Lidar is volwassen geworden als optische sensortechnologie. Hoewel het principe eenvoudig is, kostte het decennia om de technologie toegankelijk voor consumenten- en b2b-markten te maken. Het is dankzij de chiptechnologie een betaalbare techniek voor detectie en afstandsbepaling geworden. Fabrikanten van lidar-technologie maken de zelfrijdende auto mogelijk. In dit artikel lees je alle ins en outs van deze veelzijdige sensortechniek.
Lidar vindt zijn oorsprong in de lucht- en ruimtevaart. In vliegtuigen wordt de lasertechniek al langer gebruikt voor hoogtemeting ten opzichte van het onderliggende terrein. Naast autofabrikanten omarmen ook andere branches de voordelen van deze sensoren voor autonome bewegingstoepassingen. Zo wordt lidar toegepast in bijvoorbeeld Automated Guided Vehicles (AGV’s) en Autonomous Mobile Robots (AMR’s).
Ad Mulders, accountmanager bij Sentech, ziet veel beweging in de diverse markten. “Tegenwoordig worden lidar sensoren efficiënter en in grotere volumes geproduceerd. Daardoor zijn ze nu betaalbaarder voor integratie in applicaties.”
Mulders denkt verder vooruit. “Wij focussen op het integreren van lidar en radar in één compacte sensormodule. Met sensor fusion benut je de voordelen van beide detectietechnieken.”
Historie van Lidar
Lidar is ontstaan vlak na de uitvinding van de laser, in de jaren 60 van de vorige eeuw. Tijdens de Apollo 15-missie werd het gebruikt om het maanoppervlak gedetailleerd in kaart te brengen. De term was oorspronkelijk een combinatie van de woorden LIght en raDAR. Inmiddels is het verworden tot een afkorting van LIght Detection And Ranging, of Laser Imaging Detection And Ranging.
Tot voor kort werd de optische technologie vooral gebruikt voor onderzoek naar de atmosfeer en meteorologie, en toegepast in de lucht- en ruimtevaart. Doordat de technologie steeds verfijnder en goedkoper is geworden, hebben ook andere branches de technologie omarmd voor autonome bewegingstoepassingen.
Wat is lidar?
Het principe van lidar is eenvoudig. De optische meettechniek wordt op twee manieren ingezet. Als time-of-flight-lidar, om de afstand tot een object te bepalen; en als Doppler-lidar, om de snelheid van objecten te bepalen. De werking is vergelijkbaar met radar, dat werkt met radiogolven. Licht heeft een veel kleinere golflengte waardoor lidar kleinere objecten kan detecteren en scannen.
Het uitgezonden licht wordt gereflecteerd door het doelwit. De tijd tussen zenden en ontvangen wordt gebruikt voor afstandsmeting.
Bovendien verandert het doelwit de eigenschappen van het uitgezonden licht, afhankelijk van de materiaalsamenstelling en snelheid. Dat levert een lidar-instrument informatie op, waarmee onder andere de samenstelling en snelheid van het object bepaald kunnen worden.
Lidar gebruikt infrarood, zichtbaar of ultraviolet licht om objecten te scannen. Het kan een breed scala van materialen en objecten detecteren. Denk aan metalen en niet-metalen objecten, aerosolen, wolken, chemische stoffen, regen, stenen en zelfs één enkele molecuul.
De golflengten van de lichtbronnen variëren al naar gelang het doelwit. Het spectrum strekt zich uit van 10 micrometer (infrarood) tot ongeveer 250 nanometer (ultraviolet). Het uitgestraalde licht wordt weerkaatst door verstrooiing.
Afstandsbepaling met lidar
Het time-of-flight-principe wordt gebruikt om de afstand tussen het lidar-instrument en een object te bepalen. Een zender zendt lichtpulsen uit. Een ontvanger meet de tijdsduur tussen zenden en ontvangen van gereflecteerde fotonen.
Volgens de formule: d= (c × t)/(2 × n). ‘D’ staat voor de afstand in meters, ‘c’ voor de lichtsnelheid in vacuüm, ’t’ voor de tijdsduur in seconden en ‘n’ voor de brekingsindex van de lucht.
Snelheidsbepaling met lidar
Met lidar is het ook mogelijk de snelheid van een bewegend object te bepalen. Het instrument maakt daarbij gebruik van het Dopplereffect. Het natuurkundige fenomeen ontstaat wanneer een bron (of ontvanger) van golven beweegt ten opzichte van een medium.
Voor lichtbronnen geldt de volgende formule: v=(T1/T2-1) × c/n. ‘T’ staat voor de golfperiodes.
