سنسور لیدار LiDAR چیست؟ نحوه کار و کاربر LiDAR

سنسور LiDAR چیست؟

سنسور LiDAR (مخفف Light Detection and Ranging) یک فناوری اندازه‌گیری بُعد و فاصله است که با استفاده از پالس‌های نوری (لیزر) محیط اطراف را اسکن کرده و به کمک بازتاب این پرتوها، اطلاعات سه‌بعدی دقیقی از فواصل و اشیاء در صحنه به دست می‌آورد.

سنسور لیزر (LiDAR) یا “تشخیص و اندازه‌گیری نور با لیزر” یکی از فناوری‌های پیشرفته در حوزه سنجش از دور است که به‌طور گسترده‌ای در کاربردهای مختلفی چون نقشه‌برداری، جغرافیا، رباتیک، خودروهای خودران و حتی حفاظت محیط زیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری به‌خاطر دقت بالا و توانایی جمع‌آوری داده‌های سه‌بعدی از محیط، توجه بسیاری از محققان و مهندسان را جلب کرده است.

نحوهٔ کار سنسور LiDAR

سنسورهای LiDAR با ارسال پالس‌های لیزری به سمت هدف و اندازه‌گیری زمان بازگشت این پالس‌ها به سنسور، فاصله بین سنسور و هدف را محاسبه می‌کنند. این فرآیند به‌عنوان «زمان پرواز» (Time of Flight) شناخته می‌شود. با تجزیه و تحلیل این داده‌ها، می‌توان نقشه‌ای سه‌بعدی از محیط ایجاد کرد که شامل جزئیات دقیق از سطح زمین، درختان، ساختمان‌ها و سایر اشیاء است.

1. تابش پالس لیزری (Laser Pulse Emission)
   سنسور LiDAR با سرعت بالا پالس‌های لیزری را در طیف مادون قرمز یا نور سبز به سمت نقاط مختلف در محیط ارسال می‌کند.

2. بازتاب نور (Reflection)
   این پالس‌ها پس از برخورد با اجسام، منعکس می‌شوند و بخشی از این نور بازتابی به سوی سنسور بازمی‌گردد.

3. اندازه‌گیری زمان بازگشت (Time of Flight)
   سنسور مدت‌زمان رفت‌وبرگشت پالس لیزری را اندازه‌گیری می‌کند. از آن‌جا که سرعت نور ثابت است، می‌توان فاصلهٔ هر نقطه را با استفاده از این زمان محاسبه کرد.

4. تشکیل ابر نقاط (Point Cloud)
   سنسور LiDAR این اندازه‌گیری‌ها را در زوایا و فواصل متعدد تکرار می‌کند و نتیجهٔ آن، ابر نقاط (Point Cloud) سه‌بعدی از محیط است که موقعیت هر نقطه در فضا را با دقتی بسیار بالا مشخص می‌کند.

5. تجزیه‌وتحلیل و مدل‌سازی سه‌بعدی
   نرم‌افزارهای پردازش دادهٔ LiDAR، این ابر نقاط را به شکل مدل‌های سه‌بعدی یا نقشه‌های دقیق (توپوگرافی، نقشهٔ عوارض زمین، نمای سه‌بعدی از ساختمان‌ها و …) در می‌آورند. به این ترتیب می‌توان جزئیات مختلفی از سطح زمین یا اشیای موردنظر را مشاهده و تحلیل کرد.

