Η ρομποτική πλατφόρμα της DIR, αφορά ένα αυτόνομο σύστημα με βιομηχανική εφαρμογή. Ωστόσο, τα εξαρτήματα από τα οποία συντίθεται μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλες εφαρμογές, που φυσικά έχοντας στραμμένο το βλέμμα πάντα προς την περιβαλλοντική υπευθυνότητα, όταν παρέλθει ο κύκλος ζωής τους και πάψουν να είναι λειτουργικά και αποδοτικά μπορούν να ανακυκλωθούν. Σε αυτό το κείμενο θα μελετήσουμε τους LiDAR αισθητήρες. Αφού κάνουμε μία σύντομη αναδρομή στη λειτουργία τους, θα αναλύσουμε κάποιες από τις εφαρμογές στις οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν πέρα από τη χρήση και τους σκοπούς που η ομάδα τους προορίζει.
Οι LiDAR ( Light Detection and Ranging) αισθητήρες, είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί ακτίνες laser προκειμένου να χαρτογραφήσει και να αναπαραστήσει με αρκετά μεγάλη ακρίβεια ένα 3D χάρτη του περιβάλλοντος το οποίο ερευνούμε και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειάς του. Η τεχνολογία αυτή παρουσιάστηκε, επίσημα πρώτη φορά από τους Middleton και Spilhaus, το 1953. Η εφαρμογή της διευρύνεται σε υπηρεσίες στρατού, στις βιομηχανίες αλλά και σε πολλές επιστήμες που σχετίζονται με το περιβάλλον, όπως την ψηφιοποίηση γεωγραφικών πληροφοριών για τη μελέτη, τη διαχείριση και το σχεδιασμό γης, την ανίχνευση σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, στη μετεωρολογία, στην τηλεπισκόπηση, στην αστρονομία, στην ωκεανογραφία και στη ρομποτική. Το χαρακτηριστικό που τους καθιστά διαφορετικούς από τα RADAR (Radio Detection And Ranging), είναι ότι τα τελευταία χρησιμοποιούν ραδιοκύματα και όχι φωτεινές δέσμες υπέρυθρου φωτός.
Οι LiDAR αισθητήρες προτιμώνται από την επιστημονική κοινότητα έναντι άλλων μεθόδων, παρά το σχετικά υψηλό τους κόστος. Αυτό που τους καθιστά σπουδαίους είναι κατά κύριο λόγο η υψηλή ταχύτητα και η ακρίβεια λήψης δεδομένων από τον περιβάλλοντα μονοδιάστατο ή πολυδιάστατο χώρο, είτε εσωτερικό είτε εξωτερικό, που μειώνει σε σημαντικό βαθμό τα σφάλματα που θα μπορούσαν να προκληθούν από ανθρώπινους υπολογισμούς. Βέβαια, σε αυτό το σημείο αξίζει να σημειωθεί ότι, παρότι παρουσιάζoυν αναλλοίωτη από γεωγραφικές παραμορφώσεις εικόνα, σε κατάσταση τύρβης του νερού ή σε υψηλά υψόμετρα, μπορούν να χαρακτηριστούν αναποτελεσματικοί. Επιπλέον, παρότι επηρεάζεται η απόδοσή τους σε κάποιο βαθμό από συνθήκες έντονου υετού και ομίχλης, λόγω της σκέδασης που δίνει λανθασμένα σήματα, παραμένουν άψογα λειτουργικοί ανεξαρτήτως έντασης φωτός καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας.
Ο εργονομικός σχεδιασμός τους σε συνδυασμό με το μικρό τους μέγεθος και βάρος τους, μας έχουν επιτρέψει να τοποθετήσουμε δύο αισθητήρες 2D LiDAR TiM5xx στους δύο μπροστινούς τροχούς, γεγονός που μας εξασφαλίζει σάρωση σε όλο το φάσμα των 360 μοιρών στον δισδιάστατο χώρο. Ο καθένας ξεχωριστά, έχει τη δυνατότητα όρασης σε ένα οριζόντιο εύρος ακτινών που φτάνει τις 270 μοίρες, με γωνιακή ανάλυση 0.33 μοιρών. Η εκπεμπόμενη συχνότητα ανέρχεται στα 15Ηz και μπορεί να ανιχνεύει αντικείμενα σε απόσταση από 5cm έως και τα 10m, σε πραγματικό χρόνο. Τα μήκη κύματος στα οποία εκπέμπει κυμαίνονται από 780nm-1mm. Οι δικοί μας λειτουργούν στα 850 nm, ένα μήκος κύματος μεγαλύτερο από αυτό που το ανθρώπινο μάτι μπορεί να αντιληφθεί, ωστόσο μπορεί να θεωρηθεί επιβλαβές για την όρασή μας, μόνο στην περίπτωση όπου κοιτάξουμε άμεσα τις ακτίνες. Παράλληλα, μπορεί να λειτουργήσει και σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, από τους -25oC έως τους +50οC και όλες οι μετρήσεις γίνονται με τη χρήση HDDM+. Τέλος, έχει πιστοποίηση IP67, δηλαδή η συσκευή και τα ηλεκτρονικά στοιχεία της είναι ανθεκτικά στη σκόνη και το νερό.
