ما هي تقنية LiDAR؟ كيف تساعد في قياس العمق؟

تكنولوجيا LiDAR (كشف الضوء وقياس المسافات) تُعدّ من الابتكارات الرئيسية في أنظمة الرؤية المُدمجة. يجد المهندسون والمهنيون في الصناعة بشكل متزايد أنها ضرورية. سَيَتَعمَّق هذا المقال في شرح المبادئ الأساسية لـ تكنولوجيا LiDAR ، وتطبيقاتها المتنوعة، والحلول العملية. سنلقي أيضًا نظرة على مسارها المستقبلي.

ما هي LiDAR؟

ليدار ، وهي تشير إلى كشف الضوء وقياس المسافات ، تُعتبر تكنولوجيا متطورة لاستشعار عن بعد . حيث تقوم بقياس المسافات بدقة إلى الأجسام المختلفة، وذلك من خلال إرسال نبضات ليزرية وحساب الوقت الذي تستغرقه هذه النبضات للارتداد مرة أخرى إلى المستشعر. تسمح هذه الطريقة لـ ماسحات LiDAR لإنشاء نماذج مفصلة نماذج 3D , وتُعرف باسم سُدُم النقاط . تُسجِّل هذه النماذج بدقة ملامح الأشكال وبيئتها المحيطة. يُشكِّل هذا المبدأ الأساسي أساس جميع أنظمة ليزر المسح الضوئي (LiDAR) .

يعمل مبدأ عمل LiDAR بشكل مشابه لجهاز الرادار (RADAR)، ولكن هناك اختلاف جوهري: وهو أنه يستخدم أشعة الليزر بدلًا من الموجات الراديوية . أ مستشعر ليزر المسح الضوئي (LiDAR) يمكنه إرسال ما يصل إلى 160,000 إشارة ليزر في الثانية. مما يمكّن من إجراء قياسات سريعة ودقيقة للغاية من الكائنات المستهدفة. معادلة حساب مسافة الكائن بسيطة وواضحة، وهي: مسافة الكائن = (سرعة الضوء × وقت الرحلة) ÷ 2 . توضح هذه المعادلة بشكل واضح كيف تُستخدم تكنولوجيا LiDAR تعتمد على سرعة الضوء ووقت رحلة النبض الضوئي، مما يضمن قياسات دقيقة وموثوقة للغاية . هذه الوظيفة الأساسية ضرورية لأي كاميرا استشعار عمق .

معنى LiDAR: فهم المبادئ الأساسية

العبارة " معنى LiDAR " يشير مباشرة إلى العملية الأساسية للتكنولوجيا: استخدام الضوء لكشف وقياس المسافة. تأتي هذه الدقة من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا داخل كاميرا ليدار نظام.

مصدر الليزر

يطلق مصدر الليزر نبضات ليزر عند أطوال موجية مختلفة. وتشمل المصادر الشائعة ليزر النيوديميوم المُدمج في زجاج الألومنيوم واليتريوم (Nd-YAG). يستخدم الليدار التصويري تكنولوجيا LiDAR غالبًا أطوال موجية 1064 نانومتر أو 1550 نانومتر لضمان السلامة. أما الليدار الاستكشافي، فيستخدم ليزر 532 نانومتر لاختراق الماء. هذا المكون هو القلب في أي مستشعر ليزر المسح الضوئي (LiDAR) .

ماسح ضوئي وعناصر بصرية

يستخدم الماسح مرآيا منحرفة لتوجيه شعاع الليزر. وهذا يحقق مجال رؤية واسع (FoV) و قدرات المسح السريع . هذه القدرة الديناميكية ضرورية لـ ليدار للحصول بسرعة على بيانات بيئية شاملة. مما يجعل ليدار حلًا قويًا في استشعار العمق ثلاثي الأبعاد .

كاشف

يقوم الكاشف باستشعار الضوء المنعكس عن العوائق. وعادةً ما يستخدم كواشف ضوئية صلبة الحالة، مثل ديودات الصمام الضوئي الانزلاقي (APDs) أو مضاعفات الضوء (PMTs). إنها حساسية عالية تُضمن أن حتى الإشارات المنعكسة الخافتة يتم التقاطها بشكل فعال. وهذا يشكل أساس دقة الليدار .

مستقبل GPS ووحدة قياس التسارع (IMU)

في أنظمة الليدار الجوية ، يقوم مستقبل GPS بتعقب ارتفاع الطائرة وموقعها. وهو أمر بالغ الأهمية لـ قياسات دقيقة لارتفاعات التضاريس . وفي الوقت نفسه، تقوم وحدة قياس التسارع (IMU) بمراقبة سرعة المركبة واتجاهها. وهذا يضمن التوجيه الدقيق من النبضات الليزرية على الأرض. تعمل هذه المكونات معًا، حيث تتيح أنظمة ليزر المسح الضوئي (LiDAR) لتوفير بيانات عمق ثلاثية الأبعاد بدقة عالية وكفاءة عالية , مما يوفر حلولاً قوية لمختلف التطبيقات المعقدة. تجعل هذه التوليفة من المكونات كاميرا ليدار مُحَسِّسًا متعدد الاستخدامات بشكل استثنائي.

كيف يعمل ماسح الليدار عمليًا؟

أنظمة ليزر المسح الضوئي (LiDAR) تندرج عمومًا إلى نوعين رئيسيين بناءً على منصّة التشغيل الخاصة بها: جهاز تحديد المواقع الجوي و ليدار القائم على الأرض . لكل نوع تطبيقاته ومزاياه المميزة. هذا يُظهر كيف يعمل ماسح الليدار في سيناريوهات مختلفة. تختلف هذه الأنواع من تكنولوجيا LiDAR تُلبي احتياجات مُختلفة للصناعة.

جهاز تحديد المواقع الجوي

مستشعرات лидار ثلاثية الأبعاد المحمولة جواً تُركب عادةً على الطائرات المُسيّرة أو المروحيات. وتنبعث هذه المستشعرات بأشعة ضوئية نحو الأرض وتلتقط الانعكاسات العائدة لقياس المسافات بدقة. هذا تكنولوجيا LiDAR تنقسم إلى قسمين فرعيين هما: الليدار التصويري لرسم خرائط سطح الأرض، و الليدار الباثيمتري . وتستخدم هذه الأخيرة ضوءاً أخضر لاختراق مياه البحر، وقياس ارتفاع قاع البحر والأنهار. مما يجعلها أداة لا غنى عنها للمسح على نطاق واسع مراقبة البيئة .

ليدار القائم على الأرض

أنظمة الليدار الأرضية تُثبت على المركبات أو على حوامل ثلاثية ثابتة. وتُستخدم أساساً لرسم خرائط المعالم الطبيعية للمباني ومراقبة الطرق السريعة. وتُعد هذه الأنظمة ذات قيمة كبيرة أيضاً في إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد دقيقة للمواقع التاريخية . قائم على الأرض ماسحات LiDAR يمكن أن تكون ماسح ضوئي ليزري ثلاثي الأبعاد (LiDAR) متنقل (للمركبات المتحركة) أو ماسح ضوئي ليزري ثلاثي الأبعاد (LiDAR) ثابت (للتطبيقات الثابتة). وهي توفر دقة غير مسبوقة للحصول على تفاصيل دقيقة إدارة الأصول و التخطيط الحضري .

كاميرا LiDAR: تطبيقاتها في العالم الحقيقي

فهم كيف أجهزة استشعار LiDAR العمل ضرورية. ولكن تطبيقاتها في العالم الحقيقي تُظهر حقًا الإمكانات الكبيرة للتكنولوجيا. إن تنوع كاميرا ليدار تجعلها قيمة لا تُقدّر بثمن عبر العديد من القطاعات، وتدفع حدود الابتكار أنظمة الرؤية المدمجة .

المركبات والمعدات المستقلة

المعدات الآلية ، بما في ذلك السيارات والشاحنات ذاتية القيادة، الطائرات بدون طيار , و أذرع روبوتية ، تعتمد اعتمادًا كبيرًا على وحدات كاميرات استشعار العمق ثلاثية الأبعاد ، تمكن هذه الوحدات اكتشاف العوائق , التحديد الدقيق للموقع , و ورسم خرائط للبيئة المحيطة . أجهزة استشعار LiDAR توفير شعاع ليزر دوار بزاوية 360 درجة. فهي تولد ملايين نقاط البيانات في الوقت الفعلي لإنشاء خرائط تفصيلية على شكل سحب النقاط للمحيط، مما يسمح للمركبات بالتنقل بأمان، وأداء التجنب الدقيق للمعوقات ، وتنفيذ عمليات تلاعب دقيقة بالأجسام في مختلف الظروف الجوية وإضاءة. الأداء القوي لليدار يجعله حجر أساس في تقنيات القيادة الذاتية .