کاربردهای سنسور LiDAR

1. نقشه‌برداری و جغرافیا: یکی از اصلی‌ترین کاربردهای LiDAR در نقشه‌برداری زمین و ایجاد مدل‌های دیجیتال ارتفاعی است. این فناوری به جغرافی‌دانان و مهندسان اجازه می‌دهد تا اطلاعات دقیق‌تری درباره توپوگرافی زمین به‌دست آورند.
2. خودروهای خودران: در صنعت خودروسازی، سنسورهای LiDAR به‌عنوان یک ابزار کلیدی برای شناسایی و نقشه‌برداری از محیط اطراف خودروهای خودران استفاده می‌شوند. این سنسورها به خودرو کمک می‌کنند تا موانع، عابران پیاده، و سایر وسایل نقلیه را شناسایی و تجزیه و تحلیل کند.
3. محیط زیست: LiDAR می‌تواند در پایش جنگل‌ها و اکولوژی به‌کار رود. با استفاده از این فناوری، می‌توان اطلاعات دقیقی در مورد ارتفاع درختان، تراکم جنگل و تغییرات زیست‌محیطی به‌دست آورد.
4. ساختمان‌سازی و مهندسی: در صنعت ساخت‌وساز، استفاده از LiDAR به مهندسان کمک می‌کند تا مدل‌های دقیقی از ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها ایجاد کنند و همچنین در مراحل طراحی و ساخت پروژه‌ها به بهینه‌سازی فرآیندها بپردازند.
5. پهپادها و نقشه‌برداری هوایی: در صنعت نقشه‌برداری و کشاورزی هوشمند، LiDAR روی پهپادها نصب می‌شود تا با سرعت بالا اطلاعات دقیق توپوگرافی مناطق مختلف را جمع‌آوری کند.
6. رباتیک و اتوماسیون: ربات‌های صنعتی یا ربات‌های خانگی هوشمند می‌توانند با کمک LiDAR موانع را تشخیص داده و مسیریابی دقیق‌تری داشته باشند.
7. شهرسازی و مدیریت شهری: در مدیریت ترافیک، برنامه‌ریزی شهری، و همچنین در پروژه‌های هوشمندسازی شهرها، LiDAR با تهیهٔ داده‌های سه‌بعدی باکیفیت از خیابان‌ها و ساختمان‌ها، امکان آنالیز و تصمیم‌گیری دقیق‌تر را فراهم می‌کند.

مزایای سنسور LiDAR (لیدار)

• دقت بالا در اندازه‌گیری فاصله
  سنسورهای لیدار می‌توانند فواصل را با خطای بسیار کم (حتی در حد سانتی‌متر) اندازه‌گیری کنند که در کاربردهایی نظیر نقشه‌برداری دقیق، خودروهای خودران و رباتیک بسیار حیاتی است.

• تولید داده‌های سه‌بعدی
  لیدار با تاباندن پالس‌های لیزری به محیط و ثبت بازتاب آن‌ها، ابر نقطه (Point Cloud) سه‌بعدی کاملی از فضا ارائه می‌دهد که امکان مدل‌سازی و تحلیل دقیق را فراهم می‌کند.

• سرعت بالای جمع‌آوری داده
  بسیاری از سیستم‌های لیدار قادرند در هر ثانیه صدها هزار تا میلیون‌ها نقطه را ثبت کنند؛ این سرعت برای کاربردهایی مثل نقشه‌برداری هوایی و اسکن آنی محیط در خودروهای خودران ایده‌آل است.

• مستقل بودن از نور محیط
  از آن‌جایی که لیدار بر پایهٔ تابش پالس‌های لیزری فعال است، شب یا روز و تاریکی یا روشنایی محیط تأثیر کمتری بر عملکرد آن دارد. این ویژگی، کاربرد آن را در شرایط نوری متنوع ممکن می‌سازد.

• توانایی تشخیص دقیق جزئیات
  به دلیل دقت بالای اندازه‌گیری، سنسورهای لیدار می‌توانند عوارض مختلف محیطی (مانند درختان، ساختمان‌ها و…) را تفکیک و اطلاعات ریزساختاری آن‌ها را ثبت کنند.

• کاربردپذیری در شرایط متحرک
  لیدار می‌تواند حتی در زمان حرکت (مانند نصب روی خودرو، هواپیما یا ربات) اطلاعات محیط را به‌صورت پیوسته جمع‌آوری کرده و نقشه‌های به‌روزشونده از فضا ارائه دهد.

معایب سنسور LiDAR (لیدار)

• هزینهٔ نسبتاً بالا
  سنسورهای لیدار به‌ویژه در نمونه‌های پیشرفته، همچنان قیمت بالایی دارند. این امر ممکن است استفادهٔ گسترده از لیدار را در برخی کاربردهای مصرفی یا پروژه‌های با بودجهٔ محدود دشوار کند.

• حساسیت به شرایط جوی
  پدیده‌هایی مانند مه، گردوغبار، باران شدید یا برف می‌تواند دامنهٔ اسکن و دقت لیدار را کاهش دهد. این شرایط جوی باعث پراکنش یا جذب پالس‌های لیزر می‌شود و در نتیجه داده‌های به‌دست‌آمده ممکن است با خطای بیشتری همراه باشند.

