Thời gian 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 hết sức tân tiến. Vậy lidar là gì, tại sao công nghệ này lại đóng vai trò quan trọng trong thời đại tự động hóa? Mời bạn cùng 3DPLUS tìm hiểu.

Công nghệ Lidar là gì?

Lidar là tên viết tắt của cụm từ Light Detection And Ranging. Bằng cách 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 cách giữa máy phát và vật thể một cách tương đối chính xác. Sự khác biệt về thời gian và bước sóng laser sau đó có thể được sử dụng để tạo mô hình số 3 chiều của đối tượng.

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

(d = 1/2tc)

Mặc dù được sử dụng từ rất sớm, vào thập niên 1960s, khi mà các hệ thống Lidar được trang bị trên máy bay quân sự. Thế nhưng, phải hơn 20 năm sau, Lidar mới trở nên phổ biến nhờ vào sự xuất hiện của GPS. Bộ đôi này là công cụ hữu dụng trong công tác trắc địa.

lidar 3d scan

Số hóa không gian 3 chiều. Ảnh: Wired.co.uk

Mặc dù được sử dụng từ rất sớm, vào thập niên 1960s, khi mà các hệ thống Lidar được trang bị trên máy bay quân sự. Thế nhưng, phải hơn 20 năm sau, Lidar mới trở nên phổ biến nhờ vào sự xuất hiện của GPS. Bộ đôi này là công cụ hữu dụng trong công tác trắc địa.

Dữ 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 3 chiều. Có thể dùng để vẽ bản đồ, dẫn hướng hoặc tái sạo bản sao vật lý (in3d).

bản đồ số 3d World Trade Center

Bản sao chụp 3D toàn cảnh World Trade Center (sau sự cố 11/9). Ả: U.S. Army JPSD/NOAA

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 thế. Đây đều là những công nghệ phát hiện và đo kiểm vật thể trong không gian 3 chiều. Tùy theo mục đích sử dụng, mức độ chính xác, kích thước của chúng cũng khác nhau rất nhiều… Radar được sử dụng trên máy bay, thiết bị quân sự 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 cả iPhone 12 Pro là smartphone đầu tiên của Apple, tích hợp cảm biến độ sâu LiDAR vào cụm camera chính ở phía sau để đo khoảng cách và hỗ trợ lấy nét mở những môi trường thiếu sáng.

Ngành công nghiệp Oto, Robot

Ở quy mô nhỏ, việc trang bị hệ thống Lidar là rất tốn kém. Bởi thế, 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 ô tô vào năm 2018, khi GM sử dụng cảm biến LiDAR gắn trên xe tải để thiết lập bản đồ 3D chính xác. Công nghệ 3D LiDAR có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng chuyển động có kích thước bằng một con vật nuôi, dự đoán hướng đi của chúng, phân biệt giữa các chướng ngại vật tiềm ẩn trong môi trường,…

lidar xe tu lai

Hệ thống lidar giúp xe tự lái ”nhìn” thấy vật thể xung quanh. Ảnh: electronicdesign.com

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

Nghiên cứu địa hình, vẽ bản đồ

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

Lidar đo đạc đáy biển

Lidar được gắn trên máy bay, tàu biển… nhằm thăm dò và đo đạc đáy biển

 

Từ năm 1971: Các phi hành đoàn tàu vũ trụ Apollo 15 sử dụng LIDAR để lập bản đồ bề mặt Mặt trăng

Từ năm 1971: Các phi hành đoàn tàu vũ trụ Apollo 15 sử dụng LIDAR để lập bản đồ bề mặt Mặt trăng

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 bản đồ 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 các 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 lĩnh vực thực vật LIDAR được dùng để theo dõi sự thay đổi của rừng.

Lidar trên các thiết bị cầm tay

Và bây giờ, Apple ra mắt cảm biến LiDAR trên iPhone 12 Pro cao cấp. Apple sử dụng LiDAR hơi khác so với các thiết bị chuyên dụng của công trường xây dựng hay súng bắn tốc độ. Tuy cùng sử dụng nguyên tắc giống nhau, nhưng cảm biến LiDAR của Apple được ứng dụng ở quy mô nhỏ hơn do phạm vi hoạt động chỉ trong tầm 5 mét.

Cấu tạo của hệ thống Lidar điển hình

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

thiet bi LIDAR

Sơ đồ nguyên lý hệ thống lidar

Máy phát laser này như một ống bán dẫn, cấu tạo 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 900 đến 1100 nano mét). Máy laser dùng để quét dưới nước thì dùng tia laser màu xanh lá cây có bước sóng ngắn hơn (khoảng 530 nano mét). Rõ ràng khi di chuyển ở những nơi có con người những tia laser này sẽ nguy hại đến con người nhiều hơn là sử dụng máy bay 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 cao hơn, tần số thấp hơn sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn. Những chiếc xe tự lại hiện đại nhất sử dụng laser có nước sóng 1550 nano mét với bán kính quét lên tới 200 mét so với trước đây chỉ 30 đến 40 mét cho một tia laser có bước sóng 905 mét.

Cảm biến quang hay còn được biết là một loại cảm biến chuyển đổi ánh sáng hay bức xạ thành tín hiệu điện có trong LIDAR là một loại cảm biến được cấu thành từ silicon hoặc gallium arsenide, được chế tạo cho độ nhạy tối đa phù hợp với bất kỳ bước sóng nào mà laser đang sử dụng. Các loại máy dò cũng được dùng phù hợp với loại bước sóng và phạm vi LIDAR sử dụng. Các hệ thống LIDAR tầm ngắn thường sử dụng các diot quang silicon đơn giản. Các 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 kết hợp nhiều APD lại với nhau sẽ tạo ra một máy dò được gọi là MPPC – Multi pixel photon counter.

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

 

Các cột mốc lịch sử 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 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 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 bản đồ bề mặt Mặt trăng
  • 1974: Alan Carswell thuộc Đại học York,Toronto đã phát minh ra một công cụ quét tìm kiếm bằng laser và sau đó đã bán cho công ty Optech. Một vài năm sau công ty Optech đã hoàn thiện ý tưởng đó
  • 1976: Cuốn sách đầu tiền về LIDAR được ra đời
  • 1985: Optech bán một sản phẩm có tên Larsen-500, một trong những hệ thống LIDAR thương mại đầu tiên
  • 1990s: LIDAR được sử dụng rộng rãi để vẽ bản đồ 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 nghiên cứu bầu khí quyển từ không gian
  • 2005: Quân đội Hoa Kỳ đưa mục tiêu sử dụng hệ thống LIDAR ứng dụng vào xe tự lái