Trong 4-5 ngày qua, chúng ta đều nghe về công nghệ này trên báo chí chỉ vì hai công ty nổi tiếng — một ông lớn CNTT Google và một dịch vụ xe gọi tăng trưởng nhanh Uber — đang tranh chấp về nó. Tôi không đi sâu vào chi tiết tranh chấp này, hay bảo vệ bên nào, hay sự thật như công ty nào phát minh hoặc cấp bằng sáng chế, cuộc tranh chấp bắt đầu như thế nào...
Nhưng chắc chắn blog này sẽ cung cấp cho bạn một số sự thật cơ bản về Công nghệ LIDAR và một số ứng dụng hiện tại của công nghệ này.
Công nghệ LIDAR là gì?
LIDAR, viết tắt của Light Detection and Ranging (Phát hiện ánh sáng và Đo khoảng cách), là phương pháp cảm biến từ xa sử dụng ánh sáng dưới dạng xung laser xung để đo khoảng cách (khoảng cách biến đổi) đến Trái đất. Các xung ánh sáng này — kết hợp với dữ liệu khác được ghi lại bởi hệ thống trên không — tạo ra thông tin ba chiều chính xác về hình dạng của đối tượng mục tiêu và đặc điểm bề mặt của nó.
Hệ thống LIDAR cho phép nhà khoa học và chuyên gia lập bản đồ kiểm tra cả môi trường tự nhiên và nhân tạo với độ chính xác, độ chính xác và sự linh hoạt. Các nhà khoa học NOAA đang sử dụng LIDAR để tạo bản đồ đường bờ biển chính xác hơn, tạo mô hình độ cao số cho hệ thống thông tin địa lý, hỗ trợ hoạt động ứng phó khẩn cấp và nhiều ứng dụng khác.
Các loại LIDAR
LIDAR trên không (Airborne LIDAR):
Với LIDAR trên không, hệ thống được lắp đặt trên máy bay cánh cố định hoặc trực thăng. Tia laser hồng ngoại được phát射 về mặt đất và trả về cảm biến LIDAR trên không đang di chuyển. Có hai loại cảm biến trên không:
- Topographic (Địa hình) — LIDAR địa hình thường dùng laser hồng ngoại gần để lập bản đồ mặt đất.
- Bathymetric (Đo sâu) — LIDAR đo sâu dùng ánh sáng xanh thấm nước để đo độ cao đáy biển và đáy sông.
LIDAR mặt đất (Terrestrial LIDAR):
LIDAR mặt đất thu thập các điểm rất dày đặc và chính xác cao, cho phép nhận diện chính xác các đối tượng. Những đám mây điểm dày đặc này có thể dùng để quản lý cơ sở, khảo sát đường cao tốc và đường sắt, thậm chí tạo mô hình thành phố 3D cho không gian ngoài trời và trong nhà. Có 2 loại chính LIDAR mặt đất:
- Mobile (Di động) — LIDAR di động là thu thập đám mây điểm LIDAR từ nền tảng di động. Hệ thống LIDAR di động có thể bao gồm bất kỳ số lượng cảm biến LIDAR nào gắn trên phương tiện di chuyển.
- Static (Tĩnh) — LIDAR tĩnh là thu thập đám mây điểm LIDAR từ vị trí cố định. Hệ thống LIDAR tĩnh được gắn trên chân máy hoặc thiết bị cố định di động được, hệ thống định vị và hình ảnh dựa trên laser. Các hệ thống này có thể thu thập đám mây điểm LIDAR bên trong tòa nhà cũng như bên ngoài. Ứng dụng phổ biến cho loại LIDAR này là kỹ thuật, khai thác mỏ, khảo sát và khảo cổ học.
Xem thêm: 36 sự thật thú vị về Điện toán đám mây
Nó hoạt động như thế nào?
Nguyên lý của LIDAR tương tự Thiết bị đo khoảng cách điện tử (EMI), nơi một laser (xung hoặc sóng liên tục) được bắn từ bộ phát và năng lượng phản xạ được thu lại. Sử dụng thời gian đi của tia laser này, khoảng cách giữa bộ phát và bộ phản xạ được xác định. Bộ phản xạ có thể là vật thể tự nhiên hoặc bộ phản xạ nhân tạo như lăng kính.