• مصرف انرژی بالا
  تاباندن پالس‌های لیزری با سرعت و قدرت کافی، نیازمند تأمین انرژی زیادی است. در نتیجه، استفاده از لیدار در پروژه‌هایی که محدودیت توان مصرفی وجود دارد (مثلاً برخی ربات‌ها یا دستگاه‌های قابل‌حمل) ممکن است چالش‌برانگیز باشد.

• ابعاد و وزن
  هرچند فناوری لیدار در حال کوچک‌تر شدن است، اما در مقایسه با برخی سیستم‌های حسگری دیگر (مانند دوربین‌های معمولی)، اغلب ابعاد و وزن بیشتری دارد. این موضوع می‌تواند در طراحی سیستم‌های سبک یا فضاهای محدود، محدودیت ایجاد کند.

• محدودیت در تشخیص سطوح منعکس‌کننده یا بسیار تیره
  سطوحی که بسیار براق هستند، یا به‌شدت نور را جذب می‌کنند (سطوح تیره)، ممکن است سیگنال لیزر را بازتاب ندهند یا بازتاب کمتری داشته باشند و در نتیجه اطلاعات به‌دست‌آمده از آن نقاط کامل نباشد.

• نیاز به پردازش بالا
  داده‌های لیدار معمولاً به شکل ابر نقاط سه‌بعدی با حجم بالا تولید می‌شوند. تحلیل و پردازش این داده‌ها نیاز به سیستم‌های محاسباتی قدرتمند دارد؛ موضوعی که می‌تواند هزینهٔ سخت‌افزاری و زمان پردازش را افزایش دهد.

سنسور لیدار در چه وسایلی وجود دارد؟

سنسور LiDAR (لیدار) در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و وسایل مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد. در ادامه به برخی از مهم‌ترین موارد اشاره می‌کنیم:

1. خودروهای خودران و سیستم‌های کمک‌راننده (ADAS)

   • شرکت‌های فعال در حوزهٔ خودروهای خودران مانند Waymo، Cruise و برخی دیگر از خودروسازها از لیدار برای تشخیص موانع، عابران پیاده و اجسام مختلف در جاده استفاده می‌کنند.
   • سیستم‌های پیشرفته کمک‌راننده (ADAS) نیز از لیدار (یا فناوری‌های مشابه) برای ترمز اضطراری خودکار، تطبیق سرعت و شناسایی محیط پیرامون بهره می‌برند.

2. تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها

   • اپل در مدل‌های پیشرفتهٔ خود مانند iPhone 12 Pro، 13 Pro، 14 Pro و iPad Pro از حسگر لیدار برای بهبود قابلیت‌های واقعیت افزوده (AR)، تشخیص عمق در عکس‌برداری پرتره و فوکوس بهتر دوربین استفاده می‌کند.
   • برخی تولیدکنندگان دیگر هم در حال بررسی یا استفاده از سنسورهای مشابه برای بهبود تجربهٔ کاربری و توسعهٔ اپلیکیشن‌های واقعیت افزوده هستند.

3. پهپادها (Drones)

   • در صنایع نقشه‌برداری و کشاورزی هوشمند، نصب لیدار روی پهپادها امکان جمع‌آوری سریع و دقیق اطلاعات توپوگرافی و بررسی سلامت محصولات کشاورزی را فراهم می‌کند.
   • پهپادهای مجهز به لیدار برای پروژه‌هایی نظیر باستان‌شناسی، زمین‌شناسی و مدیریت جنگل‌ها نیز کاربرد فراوان دارند.

4. ربات‌ها و ربات‌های نظافت خانگی

   • بسیاری از ربات‌های صنعتی و انبارداری برای مسیریابی و جلوگیری از برخورد با موانع از لیدار یا حسگرهای مشابه بهره می‌برند.
   • ربات‌های نظافت خانگی پیشرفته (مانند برخی از مدل‌های جاروبرقی رباتی) نیز با استفاده از لیدار، نقشه‌ای از محیط خانه تهیه کرده و با دقت بالاتری تمیزکاری را انجام می‌دهند.

5. ابزارهای نقشه‌برداری و اسکن سه‌بعدی

   • دستگاه‌های اسکن سه‌بعدی دستی یا زمینی برای اسکن سازه‌ها، بناهای تاریخی، تونل‌ها و معادن از لیدار استفاده می‌کنند.
   • در پروژه‌های شهری و عمرانی، لیدار روی خودروهای نقشه‌برداری نصب می‌شود تا با عبور از خیابان‌ها، مدل سه‌بعدی دقیقی از ساختمان‌ها و زیرساخت‌های شهری ثبت شود.

