Инерциальные модули в лидарных системах
Мы непрерывно испытываем наши датчики и системы, на основе которых в совершенно разных сценариях применения, ищем новые пути оценки их работы. Наше внимание привлекли технологии лазерного сканирования как перспективная отрасль внедрения инерциальной микромеханики. Лазерное сканирование в своей основе содержит технологию LiDAR.
Что такое LiDAR?
LiDAR (Light Detection and Ranging) близок по назначению к широко известному термину радар (Radio Detecrion and Ranging). Радар для обнаружения и определения расстояния до объекта посылает электромагнитные волны длинной до 1012 Гц и принимает их отражение, лидар же использует использует лазер.
Принцип работы: луч лазера направляется на объект, отражается от объекта и возвращается обратно в лидар. После чего в устройстве определяется расстояние до объекта и с помощью специального программного обеспечения эти данные преобразуются в трехмерное изображение, которое воспроизводит форму объектов и их точное
расположение в пространстве (облако точек) вокруг системы LIDAR.Обычно для этого используют лидар с углом обзора 360° (например, LIDAR с вращающимися излучателями).
Преимущества Лидара:
• Имеет более широкий спектр применения в сравнении с радаром;
• Используется в условиях, когда радар бессилен;
• На близких расстояниях обеспечивает более точные данные (очертания объектов), в отличие от радара.
Недостаток: LiDAR сильно проигрывает радару в дальности. Лидар работает на десятки метров, а область работы радара в диапазоне от десятков метров до сотни километров.
Лидарная система
Лидарная система (или LiDAR-сканирование) состоит из пяти основных частей:
1. Система управления (отвечает за взаимодействие всех остальных частей между собой и контроль работы системы);
2. Система позиционирования и ориентации (дает информацию о положении лидара);
3. Хранилище данных (область приема и хранения выходных данных системы позиционирования и системы измерения расстояний);
4. Система измерения расстояний (система с лазером и приемником, измеряющая расстояние до точек);
5. Системы разверстки (система, позволяющая направлять и фокусировать исходящие и поступающие световые волны).
Рассмотрим работу двух из них более подробно.
1. Система измерения расстояния
В нашем устройстве система измерения расстояний состоит из 16 пар лазер/спектроанализатор, которые быстро вращаются вокруг неподвижной оси в корпусе. Лазер через передающую оптическую систему каждую секунду излучает примерно 18 000 точно сгенерированных зондирующих световых импульсов на объекты вокруг лидара. Так как световые волны упругие (имеют свойство отражаться от различных материалов), они отражаются от окружающего пространства и возвращаются через приёмную оптическую систему в спектроанализатор, который обрабатывает полученный сигнал. Данные об излученных и принятых импульсах (время и угол поворота «выстрела», интенсивность принятого сигнала) проходят через блок обработки сигнала, затем отправляются в хранилище данных, откуда их можно взять для дальнейшей обработки и формирования облака точек.
2. Система позиционирования и ориентации
Данная система состоит из блока ГНСС и блока инерциальной навигации. Для дальнейшей работы с данными, полученными от системы измерения расстояний и для формирования облака точек, необходимо знать положение, в котором находился лидар в момент «выстрела». Блок ГНСС отвечает за прием информации о позиционировании лидара. Система работает в режиме кинематики реального времени (RTK), что позволяет собирать данные сантиметровой точности. Блок ГНСС синхронно с системой измерения расстояний записывает полученную информацию Всемирное координированное время в хранилище данных. Блок инерциальной навигации дополняет данные GPS и компенсирует движения (изменения углов курса, крена, тангажа) объектов, на которых установлена система.
Почему недостаточно только блока ГНСС?
Работа обоих этих блоков в паре очень важна для получения правильного облака точек и уменьшения объема памяти, необходимой для его хранения. ГНСС в режиме RTK хоть и обеспечивает точность данных о позиции лидара с точностью до сантиметра, но не дает сведений о его ориентации и не может обеспечить достаточную частоту выдачи данных, которая значительно ниже частоты сьемки. Этого недостаточно для построения корректного облака точек, что может привести к существенным неточностям в построении. Для решения данной проблемы, устанавливают блок инерциальных данных, который способен выдавать информацию с частотой до 1 кГц. Однако без корректировки по ГНСС они со временем теряют точность, что приводит к нарастанию ошибки позиционирования.
Таким образом, работая в паре, инерциальный блок и блок ГНСС обеспечивают точные данные о позиции лидара с частотой оптимальной для присвоения координат каждой точке, полученной системой измерения расстояний (в этом на помощь приходит специальное ПО).
Анализ полученных данных
Мы разработали ПО CloudCreator, которое совмещает данные от системы измерения расстояний и системы позиционирования и выдает облако точек с присвоенными им характеристиками и координатами, готовое для дальнейшей обработки. Такие облака позволяют оценивать работу наших инерциальных модулей при условии, что их будут снимать по одной и то же методике, но с разными инерциальными датчиками. Эксперимент может проводиться с отклонениями, влиянием которых можно пренебречь.
Первым шагом к проведению подобных экспериментов было создание лидарной системы и методики ее отладки.
Конструкция системы. Разработанная нами лидарная система состоит из лидара VLP-16 от Velodyne, блока ГНСС – ZED-F9P от U-blox и одного из наших инерциальных модулей. Комплекс этих устройств подключен к одноплатному компьютеру Raspberry Pi и источнику питания. Для удобства сканирования весь комплекс размещен на крыше автомобиля. Так как конструктивно лучи лидара расходятся на угол 2°, и если лидар будет расположен вертикально, а расстояние до объекта будет большое, т это может привести к малой плотности точек в облаке. Поэтому было принято решение расположить его на основании под углом 45°
к горизонту, что позволило увеличить плотность точек в облаке по вертикали.
Лидарная система перемещается мимо объектов, чьи координаты и геометрические размеры точно заданы и известны, мы получаем его модель в облаке точек (рисунок ниже). В зависимости от технических характеристик инерциального модуля, с которым проводились испытания, данная модель будет иметь различное отображение и различные свойства в данном облаке точек.
Следующим шагом стало создание реперного объекта, который мы будем выделять в полученном облаке точек, для оценки точности. Им стал дорожный знак, имеющий специальный рисунок с разной интенсивностью отражения, который служит для быстрого и удобного выделения его в облаке точек, и повышения точности выделения геометрических фигур на нем, размеры которых мы знаем.
Сейчас ведутся работы по созданию банка результатов испытаний с различными инерциальными модулями, чьи технические характеристики известны. С помощью этого банка станет возможным определение тех параметры, которые будут оценены при помощи данного эксперимента и потребуются для дальнейшего испытания новых разработок и датчиков ЛМП.
Лидарная система. Перспективы развития
В настоящее время большинство компаний, разрабатывающих автопилоты, на ранней стадии используют высокоточную инерциальную навигацию (IMU + GNSS + RTK) для позиционирования.
В идеальной ситуации, когда приемник находится на открытой местности, помех для сигнала GPS нет, GPS + RTK имеет абсолютную точность позиционирования. Но очень часто существуют ограничения в сценариях. Например, в закрытых местах: туннели, места между высотными зданиями и лесные дороги, … В представленных ситуациях данные ГНСС не обеспечивают достаточную точность или же вообще не работает, поэтому автопилот не может полагаться на блок ГНСС. Для решения данной проблемы можно применить лидар в паре с инерциальным модулем. После первоначального позиционирования по ГНСС и совмещая лидарные данные с инерциальными, автомобиль может автономно передвигаться (перемещаться) без необходимости корректироваться по ГНСС по лидарному восприятию.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал: https://t.me/mplab
На этом канале мы публикуем: кейсы (наши статьи и исследования); информацию о продуктах (модификации и новинки); отвечаем на часто задаваемые вопросы и другие анонсы.
