СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

РОБОТОТЕХНИКА 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 Система позиционирования и ориентации Блок инерциальной навигации ГЛОНАСС GPS Хранилище данных Блок обработки сигнала Блок обработки сигнала Система управления Система измерения расстояний Передающая оптическая система Приёмная оптическая система Система развёртки Зондирующий импульс Отражённое излучение Лазер Спектроанализатор Рис. 1. Компоненты системы LIDAR В статье представлен общий обзор технологии лазерного сканирования объектов в пространстве, рассмотрены устройства, реализующие эту технологию и применяющиеся в мобильных робототехнических комплексах. Андрей Антонов (г. Волгоград) Специальный проект журнала «Современная электроника» и сайта robotosha.ru Сканирующие лазерные дальномеры (LIDAR) Р О Б О Т О ША О БЗОР ТЕХНОЛОГИИ LIDAR Термин LIDAR (от англ. Light Detection and Ranging) относится к системам радиолокации, работающим в опти- ческом диапазоне и использующим в качестве источника излучения лазер. Часто в зарубежных источниках мож- но встретить аналогичные термины – LADAR (Laser Detection and Ranging ) и Laser Radar. В мобильных наземных робототех- нических комплексах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) эта тех- нология играет очень важную роль: она используется для автоматическо- го построения трёхмерной карты (сце- ны) окружающего пространства и про- странственной ориентации аппарата. Существуют разные варианты сис- тем LIDAR, но в общем случае все они включают следующие ключевые эле- менты, определяющие принцип рабо- ты системы: ● источник фотонов (чаще всего это лазер); ● детектор фотонов; ● тактирующая цепь; ● оптическая приёмо-передающая часть [1]. Системы LIDAR времяпролётно- го типа (Time-of-Flight, ToF) исполь- зуют короткие импульсы лазерного излучения, с высокой точностьюфик- сируя моменты их передачи и приё- ма откликов (отражённых сигналов), чтобы вычислить расстояния до объ- ектов в окружающем пространстве или на поверхности земли (например, при топосъёмке с БПЛА). После объедине- ния серии таких измерений с информа- цией о местоположении и ориентации аппарата, создаётся результирующая трёхмерная сцена интересующей обла- сти пространства. Чаще всего эта сце- на сохраняется в виде массива коорди- нат (x, y, z), называемого облаком точек. Несмотря на то, что существует мно- жество устройств LIDAR для разных областей применения, все они состо- ят из похожего набора функциональ- ных узлов (см. рис. 1), таких как: ● подсистема измерения расстояния (лазерный передатчик и приёмник); ● сканирующая подсистема; ● подсистемапозиционированияиори- ентации; ● система управления; ● хранилище данных. П ОДСИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ Принципиальные отличия отдель- ных устройств LIDAR заключаются в реализации функции измерения рас- стояния. Важнейший узел системы LIDAR – подсистема измерения расстояния – состоит, в свою очередь, из таких вну- тренних подсистем, как лазерный передатчик и электрооптический при- ёмник. Лазерный передатчик излучает энер- гию в виде сфокусированного луча, который до выхода из устройства про- ходит через ряд преобразовательных компонентов: переключатель приёмо- передатчика, расширители луча, выход- ная телескопическая оптика и другое. В системе LIDAR могут использо- ваться различные типы лазеров, но чаще всего применяют твердотельный Nd:YAG-лазер, активной средой в кото- ром выступает алюмо-иттриевый гра- нат (Y 3 Al 5 O 12 ), легированный ионами неодима. Лазерные сканирующие дальномеры работают на различных длинах волн, но чаще других используются следую- щие: ● 1064 нм (ближний инфракрасный диапазон) – для топографических сканеров; ● 532 нм (зелёный) – для батиметри- ческих (измеряющих глубину) ска- неров;