Αναλυτικότερα, το σύστημα εκπέμπει, εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, παλμούς με τη μορφή φωτεινής δέσμης φωτός, σε καθορισμένη συχνότητα και ταχύτητα, και υπολογίζει το χρόνο που απαιτείται για την ανάκλαση των παλμών πίσω στο σαρωτή, που καλείται αλλιώς χρόνος πτήσης, για τον προσδιορισμό της απόστασης στην οποία βρίσκονται τα αντικείμενα, ανεξάρτητα από τις ιδιότητες της επιφάνειας του περιβάλλοντος. Με άλλα λόγια, η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του υπό εξέταση αντικειμένου, καθορίζεται από τη μετατόπιση της φάσης ανάμεσα στην εκπεμπόμενη και λαμβανόμενη δέσμη φωτός. Αυτή η διαδικασία, είναι ευκολότερο να περιγραφεί μέσω της εξίσωσης:
Distance= Nλ+R2= speed of light*time of flight2
Όπου Ν: ο αριθμός των κύκλων ενός μήκους κύματος
λ = co/f : μήκος κύματος (όπου f: συχνότητα, cο: ταχύτητα φωτός)
R= Δφ/ 2π: κλάσμα ενός μήκους κύματος (Δφ: αλλαγή φάσης)
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ανάλυση αυτών των πληροφοριών γίνεται μέσω ντετερμινιστικών και στατιστικών διαδικασιών. Κατά την πρώτη, ο αισθητήρας εκπέμπει έναν μεμονωμένο παλμό, προσεγγίζοντας με αυτόν τον τρόπο την απόσταση από τη στιγμή πτήσης κάθε παλμού. Τελείως αντιδιαμετρικά, τα στατιστικά συστήματα εκπέμπουν μία σειρά παλμών σε εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Βασιζόμενα σε στατιστικές αναλύσεις, υπολογίζουν τις ληφθείσες ηχούς μιας σειράς εκπομπής. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία κατευθύνεται στον ανιχνευτή και το οπτικό σήμα μετατρέπεται σε ηλεκτρικό, η ένταση του οποίου εξαρτάται από το χρόνο που απαιτήθηκε μετά τη μετάδοση του κάθε παλμού. Αυτή η μέθοδος μας επιτρέπει, ακόμα και αν χαθούν κάποια από τα σήματα, να εξάγουμε ασφαλή και έγκυρα συμπεράσματα σχετικά με την απόσταση που προσπαθούμε να προσδιορίσουμε.
Ας μελετήσουμε όμως, λίγο εκτενέστερα, τη διαδικασία μέτρησης του χρόνου πτήσης. Για τη μέτρησή του λαμβάνει χώρα η HDDM+(High Definition Distance Measurement Plus), μια διαδικασία που χρησιμοποιείται στην πλειονότητα των αισθητήρων 2D και 3D LiDAR, κατάλληλη για μετρήσεις τόσο σε εξωτερικούς, όσο και σε εσωτερικούς χώρους και στηρίζεται σε στατιστικές αναλύσεις μέσω της διαδικασίας που προαναφέρθηκε. Τα προστατευτικά παράθυρα, η ομίχλη, η βροχή, η σκόνη, το χιόνι, τα φύλλα μπορούν να προκαλέσουν ψευδή σήματα στον αισθητήρα εξαιτίας των πολλαπλών ανακλάσεων. Ωστόσο, η τεχνολογία HDDM+ μπορεί να αναγνωρίζει ποια είναι η εκπεμπόμενη ηχώ και να αξιολογεί ορθά τα δεδομένα.
