet s předměty různých velikostí a tvarů. Těžit z toho můžeme pokaždé, když ve výrobě či při skladování potřebujeme s něčím opakovaně manipulovat nebo to i třídit. S takovou doplňující informací lze rovněž zmírnit jinak zbytečně přísné tolerance ve výrobě a snižovat přitom související náklady, včetně těch spojených s řízením kvality.

Výše zmiňované aplikace patří k těm, které již byly vyvinuty nebo se na nich v současné době pracuje. Podobně jako je tomu u každého lidského snažení, i zde prostě nevíme, jaké další kreativní a užitečné způsoby využití technologií na způsob LIDARu se ještě objeví. Pokud máte i vy nějaký produkt nebo systém, které mohou těžit z výhod LIDARu, společnost Analog Devices vládne potřebnými zkušenostmi, se kterými dokáže pomoci na cestě vedoucí od konceptu přes samotné „zhmotňování“ představ až do fáze, kdy se nápad stane skutečností.

LIDAR jako hodnota i pro vaši firmu

Na stránkách analog.com/lidar [1] naleznou firmy, které se po systému LIDAR poohlížejí, příp. chtějí svou aktuální nabídku dále rozšířit, potřebný odrazový můstek. V případě aplikací na vyšší úrovni můžete rovněž kontaktovat jejich experty, kteří poradí, jak na to. K dispozici jsou i vývojové platformy, třeba jako AD-FMCLIDAR1-EBZ [2], se kterou dokážete dostat svůj produkt na trh ještě rychleji, protože již nemusíte znovu navrhovat jednou navržené.

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/applications/technology/lidar.html

[2] https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardwareand-software/evaluation-boards-kits/AD-FMCLIDAR1-EBZ.html

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik