Pokud sledujete dění na poli autonomních vozidel, určitě už jste narazili na termín lidar. Co to znamená, jak funguje a čím se liší od tradičního radaru? Nejen na tyto otázky se pokusíme odpovědět tímto článkem.
Co je lidar?
Už samotné označení lidar (případně též LIDAR, LiDAR či LADAR) svádí k myšlence, že jde o technologii nějakým způsobem související s radarem. Opravdu tomu tak je – radar i lidar slouží k měření vzdálenosti objektů.
Zatímco radar pro tyto účely používá elektromagnetické záření, konkrétně rádiové vlny, lidar využívá laserový paprsek. Jedná o stejný princip, který používá sonar, ovšem s tím rozdílem, že sonar (SOund Navigation And Ranging) využívá pro stejný účel ultrazvukové vlny.
Základní princip je v podstatě téměř stejný – sonar, radar i lidar totiž měří čas mezi vysláním, odrazem a zachycením odrazu. Na základě této hodnoty pak logika vypočítává vzdálenost objektů kolem sebe nebo v určeném směru.
Základní funkce lidaru
Lidar osvětluje okolí světlem a měří odražené impulsy snímačem. Rozdíly v naměřených časech a vlnových délkách lze poté použít pro vytvoření digitální trojrozměrné reprezentace okolního prostoru.
Lidar tedy vyšle světelný impuls z laserové diody, světlo se pohybuje, dokud nedosáhne cíle, kde se část světelné energie odrazí zpět k emitoru. Blízko vysílače je umístěn detektor, který identifikuje odražený signál. Časový rozdíl mezi vyzařovaným a přijatým pulsem určuje vzdálenost cíle.
Lidar se běžně používá k vytváření map s vysokým rozlišením pro geodetické, archeologické, geografické, geologické, geomorfologické a seismologické účely, v lesnictví či pro mapování vzdušného prostoru pomocí laserových plotů. Tato technologie se také využívá v řízení a navigaci u některých autonomních automobilů.
Historie lidaru
Základní koncepce Lidaru vznikla v roce 1930, kdy společnost EH Synge hodlala použít velmi výkonné reflektory pro zkoumání atmosféry. Lidar se od té doby hojně využívá pro výzkum atmosféry a meteorologii.
Lidar vznikl počátkem šedesátých let minulého století, krátce po vynálezu laseru. Zkombinoval laser se schopností vypočítat vzdálenost měřením času návratu signálu pomocí vhodných snímačů a elektroniky.
Jeho první aplikace se objevily v meteorologii, kde tuto technologii používalo americké Národní centrum pro výzkum atmosféry (NCAR) k měření oblačnosti. Veřejnost se mohla seznámit s přesností a užitečností lidarových systémů v roce 1971 během misí Apollo 15, kdy astronauti používali laserový výškoměr k mapování povrchu Měsíce.
LiDAR, LIDAR, nebo lidar?
Ačkoli řada zdrojů považuje lidar za zkratku, ve skutečnosti se jedná o složeninu slov „light“ („světlo“) a „radar“. První veřejná zmínka o lidaru zazněla roku 1963 v časopise New Scientist, kde se ve článku The Laser in Astronomy (laser v astronomii) píše: „Časem může laser poskytnout extrémně citlivý detektor určitých vlnových délek ze vzdálených objektů. Zatím je používán ke studiu Měsíce lidarem (světelným radarem).“
Interpretace lidaru jako zkratky („LIDAR“ nebo „LiDAR“) přišla až později – v roce 1970. Zatímco radar byla původně zkratka pro „RAdio Detection And Ranging“, lidar měl reprezentovat „Light Detection And Ranging“ či „Laser Imaging, Detection And Ranging“ („laserové zobrazování, detekce a měření“).
Ačkoli slovo radar dnes již není považováno za zkratku a píše se malými písmeny, v případě lidaru panuje nejistota. Na počátku osmdesátých let minulého století převážila tendence psát „LIDAR“ nebo „LiDAR“. V současné době neexistuje směrodatné pravidlo, které by určovalo, co je a není správně – tedy zda jde o zkratku, nebo jestli se má lidar psát malými písmeny, jako radar.
Základní princip
Lidar může ke své činnosti používat světlo v jeho viditelném spektru, ale také infračervené či ultrafialové záření. Zvládne zaměřit celou řadu materiálů, včetně nekovových předmětů, hornin, dešťových srážek, chemických sloučenin, aerosolů, oblačnosti či dokonce jednotlivých molekul.
Úzký laserový paprsek dokáže mapovat fyzické vlastnosti ve velmi vysokém rozlišení. Například při leteckém průzkumu lze touto technologií mapovat terén s rozlišením až 30 centimetrů.
Běžně dostupné lidary samozřejmě využívají lasery bezpečné pro oči, což znamená, že mohou být používány bez jakýchkoli bezpečnostních opatření. Systémy s vysokým výkonem jsou běžné především ve výzkumu atmosféry, kde jsou používány pro měření parametrů, jako jsou výška, vrstvení a hustota oblačnosti, vlastnosti částic oblaků, teplota, tlak a koncentrace stopových plynů (ozon, metan, oxid dusný atd.).
Takto „vidí“ lidar svět kolem sebe
Proti sonaru mají radar a lidar jednu zásadní výhodu – rychlost. Světlo a rádiové vlny jsou totiž zhruba milionkrát rychlejší než zvuk (důkazem budiž bouřka, kdy nejprve vidíme blesk a až později slyšíme zvuk). Tato vysoká rychlost umožňuje zařízení každou sekundu přijímat data z obrovského počtu impulsů. Znamená to, že informace jsou aktualizovány častěji a v důsledku toho jsou získány přesnější údaje.
Radar se používá především k detekci vzdálených objektů, definování jejich rychlosti a uspořádání. Se zařízením na této technologii se mnozí z vás osobně setkali – používá ho policie k detekci překračování nejvyšší povolené rychlosti vozidel na silnicích.
Od sonaru se radar liší tím, že místo (ultra)zvuku používá radiové vlny. Rádiové vlny mají mnohem větší dosah než zvuk a nejsou zaznamenatelné lidskými smysly. Také hlavní rozdíl mezi lidarem a radarem spočívá v tom, že pro detekci objektů používají různé signály, nicméně samotný princip fungování je zcela stejný.
Praktické uplatnění
Dnes se lidary uplatňují v celé řadě oborů – výše jsme mluvili například o využití v meteorologii a výzkumu atmosféry. Dalším oborem, kde se tato technologie prosazuje, je zemědělství. Lidary se používají k analýze výnosu plodin na polích, různé automatické stroje je využívají během setí osiva a aplikace hnojiv, nebo třeba při kontrole plevele.
Lidar může pomoci zjistit, kde je vhodné použít nákladné hnojivo. S jeho pomocí lze vytvořit topografickou mapu polí a odhalit místa, kam nedopadá sluneční záření. Pracovníci v oblasti zemědělského výzkumu využili tyto údaje v kombinaci s výsledky hospodaření z předchozích let ke kategorizaci půdy na oblasti s vysokým, středním a nízkým výnosem. Na základě toho dokázali přesněji určit, ve kterých částech je vhodné aplikovat hnojivo.
Buckinghamský palác pohledem lidaru
Technologie lidaru se uplatňuje také v archeologii, kde dokáže rychle a levně vytvářet sady dat s vysokým rozlišením. S jeho pomocí je možné vytvářet detailní digitální trojrozměrné modely archeologických lokalit.
Dalším oborem, kde se lidar prosadil, je biologie, konkrétně lesnictví. Pomocí lidarových systémů lze například měřit výšku porostu, mapovat množství a hustotu stromů, detekovat plochu listů, určit biologickou rozmanitost lesa a zkoumat další parametry. Například na portlandské univerzitě používají lidar ke kontrole růstu stromů v rozlehlých ekosystémech na velkých plochách. Letadla vybavená lidarem dovolují odborníkům sledovat vzhled takřka každé větve.
Lidar v autonomních vozidlech
Značné popularity se lidaru dostalo po jeho nasazení v autonomních vozidlech. Zde nejčastěji plní roli detektoru překážek a funguje jako rotující snímač, mapující prostředí kolem vozidla.
Mapa, získaná z lidarových senzorů, poskytuje údaje o tom, kde se v okolním prostředí nacházejí potenciální překážky a v jaké pozici je vůči nim autonomní vozidlo. Tato data jsou následně průběžně zpracovávána softwarem automobilu, jehož cílem je vyhodnotit situaci a predikovat riziko možné kolize.
Spolu se softwarem dokáže systém vozidla nejen detekovat, že se v okolí nachází nějaká překážka, ale také analyzovat její dynamické vlastnosti – například velikost, rychlost a směr pohybu. Na základě těchto dat může například upozornit řidiče na hrozící riziko, případně situaci vyřešit úhybným manévrem nebo zastavením.
Lidar je tedy jedním z bezpečnostních systémů, jejichž úkolem je sledování okolního světa. Kromě plně autonomních vozidel se tato technologie uplatňuje také v dalších systémech, přispívajících k vyššímu komfortu a bezpečnosti.
Lidar je jedním z bezpečnostních systémů
Jmenovat můžeme například adaptivní tempomat (ACC), asistenci nouzového brzdění (EBS) a protiblokovací systém (ABS). Lidar také může varovat před srážkou, pomáhat při parkování či sledovat slepé úhly při změně pruhu. Narazit tak na něj můžete v řadě technologických vymožeností, jimiž oplývají i běžně dostupná, sériově vyráběná vozidla.
Aktuální lidarové systémy používají rotační šestihranná zrcadla, která rozptylují laserový paprsek. Tři paprsky se používají pro detekci překážek před vozidlem, další pak slouží k indikaci značení jízdního pruhu a dopravních značek.
Samořídící auta potřebují víc
Současné autonomní vozy spoléhají na celou řadu technologií. Vedle lidaru bývají osazeny také radary, ultrazvukovými senzory a kamerami. Celkový obrázek o dění kolem vozidla pak skládá dohromady software, využívající v některých oblastech (zejména v analýze obrazu z kamer) umělou inteligenci.
V autonomních vozidlech spolupracuje řada systémů
Například v autonomním vozidle Toyota je dle výrobce hned dvanáct senzorů, mapujících prostor v okolí. Kromě kamery, integrované ve zpětném zrcátku, je k dispozici pět radarů, využívajících rádiové vlny pro měření rychlosti ostatních automobilů, a šest lidarů, detekujících polohu objektů kolem vozu.
Laserovými detektory vybavují své vozy například Tesla či Google. Jejich úkolem je ve spolupráci s další elektronikou sledovat při jízdě ostatní vozidla, chodce a překážky. Bohužel tyto detekční systémy jsou drahé a pro stejné úkoly existují levnější alternativní řešení.
Lidar versus radar
Pokud bychom měli porovnat výhody radaru a lidaru, pak patrně největším kladem služebně mladší technologie je schopnost detekovat i velmi malé objekty. S použitím příslušného softwaru pak lidar dokáže vytvářet přesný „monochromatický“ obraz svého okolí.
V rámci objektivity ale zmiňme i nevýhody. Schopnosti lidarů výrazně snižují nepříznivé podmínky, jako je déšť, mlha, sníh či tma. Právě zde tkví jedna z hlavních výhod radaru proti lidaru.
Omezený je také maximální dosah, který se pohybuje mezi 500 a 2000 metry, což je nesrovnatelně méně zejména ve srovnání například s radary pro monitorování leteckého provozu. K záporům lidaru patří také vyšší cena.
Radar je tedy vhodný na detekci objektů na delší vzdálenost, kde nehraje až tak zásadní roli to, o jaký objekt se jedná, ale jde o prostý fakt, že se někdo něco nachází. Lidar vyniká především přesnějším zjištěním tvaru a dalších parametrů objektu. V součinnosti s palubní kamerou pak může palubní software určit, zda jde o auto, strom, nebo třeba chodce. Další systémy ze získaných dat předvídají pohyb a vyhodnocují možné riziko kolize.
Pokud tedy vezmeme v úvahu výhody a nevýhody obou technologií, musíme dospět k jednoznačnému závěru, že se radar a lidar vzájemně doplňují. Jejich koordinovaná spolupráce tak může přispět k eliminaci nedostatků jedné i druhé technologie mapování prostoru. Proto se v autonomních vozidlech používají společně.