Επιπρόσθετα, αξίζει να γίνει και μια σύντομη αναφορά στον τρόπο με τον οποίο ανιχνεύεται το σήμα του LiDAR. Η εξίσωση που το περιγράφει είναι η:
P(D) = α* G(D)* R(D)* T(D)
Όπου: α= η απόδοση του LiDAR
G= περιγράφει το εύρος μετρήσεων γεωμετρίας
R= συντελεστής οπίσθιας διασποράς σε απόσταση D, δηλαδή η ικανότητα να διασκορπιστεί το φως προς την κατεύθυνση από την οποία αυτό προέρχεται
T= όρος μετάδοσης, που περιγράφει, συναρτήσει της απόστασης, την απώλεια φωτός κατά τη διαδρομή όπου εκπέμπεται η δέσμη φωτός προς το μελετούμενο αντικείμενο και η επιστροφή της.
Συγκεκριμένα οι όροι α και G καθορίζονται από την εταιρεία, είναι μέρος των εργοστασιακών ρυθμίσεων, ωστόσο μπορούν να ελεγχθούν από τον χειριστή της συσκευής. Οι όροι R και T αποτελούν τα αντικείμενα μελέτης και οι τιμές τους είναι αρχικά άγνωστες για τον χειριστή.
Οι LiDAR αισθητήρες που χρησιμοποιεί η ομάδα είναι 2D, γιατί προσομοιώνουμε μια ρομποτική πλατφόρμα ικανή να ανταποκριθεί σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον. Με άλλα λόγια, μπορούν να υπολογίζουν και να αναλύουν δεδομένα από το δισδιάστατο, και όχι τον τρισδιάστατο, χώρο. Για την πλειονότητα των εφαρμογών που αναφέραμε παραπάνω, στις οποίες επιλέγεται και χρησιμοποιείται η τεχνολογία των LiDAR αισθητήρων, είναι απαραίτητη και η τρίτη διάσταση, δηλαδή το ύψος. Για τη μέτρηση και τη λήψη δεδομένων και αυτής της παραμέτρου χρειάζονται 3D αισθητήρες, τους οποίους η ομάδα φιλοδοξεί να αποκτήσει σύντομα. Τέλος, το χαρακτηριστικό που αποτελεί και την ειδοποιό διαφορά ανάμεσα στα δύο είδη αισθητήρων είναι ότι, στους 3D υπάρχει ενσωματωμένο σύστημα GPS. Κάτι εξίσου αξιοσημείωτο, αναφορικά με τους LiDAR αισθητήρες, είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να αφαιρούν επιλεκτικά ορισμένα αντικείμενα κατόπιν εντολής. Παραδείγματος χάριν, σε περίπτωση που θέλουμε να μελετήσουμε τη βλάστηση μιας περιοχής μπορούν να αφαιρεθούν όλες οι κτιριακές υποδομές.
Προτού περάσουμε στις εφαρμογές και των δύο τύπων αισθητήρων, ας κάνουμε μια σύντομη αναφορά στη λειτουργία των 3D LiDAR. Οι αισθητήρες τοποθετούνται σε κάποιο ύψος, το οποίο διαφέρει σε κάθε περίπτωση, ωστόσο είναι μεγαλύτερο της μετρούμενης επιφάνειας. Η διαδικασία υπολογισμού και ανάλυσης δεδομένων είναι παραπλήσια με τους 2D αισθητήρες, μόνο που σε αυτήν την περίπτωση, καταγράφεται ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψει η δέσμη φωτός από τον αισθητήρα στο έδαφος και αντιστρόφως. Με άλλα λόγια η διανυθείσα απόσταση μετατρέπεται σε υψόμετρο. Η θέση των x, y, z προσδιορίζεται με τη βοήθεια, του ενσωματωμένου στον αισθητήρα, GPS και μια εσωτερική μονάδα μέτρησης (ΙΜU) που παρέχει τον προσανατολισμό του αισθητήρα στον ουρανό. Τέλος, το σύστημα επεξεργασίας του LiDAR εντοπίζει τις κορυφές και καταγράφει ένα σημείο σε κάθε θέση κορυφής στην καμπύλη κυματομορφής, που καλείται επιστροφή. Συνήθως καταγράφονται περίπου 1- 4 επιστροφές από κάθε παλμό.
Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν δύο είδη 3D LiDAR αισθητήρων, ο τοπογραφικός και ο βυθομετρικός. Ο τοπογραφικός χρησιμοποιεί υπέρυθρο laser για τη χαρτογράφηση και αναπαράσταση του εδάφους. Ο βυθομετρικός, χρησιμοποιεί πράσινο φως που διαπερνά το νερό και φτάνει μέχρι τον πυθμένα θαλασσών, λιμνών και ποταμών. Για το βυθομετρικό, η εξίσωση που περιγράφει την ελαστική οπισθοσκέδαση είναι:
Sz=EAOZTOTs2ην2nnH+z2π,zexp[-20zz‘dz’]+SB
Όπου S: το ρεύμα φωτοκαθόδου του ανιχνευτή
Ε: η ενέργεια του παλμού που μεταδίδεται
Α: η περιοχή του δέκτη
Ο: λειτουργία γεωμετρικής μορφής
Το: η μετάδοση των οπτικών δεκτών
Τs: η μετάδοση μέσω της επιφάνειας της θάλασσας
η: η απόκριση του φωτοανιχνευτή (Αmpere/Watt)
n: ο δείκτης διάθλασης θαλάσσιου νερού
ν: η ταχύτητα του φωτός στο κενό
Η: η απόσταση από τον αισθητήρα έως την επιφάνεια
z: το μήκος της διαδρομής στο νερό
β: ο συντελεστής σκέδασης κοντά σε γωνία σκέδασης π ακτινών
α: συντελεστής εξασθένισης του LiDAR
SB: φωτοκύτταρο λόγω του φωτός στο φόντο
Όπως αναφέρθηκε και στην αρχή, οι LiDAR αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση εκτάσεων γης. Οι σκοποί αυτής της ενέργειας ποικίλουν. Ας θεωρήσουμε ότι έχει ξεσπάσει μια μεγάλη πυρκαγιά σε ένα δάσος με μεγάλη έκταση. Είναι δύσκολο και αρκετά χρονοβόρο να κατευθυνθούν κλιμάκια των αρμόδιων αρχών για να καταγράψουν τις καταστροφές που έχουν συμβεί. Συνεπώς, η πτήση ενός drone πάνω στο οποίο θα έχει τοποθετηθεί ένας 3D LiDAR αισθητήρας μπορεί να διευκολύνει τους μελετητές καθώς θα γίνει πλήρης και λεπτομερής αναπαράσταση της περιοχής με μεγάλη αποτελεσματικότητα και κυρίως ακρίβεια.
Επίσης, η κλιματική αλλαγή τείνει να επιφέρει πολλές αλλαγές στην εικόνα που έχουμε σήμερα για τον πλανήτη μας. Με το λιώσιμο των πάγων και τη σημαντική αύξηση της θαλάσσιας στάθμης αρκετές παραθαλάσσιες εκτάσεις κινδυνεύουν να εξαφανιστούν, καθώς επίσης και η αποψίλωση των εδαφών, συνδράμει στην αύξηση των πλημμυρών. Η καταγραφή της περιοχής μέσω αυτής της τεχνολογίας, μπορεί τόσο να συμβάλλει στην προσομοίωση πλημμυρών, αλλά και να αποτελέσει υλικό μελέτης για πολλούς ιστορικούς, αρχαιολόγους και άλλους επιστήμονες στο μακρινό μέλλον. Ενώ επίσης μπορεί να γίνει και μελέτη για τη διάβρωση των παράκτιων περιοχών.
Παράλληλα, εταιρείες τηλεπικοινωνιών, γεωλόγοι, μηχανικοί όπως και οι υπηρεσίες στρατού, μπορούν να αξιοποιήσουν τις εφαρμογές των LiDAR αισθητήρων για την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων πόλεων και εδάφους. Δηλαδή, μπορεί να γίνει κατασκευαστικός έλεγχος και αναπαράσταση κτιριακών εγκαταστάσεων, αγροτεμαχίων, δήμων, νομών, τηλεπικοινωνιακών, σιδηροδρομικών και οδικών δικτύων, αποτύπωση επιφανειακών ορυχείων και χαρτογράφηση ηλεκτρικών γραμμών υψηλής τάσης. Όλοι χρήσιμοι χάρτες που προσφέρουν πληροφορίες τόσο για τη διενέργεια μελετών, όσο και για τη λήψη αποφάσεων.