Meer informatie over het doelwit
Van recentere aard zijn geavanceerde lidar-toepassingen voor atmosferisch onderzoek. De verandering van de samenstelling van het teruggekaatste licht geeft informatie over het doelwit. Deze toepassingen meten bijvoorbeeld luchtvervuiling op basis van absorptie van licht door moleculen. Dit type staat ook bekend als DIAL (Differential Absorption Lidar).
Hoe werkt lidar?
Grofweg kan lidar in twee detectiemethoden onderverdeeld worden: incoherente of directe energiedetectie, en coherente detectie. Incoherente systemen meten de veranderingen in golfhoogte (amplitude) in het gereflecteerde licht. Coherente systemen meten de verschillen in golflengte (fase) en zijn geschikt voor snelheidsmeting.
Lichtpulssystemen
Er zijn twee systemen voor het genereren van lichtpulsen: micropuls-systemen en hoogenergetische systemen.
Micropulssystemen genereren onderbroken energiestralen. Ze zijn ontstaan dankzij de vooruitgang van lasertechnologie gecombineerd met de alsmaar groeiende rekenkracht van microprocessoren. Deze systemen gebruiken aanzienlijk minder energie, waardoor ze veilig voor mens en dier zijn.
De krachtige hoogenergetische systemen gebruiken veel meer energie en worden vooral gebruikt voor atmosferisch onderzoek.
Samenstelling lidar-sensor
Een lidar-sensor bestaat in principe uit vier onderdelen.
- Lichtbron
Dat kan een laser-, led- of vcsel-diode zijn, die licht in pulsen uitzendt. - Scanner en optiek
Deze onderdelen geleiden het licht – bijvoorbeeld via een oscillerende spiegel en/of (asferische) lens – naar buiten. Een lens bundelt het gereflecteerde licht naar een fotodetector. - Fotodetector en elektronica
Afhankelijk van het meetdoel wordt het licht opgevangen in een fotodetector, bijvoorbeeld een solid-state-fotodiode. Elektronica verwerkt de beeldgegevens digitaal. - Positie- en navigatiesysteem
Mobiele lidar-systemen hebben een gps-systeem nodig om de exacte positie en oriëntatie van de sensor te bepalen.
De verschillende lidar-systemen hebben een vergelijkbare output gemeen. Dat is een 3d-puntenwolk die op een kaart of bewegend beeld kan worden geprojecteerd. De sensor genereert zo een gedetailleerd beeld van zijn omgeving, maar kan ook additionele informatie over die omgeving geven.
Er zijn ook lidar-systemen die puur bedoeld zijn voor detectie en afstandsbepaling. Fabrikanten zoals Velodyne en Leddartech hebben dit specialisme geperfectioneerd en verfijnd, zodat ze geschikt zijn voor lidar-drones, -AGV’s en zelfrijdende auto’s. Later meer over de samenwerking tussen Sentech en Leddartech.
Lidar-sensortoepassingen
Lidar dankt zijn populariteit aan de nauwkeurigheid en hoge resolutie waarmee wetenschappers de wereld, onder water, aan het oppervlak en in de lucht in kaart hebben kunnen brengen. Tot voor kort was het nog een dure aangelegenheid en werd vooral voor onderzoek toegepast, en commercieel alleen in de lucht- en ruimtevaart.
Door kostendaling en technologische vooruitgang – vooral in kleinschaligheid, betrouwbaarheid en duurzaamheid – is lidar ook toegankelijk geworden voor een breed scala van commerciële toepassingen. Bijvoorbeeld in autonome voertuigen en robots.
Landbouw: detectie en autonome bewegingsfuncties
De landbouw kan lidar op verschillende manieren toepassen. Als meetinstrument in drones om grond topografisch in kaart te brengen en de gegevens te combineren met de opbrengst van gewassen. Zo kun je bepalen welke gebieden extra aandacht nodig hebben. Of voor autonoom bewegende voertuigen (AGV’s) in en om stallen en akkers, die de objecten en obstakels in hun omgeving detecteren.
Biologie en natuurbescherming
Lidar helpt overheden, wetenschappers en niet-gouvernementele organisaties om natuurgebieden in kaart te brengen en te beschermen. Bijvoorbeeld door boomhoogte, biomassa en biodiversiteit te meten.
Meteorologie en luchtkwaliteit
Meteorologische lidar-toepassingen ontstonden als eerste na de uitvinding van de laser. Tientallen jaren van doorontwikkeling hebben geleid tot geavanceerde systemen die een breed spectrum van meteorologische omstandigheden meten. Ze kunnen onder andere wolken in kaart brengen, windsnelheden meten, aerosolen bestuderen en de samenstelling van de lucht bepalen.
Daarmee helpt lidar om het klimaat en broeikasgassen, luchtvervuiling, branden, luchtvochtigheid en andere luchtcomponenten te bestuderen.