Phép đo có thể giải thích đơn giản bằng phương trình sau:
Nói cách khác, cảm biến LIDAR hoạt động tương tự công nghệ radar, nhưng thay vì dùng sóng vô tuyến, nó dùng xung laser đi nhanh tới 10.000 lần/giây. Một xung ánh sáng được phát射 và thời điểm chính xác của nó được ghi lại. Phản xạ của xung đó được phát hiện và thời điểm tiếp nhận chính xác được ghi lại. Sử dụng tốc độ ánh sáng không đổi, độ trễ có thể chuyển đổi thành khoảng cách "slant range". Và tọa độ XYZ của bề mặt phản xạ có thể tính toán sử dụng vị trí và hướng của cảm biến làm tham chiếu.
Dưới đây là các bộ phận trong Hệ thống LIDAR cùng hoạt động để tạo ra kết quả chính xác, có thể sử dụng:
- Laser — Laser được phân loại theo bước sóng. Laser bước sóng 1550nm là lựa chọn thay thế phổ biến vì chúng không được tập trung bởi mắt và 'an toàn cho mắt' (eye-safe) ở mức công suất cao hơn. Các bước sóng này dùng cho tầm xa hơn và độ chính xác thấp hơn. Lợi thế khác của 1550nm là không hiển thị dưới kính nhìn đêm và do đó phù hợp cho ứng dụng quân sự.
- Cảm biến LIDAR (LIDAR Sensors) — Nó quét mặt đất từ bên này sang bên kia khi máy bay bay. Cảm biến thường ở băng xanh hoặc hồng ngoại gần.
- Đơn vị đo lường quán tính (Inertial Measurement Units) — Theo dõi độ cao và vị trí máy bay. Các biến số này quan trọng để đạt giá trị độ cao địa hình chính xác.
- Máy tính (Computers) — Dùng cho lưu trữ dữ liệu và hệ thống quản lý lưu trữ dữ liệu do hệ thống quét cung cấp.
- Bộ quét và Quang học (Scanners and Optics) — Tốc độ phát triển hình ảnh bị ảnh hưởng bởi tốc độ quét vào hệ thống.
- Bộ phát hiện quang và Mạch thu (Photo detector and Receiver electronics) — Bộ phát hiện quang là thiết bị đọc và ghi lại tín hiệu trả về hệ thống.
- Đồng hồ độ chính xác cao (High-precision clock) — Ghi lại thời gian xung laser rời khỏi và quay lại bộ quét.
- Hệ thống định vị và dẫn hướng (Navigation and positioning systems) — Bộ thu GPS giúp theo dõi độ cao và vị trí máy bay. Các biến số này quan trọng để đạt giá trị độ cao địa hình chính xác.
Xem thêm: Công cụ làm sạch dữ liệu Offline tốt nhất
Tôi hy vọng đến lúc này bạn đã nắm được ý tưởng về công nghệ LIDAR là gì và mục đích sử dụng công nghệ này. Waymo, đơn vị xe tự lái của Google, đang sử dụng công nghệ này trong xe tự lái để giúp quét và phát hiện chướng ngại vật trên đường và với một số tính toán phần mềm tiên tiến cho kết quả dưới dạng thay đổi hướng di chuyển mà xe thực thi. Về Uber, công nghệ LIDAR được dùng trong xe không người lái của họ để tăng cường dịch vụ cho con người.
Phương pháp phát hiện chướng ngại vật bằng cách gửi tín hiệu, nhận phản xạ và tính chênh lệch thời gian để biết vị trí vật thể không hoàn toàn mới trong thế giới công nghệ. Việc dùng ánh laser trong phương pháp này cũng không mới. Điều mới ở đây là việc sử dụng và phát triển kỹ thuật này để áp dụng cho cơ chế xe tự lái.
Trong blog tiếp theo tôi sẽ liệt kê một số lĩnh vực nơi công nghệ này đang được sử dụng và mục đích đạt được bằng cách dùng Công nghệ LIDAR.