Thời kì gần đây, cụm từ Lidar xuất hiện tràn khắp các mặt báo công nghệ.Từ xe tự lái, iphone 12 Pro,.. đều được trang bị công nghệ scan 3D Lidar khôn cùng tân tiến. Vậy lidar là gì, vì sao công nghệ này lại đóng vai trò quan trọng trong thời đại tự động hóa hóa? Mời bạn cùng 3DPLUS tìm hiểu.

Bạn Đang Xem: Công nghệ LiDar: nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Công nghệ Lidar là gì?

Lidar là tên gọi viết tắt của cụm từ Light Detection And Ranging. Bằng phương pháp phát đi đi một chùm tia laser rồi thu nhận lại tín hiệu phản hồi. Tốc độ ánh sáng đã biết trước, độ trễ phản hồi được ghi nhận, từ đó tính được khoảng chừng cách giữa máy phát và vật thể một cách tương đối xác thực. Sự khác biệt về thời kì và bước sóng laser sau đó có thể được sử dụng để tạo mô hình số 3D của đối tượng người tiêu dùng.

Khoảng tầm cách (d) tính bằng 1/2 tích giá trị tốc độ ánh sáng (c) và thời kì (t):

(d = 1/2tc)

Xem Thêm : Cảm biến tiệm cận là gì? Tìm hiểu về cảm biến tiệm cận

Mặc dù được sử dụng từ rất sớm, vào thập niên 1960s, khi mà các mạng lưới hệ thống Lidar được trang bị trên phi cơ quân sự chiến lược. Thế nhưng, phải hơn 20 năm tiếp theo, Lidar mới trở thành phổ thông nhờ vào sự xuất hiện của GPS. Đôi bạn trẻ này là phương tiện hữu dụng trong công việc trắc địa.

Xem Thêm : Cảm biến tiệm cận là gì? Tìm hiểu về cảm biến tiệm cận

Mặc dù được sử dụng từ rất sớm, vào thập niên 1960s, khi mà các mạng lưới hệ thống Lidar được trang bị trên phi cơ quân sự chiến lược. Thế nhưng, phải hơn 20 năm tiếp theo, Lidar mới trở thành phổ thông nhờ vào sự xuất hiện của GPS. Đôi bạn trẻ này là phương tiện hữu dụng trong công việc trắc địa.

Tài liệu mà Lidar thu thập gồm những gì?

Lidar ghi nhận vật thể dưới dạng tọa độ số xyz. Đám mây điểm (xyz) này hợp thành mô hình 3D. Có thể dùng để làm vẽ maps, dẫn hướng hoặc tái sạo bản sao vật lý (in3d).

Những ứng dụng quan trọng của Lidar

Hẳn bạn từng nghe tới các thiết bị Radar, Sonar rồi phải không nào! Lidar tương tự như vậy. Đây đều là những công nghệ phát hiện và đo kiểm vật thể trong không gian 3D. Tùy theo mục tiêu sử dụng, mức độ xác thực, kích thước của chúng cũng khác nhau rất nhiều… Radar được sử dụng trên phi cơ, thiết bị quân sự chiến lược mặt đất, Sonar sử dụng trên tàu ngầm và các thiết bị định vị dưới nước. Sonar dùng trong ngành công nghiệp trắc địa, AR-3D, xe tự hành, robot,…thậm chí là cả iPhone 12 Pro là smartphone trước nhất của Apple, tích hợp cảm ứng độ sâu LiDAR vào cụm camera chính ở phía sau để đo khoảng chừng cách và tương trợ lấy nét mở những môi trường tự nhiên thiếu sáng.

Ngành công nghiệp Oto, Robot

Ở quy mô nhỏ, việc trang bị mạng lưới hệ thống Lidar là rất tốn kém. Chính do, chỉ có số ít sản phẩm buộc phải có Lidar, đóng vai trò như một ”xúc giác” kỹ thuật số. Công nghệ này tiếp cận lần đầu đến ngành công nghiệp xe hơi vào năm 2018, khi GM sử dụng cảm ứng LiDAR gắn trên xe tải để thiết lập maps 3D xác thực. Công nghệ 3D LiDAR có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng người tiêu dùng chuyển động có kích thước bằng một loài vật nuôi, dự đoán hướng đi của chúng, phân biệt giữa các trở ngại vật tiềm tàng trong môi trường tự nhiên,…

Hãy xem video tiếp sau đây để hiểu những gì mà Lidar trên xe hơi ”nhìn thấy”

Nghiên cứu địa hình, vẽ maps

Mặc dù Lidar thường được biết tới trên các phương tiện tự hành, nhưng ứng dụng quan trọng nhất và cũng là lí do ra đời lidar: Đo kiểm địa hình

Xem Thêm : Định Hướng Phát Triển Tiếng Anh Là Gì ? 20 Từ Vựng Về Startup Ai Cũng Phải Biết

Những cơ quan như USGS (Cở quan khảo sát địa chất Hoà Kỳ), NOAA (cơ quan khí tượng thuỷ văn quốc gia) và NASA sử dụng LIDAR để tạo ra maps trái đất và không gian vũ trụ trong nhiều thập kỷ qua. Các nhà khoa học khí hậu sử dụng nó để thăm dò các thành phần của khí quyển và nghiên cứu những thứ như mây, aerosol (hệ keo của nhiều hạt chất rắn, lỏng trong không khí), sự nóng lên toàn cầu, các nhà hải dương học sử dụng nó để theo dõi sự thay đổi của bờ biển, trong nghành thực vật LIDAR được dùng để làm theo dõi sự thay đổi của rừng.