Το ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration) εκμεταλλεύεται στο έπακρο τη χρήση αυτής της τεχνολογίας, για τη δημιουργία μοντέλων αντιρρύπανσης, τη διαχείριση ακτών, τη μέτρηση της συγκέντρωσης φυτοπλαγκτόν και πολλές άλλες μελέτες. Πιο συγκεκριμένα, οι LiDAR αισθητήρες μπορούν να χρησιμεύσουν στην ταξινόμηση και τη διάκριση των τύπων των νεφών στη μετεωρολογία. Επιπλέον, μέσω αυτών μπορεί να γίνει και σκιαγράφηση των προφίλ των συγκεντρώσεων διάφορων ατμοσφαιρικών ρύπων, να γίνει παρακολούθηση των ρευμάτων του αέρα, καθώς και να γίνει μέτρηση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας και υγρασίας. Μάλιστα η NASA, έχει αναθέσει σε ειδική ομάδα επιστημόνων να μελετήσουν και να κάνουν αναλύσεις πάνω στην ατμόσφαιρα, χρησιμοποιώντας ως βασική τεχνολογία τους LiDAR. Παράλληλα, μπορεί να προσδιοριστεί η θέση, η κατανομή και η φύση ατμοσφαιρικών σωματιδίων με μία προηγμένη μέθοδο που καλείται DIAL (Differential Absorption LiDAR). Αυτά τα δεδομένα μπορεί να φαντάζουν εύκολο να αντληθούν, είναι καλό όμως να μη μας διαφεύγει ότι οι LiDAR έχουν τη δυνατότητα να πραγματοποιούν μετρήσεις για αρκετά χιλιόμετρα μακριά από την επιφάνεια της Γης και να επεξεργάζονται πολύπλοκα δεδομένα.
Κάποια στιγμή ωστόσο, ο αισθητήρας παύει να είναι λειτουργικός ή κρίνεται καλό να απορριφθεί. Τότε περνάμε και στην αποσύνθεσή του. Ανεξαρτήτως του μοντέλου, στην πλειονότητα των LiDAR συναντώνται τα εξής στοιχεία: το laser, ο επεξεργαστής, το scanner και τα ηλεκτρονικά ακριβούς χρονισμού. Όπως είναι φυσικό, οι αισθητήρες δεν μπορούν να απορριφθούν μαζί με τα οικιακά μας απόβλητα, πρέπει να ανακυκλωθούν στους ειδικούς κάδους ανακύκλωσης για ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Το περίβλημα του αισθητήρα είναι κατασκευασμένο από πλαστικό. Ο χρόνος αποσύνθεσης του πλαστικού στο περιβάλλον διαφέρει ανάλογα με το είδος του αλλά απαιτούνται από 30 έως 450 χρόνια. Επίσης, το scanner είναι κατασκευασμένο από γυαλί, του οποίου η αποσύνθεση απαιτεί περισσότερα από 500 χρόνια. Για την κατασκευή των ηλεκτρολογικών κομματιών του αισθητήρα, έχουν χρησιμοποιηθεί στοιχεία και χημικές ενώσεις, που αν εκτεθούν σε μη ελεγχόμενες συνθήκες μπορούν να επιφέρουν καταστροφικά αποτελέσματα τόσο στο οικοσύστημα, όσο και στον ίδιο τον άνθρωπο. Για αυτό, κρίνεται εξαιρετικά σημαντικό, να συμμορφωνόμαστε με τις αναγραφόμενες οδηγίες και να μην καταφεύγουμε σε άσκοπες αγορές οι οποίες όχι μόνο επιβαρύνουν εμάς οικονομικά, αλλά αποτελούν και επιβαρυντικό παράγοντα για τον ίδιο τον πλανήτη μας.
Ζωή Βόλτση
Βιβλιογραφία και σχετικές πηγές:
https://velodynelidar.com/what-is-lidar/
https://www.americangeosciences.org/critical-issues/faq/what-lidar-and-what-it-used
https://circuitdigest.com/article/what-is-lidar-and-how-does-lidar-works
http://home.ustc.edu.cn/~522hyl/%B2%CE%BF%BC%CE%C4%CF%D7/lidar/intrduction%20to%20lidar1.pdf
https://geoslam.com/what-is-lidar/
www.dasodata.gr/index.php/el/kainotomes-efarmoges/528-texnologia-lidar/507-texnologia-lidar
https://oceanservice.noaa.gov/facts/lidar.html
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00251/full
https://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/LASE.html