6. پهپادها و هلیکوپترهای نظامی و امداد

   • در حوزهٔ نظامی، پهپادها و بالگردهای مجهز به لیدار برای شناسایی محیط، پایش مواضع دشمن یا ارزیابی سریع منطقه پیش از عملیات استفاده می‌شوند.
   • در عملیات امداد و نجات، لیدار می‌تواند موقعیت موانع یا افراد گرفتار را با دقت بالایی مشخص کند.

7. سینما و صنعت جلوه‌های ویژه

   • برای ساخت صحنه‌های سه‌بعدی، مدل‌سازی کاراکترها یا حتی مناظر طبیعی، اسکنرهای لیدار به‌کار می‌روند تا داده‌های با جزئیات بالا از سطوح مختلف جمع‌آوری شود و در ساخت جلوه‌های ویژه یا بازی‌های کامپیوتری استفاده گردد.

آینده LiDAR

با پیشرفت‌های فناوری و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود که استفاده از سنسورهای LiDAR در آینده گسترش یابد. به‌خصوص در زمینه‌های حمل و نقل، حفاظت از محیط زیست و پروژه‌های عمرانی، این فناوری پتانسیل بالایی برای بهبود کارایی و دقت دارد. همچنین، با توجه به توسعه فناوری‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، احتمالاً از LiDAR به‌عنوان ابزاری مکمل در تحلیل داده‌ها و پیش‌بینی‌های زیست‌محیطی بهره‌برداری بیشتری خواهد شد.

سنسور LiDAR برند  Unitree

 Unitree یکی از شرکت‌های پیشرو در زمینه تولید رباتیک و فناوری‌های مرتبط با آن است. این برند به‌خصوص در زمینه ربات‌های چهارپایه و استفاده از سنسورهای Lidar در محصولات خود شناخته شده است. ربات‌های تولید شده توسط Unitree با استفاده از سنسورهای Lidar می‌توانند به‌طور مستقل و با دقت بالا در محیط‌های پیچیده حرکت کنند.

ویژگی‌های محصولات Unitree

1. دقت بالا: ربات‌های Unitree که به سنسورهای Lidar مجهز هستند، قادر به شناسایی دقیق و سریع موانع هستند.
2. ناوبری پیشرفته: با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده از سنسورهای Lidar، ربات‌ها می‌توانند مسیرهای بهینه را برای حرکت انتخاب کنند.
3. قابلیت برنامه‌ریزی و سفارشی‌سازی: محصولات Unitree به کاربران این امکان را می‌دهند که نرم‌افزارهای خاصی را برای برآورده کردن نیازهای خود توسعه دهند.
4. مناسب برای محیط‌های مختلف: ‌سنسورهای Unitree LIDAR به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند در انواع مختلفی از محیط‌ها، از جمله داخلی و خارجی، به خوبی عمل کنند.

جمع بندی

سنسور LiDAR (لیدار) با تابش پالس‌های نوری و اندازه‌گیری زمان بازگشت آن‌ها، امکان ثبت جزئیات سه‌بعدی محیط را با دقتی چشم‌گیر فراهم می‌کند. این فناوری در حوزه‌های متنوعی مانند نقشه‌برداری، رباتیک، خودروهای خودران و حفاظت از محیط زیست کاربرد دارد و به‌دلیل سرعت بالای جمع‌آوری داده، دقت زیاد و استقلال از نور محیط، گزینه‌ای بسیار مناسب برای پروژه‌های پیشرفته محسوب می‌شود. با این حال، هزینهٔ نسبتاً بالا و حساسیت به شرایط جوی می‌تواند چالش‌هایی را در کاربرد سنسورهای لیدار ایجاد کند. برندهایی همچون Unitree با توسعهٔ محصولات پیشرفته در این حوزه، قابلیت ناوبری دقیق ربات‌ها در محیط‌های پیچیده را فراهم کرده‌اند.

ضمناً اگر به‌دنبال خرید سنسور LiDAR از برندی معتبر هستید، شرکت لوتوس به‌عنوان فروشندهٔ این محصولات می‌تواند گزینه‌های باکیفیتی نظیر Unitree را در اختیار شما بگذارد.