Autonoom rijden met lidar
Diverse autofabrikanten, Google en Intel ontwikkelen momenteel zelfrijdende auto’s. Volgens accountmanager Ad heeft elke fabrikant of ontwikkelaar zijn eigen voorkeur voor de technologische hulpmiddelen.
“Zo past Tesla radar toe, en combineert Google juist lidar en radar. Intel vertrouwt daarentegen volledig op cameratechnologie. Wat alle fabrikanten gemeen hebben, is dat ze visuele (camera)beelden met sensorinformatie combineren.”
“Die combinatie is nodig om veiligheid en betrouwbaarheid te waarborgen onder alle omstandigheden. Als door een verstoring een technologie faalt, zal de andere technologie nog wel detecteren en ingrijpen om naar een veilige modus te gaan”, aldus de accountmanager.
Lidar wordt in deze branche gebruikt voor detectie van objecten en afstandsbepaling rondom het voertuig. Mulders: “Het gaat om voertuigen in de breedste zin van het woord. Lidar wordt ook toegepast in zelfrijdende heftrucks in magazijnen, landbouwmachines, et cetera.”
Evolutie lidar – kleiner en goedkoper
De hoge kosten en omvang van lidar-systemen waren een belemmering voor commerciële toepassing in zelfrijdende voertuigen. Volgens het gerenommeerde weekblad The Economist kon een commercieel lidar-systeem in 2016 nog z’on 50.000 dollar kosten.
Daar is verandering in gekomen. Diverse sensorfabrikanten, zoals Velodyne, Infineon en LeddarTech, ontwikkelen en produceren momenteel al kleinere en veel goedkopere lidar-sensoren. Dankzij geavanceerde en goedkoper wordende chiptechnologie.
Alle sensordelen (laser, optiek en verwerking) kunnen daardoor op chipniveau gefabriceerd worden. Asferische lenzen elimineren de noodzaak voor bewegende spiegels om het licht breed te kunnen spreiden.
Lidar-sensorfabrikanten
Infineon werkt aan een miniatuur systeem: Mems-lidar, dat een micro-elektromechanische (mems-)spiegel bevat. Deze geavanceerde minispiegel is uitgevonden door het Nederlandse Innolucence. Naar verwachting gaat een mems-lidar-sensor – met een bereik van 250 meter en een scancapaciteit van 5000 meetpunten per seconde – niet meer dan 250 dollar kosten.
Velodyne kondigde begin 2021 een compacte solid-state-lidar-sensor aan voor autonome voertuigen. LeddarTech loopt voorop in solid-state-lidar-technologie en heeft al een compact lidar-systeem op de markt gebracht: LeddarVU. De complete sensor weegt slechts 107 gram.
LeddarTech koploper in solid-state-lidar
Sentech past solid-state-lidar van LeddarTech toe in autonome bewegingstoepassingen bij verschillende opdrachtgevers. “Bijvoorbeeld op het gebied van agro-technologie”, zegt Ad. “We gebruiken sensortechnologie van LeddarTech voor landbouw-AGV’s.”
Volgens de accountmanager loopt de Canadese sensorfabrikant voorop in solid-state-lidar. “Een groot technisch voordeel is het ontbreken van bewegende onderdelen. Daardoor wordt de sensor robuuster en is hij geschikt voor extreme omstandigheden.”
“Een ander groot voordeel voor ons is dat deze fabrikant modules levert, waardoor wij sensorapplicaties op maat kunnen ontwikkelen”, zegt Mulders.
In een whitepaper over lidar-techniek beschrijft LeddarTech hoe het detectie en afstandsbepaling op een innovatieve wijze aanpakt.
Sensor fusion – voordelen lidar en radar combineren
Radar kan op grotere afstanden detecteren en kan door barrières kijken. “Daarom is radar interessant voor landbouwvoertuigen, omdat het de bodem door gewassen heen kan detecteren”, verklaart Ad.
Daarentegen biedt lidar een breder gezichtsveld en grotere resolutie, en kan het de grootte en vorm van objecten beter bepalen.
Mulders: “Daarom werken we bij Sentech aan sensor fusion van lidar en radar in één geïntegreerde sensortoepassing. Zo kunnen we de voordelen van beide sensortechnologieën benutten, zodat hun afzonderlijke nadelen teniet worden gedaan.”
Meer over zelfrijdende voertuigen
Lidar staat vol in de schijnwerpers als technologie voor zelfrijdende voertuigen. Ook Sentech is volop bezig met de doorontwikkeling, samen met Velodyne, LeddarTech en andere sensorfabrikanten.
Wil je weten hoe sensortechnologie autonoom rijden in een stroomversnelling brengt?