Lidar trên các thiết bị cầm tay

Và lúc này, Apple ra mắt cảm ứng LiDAR trên iPhone 12 Pro thượng hạng. Apple sử dụng LiDAR hơi khác so với những thiết bị chuyên được sự dụng của công trường thi công xây dựng hay súng bắn tốc độ. Tuy cùng sử dụng nguyên tắc giống nhau, nhưng cảm ứng LiDAR của Apple được ứng dụng ở quy mô nhỏ hơn do phạm vi hoạt động chỉ trong tầm 5m.

Cấu trúc của mạng lưới hệ thống Lidar tiêu biểu

Mạng lưới hệ thống lidar cần quét một vùng không gian khá rộng thông qua bộ thu phát laser. Nếu kết phù hợp với mạng lưới hệ thống GPS càng giúp nâng cao độ xác thực.

Máy phát laser này như một ống bán dẫn, cấu trúc cũng giống như máy phát laser trong đầu đĩa CD hay máy in laser. Chúng bắn những tia sáng có bước sóng từ 400 đến 700 nano mét. Xe tự lái sử dụng LIDAR với tia laser có bước sóng gần với bước sóng của tia hồng ngoại (khoảng chừng 900 đến 1100 nano mét). Máy laser dùng để làm quét dưới nước thì dùng tia laser màu xanh lá cây có bước sóng ngắn lại hơn (khoảng chừng 530 nano mét). Rõ ràng khi vận chuyển ở những nơi có con người những tia laser này sẽ nguy hại đến con người nhiều hơn là sử dụng phi cơ để quét địa hình. Nói chung trong tương lai LIDAR cần được cải tiến để an toàn hơn, tối ưu hiệu suất năng lượng hoạt động, bởi những tia sáng có bước sóng mạnh hơn, tần số thấp hơn sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn. Những chiếc xe tự lại tân tiến nhất sử dụng laser có nước sóng 1550 nano mét với nửa đường kính quét lên tới 200 mét so với trước kia chỉ 30 đến 40 mét cho một tia laser có bước sóng 905 mét.

Cảm ứng quang quẻ hay còn được biết là một loại cảm ứng chuyển đổi ánh sáng hay bức xạ thành tín hiệu điện có trong LIDAR là một loại cảm ứng được cấu thành từ silicon hoặc gallium arsenide, được chế tạo cho độ nhạy tối đa phù phù hợp với bất kỳ bước sóng nào mà laser đang sử dụng. Các loại máy dò cũng được sử dụng phù phù hợp với loại bước sóng và phạm vi LIDAR sử dụng. Các mạng lưới hệ thống LIDAR tầm ngắn thường sử dụng các diot quang quẻ silicon đơn giản. Các mạng lưới hệ thống tầm xa sử dụng cái gọi là APDs. Chúng hoạt động tương tự như máy dò của Geiger, biến một photon ánh sáng thành một lượng điện có thể đo được, do đó có thể phát hiện được một nguồn sáng thấp hơn nhiều. Khi phối hợp nhiều APD lại với nhau sẽ tạo ra một máy dò được gọi là MPPC – Multi px photon counter.

Để xoay một tia laser mà không gặp vấn đề với dây nguồn cung cấp cấp cho nó, tất cả chúng ta sử dụng mạng lưới hệ thống gương quay. Các mạng lưới hệ thống LIDAR tân tiến sử dụng gương quay siêu nhỏ dựa trên công nghệ MEMS – Micro Electro Mechanical Systems

Các cột mốc lịch sử hào hùng hình thành và phát triển Lidar

• 1930s: Các nhà khoa học sử dụng chùm ánh sáng để đo thành phần của khí quyển
• 1958: Charles Townes và Arthur Schawlow và sinh viên của họ phát minh ra maser
• 1960: Theodore Maiman chế tạo thành công máy bắn tia laser
• 1962: Các nhà khoa học của MIT đo khoảng chừng cách từ trái đất đến mặt trăng bằng một chùm tia laser phản xạ
• 1965: Ronald Collins thuộc viện nghiên cứu Stanford nộp bằng sáng chế cho mạng lưới hệ thống LIDAR sử dụng laser-radar được sử dụng để nghiên cứu khí quyển và thời tiết trái đất
• 1969: Daniel Hickman và John Hogg xuất bản một bài báo khoa học mô tả cách sử dụng tia laser để thực hiện cách phép đo độ sâu đại dương
• 1971: Các phi hành đoàn tàu vũ trụ Apollo 15 sử dụng LIDAR để lập maps mặt phẳng Mặt trăng
• 1974: Alan Carswell thuộc ĐH York,Toronto đã phát minh ra một phương tiện quét tìm kiếm bằng laser và sau này đã xuất bán cho tổ chức Optech. Một vài năm tiếp theo tổ chức Optech đã hoàn thiện ý tưởng đó
• 1976: Cuốn sách đầu tiền về LIDAR được ra đời
• 1985: Optech bán một sản phẩm mang tên Larsen-500, một trong những mạng lưới hệ thống LIDAR thương nghiệp trước nhất
• 1990s: LIDAR được sử dụng rộng rãi để vẽ maps địa lý
• 1994: NASA đưa LIDAR vào vũ trụ trên tàu con thoi Space Shuttle Discovery. LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) Thí nghiệm công nghệ trong không gian của Lidar được dùng để làm nghiên cứu bầu khí quyển từ không gian
• 2005: Quân đội Hoa Kỳ đưa mục tiêu sử dụng mạng lưới hệ thống LIDAR ứng dụng vào xe tự lái