الروبوتات المتنقلة المستقلة (AMR)

في مرافق التصنيع , المستودعات , متاجر التجزئة , و مراكز التوزيع , الروبوتات الذاتية التنقل (AMRs) تلعب دوراً محورياً في ذلك، حيث تقوم بمهام مثل اختيار العناصر، والنقل، والفرز دون إشراف بشري مباشر. ليدار هي حل مثالي للروبوتات المتنقلة المستقلة، إذ تُسهّل إنشاءً سريعاً وفعالاً لـ اكتشاف الأجسام و الخرائط . مقارنةً ببقية الحلول، يوفر الليدار انخفاض متطلبات المعالجة و قدرة أعلى على التفاعل في الوقت الفعلي لروبوتات AMRs، مما يضمن تشغيلها الفعال والآمن في بيئات داخلية معقدة ومتغيرة. وهذا يُظهر قوة تكنولوجيا LiDAR في الأتمتة الصناعية .

الرسم الجغرافي ثلاثي الأبعاد ونمذجة المباني

تكنولوجيا LiDAR ضروري في الرسم الجغرافي الثلاثي الأبعاد , تحليل الوعاء الجغرافي , و التخطيط الحضري . فهو ينشئ بكفاءة نماذج ارتفاعات رقمية دقيقة (DEMs) ونماذج سطح رقمية (DSMs). ويوفر بيانات أساسية لتخطيط استخدام الأراضي ومحاكاة الفيضانات وإدارة الموارد. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم تقنية LiDAR بشكل واسع في نمذجة معلومات البناء (BIM) و النمذجة ثلاثية الأبعاد للمواقع التاريخية . حيث تقوم بتسجيل الأشكال والهياكل الهندسية الدقيقة للمباني، مما يدعم جهود التصميم والبناء والحفاظ عليها. وهذا يُبرز ليدار التأثير التحويلي يتجاوز الروبوتات فقط.

التحديات المتعلقة بتقنية ليدار

على الرغم من المزايا الكبيرة لـ تكنولوجيا LiDAR ، إلا أنها لا تزال تواجه عدة تحديات عملية. ويساعد فهم هذه التحديات في تصميم حلول أكثر فاعلية حلول ليدار .

أولاً، يبقى السعر مصدر قلق رئيسي عالية الأداء أجهزة استشعار LiDAR غالبًا ما تكون مكلفة. وهذا يحد من انتشارها الواسع في بعض المنتجات الاستهلاكية ذات السوق الجماهيري. ثانيًا، الظروف الجوية الصعبة مثل الضباب الكثيف أو الثلج أو الأمطار الغزيرة، يمكن أن تعيق بشدة انتقال الليزر وانعكاسه. مما يقلل من أداء كاميرات ليدار . بالإضافة إلى ذلك، تعقيد معالجة البيانات يُعد تحديًا ملحوظًا. يُنتج ماسح الليدار كميات هائلة من بيانات النقاط السحابية، مما يتطلب قوة حاسوبية كبيرة وخوارزميات معقدة لمعالجة البيانات وتحليلها في الوقت الفعلي، ما يزيد من عبء النظام واستهلاك الطاقة.

أخيراً، ال الحجم المادي وصعوبة التكامل تتطلب أجهزة الاستشعار نفسها أيضًا معالجة هذه القضايا، وينطبق هذا بشكل خاص على أنظمة الرؤية المدمجة ذات الحدود الصارمة من حيث المساحة والوزن. سيكون التغلب على هذه التحديات أمرًا بالغ الأهمية لانتشار أوسع لـ تكنولوجيا LiDAR في المزيد من الصناعات.

الخاتمة: مستقبل الليدار

وصول تقنيات استشعار العمق ثلاثية الأبعاد , خاصة ليدار ، قد غيرت بلا شك من طريقة إدراكنا وتفاعلنا مع بيئتنا. من تحسين قدرات المركبات ذاتية القيادة إلى تبسيط العمليات في الإعدادات الصناعية , تأثير ماسح ضوئي الليزر (LiDAR) يصل إلى مساحات واسعة. لم يُسهم هذا التكنولوجيا في تعزيز العمليات فحسب، الأمان والكفاءة بل فتحت أيضًا آفاقًا جديدة لـ تطبيقات مبتكرة .

وباستمرار تطور هذه التكنولوجيا، أجهزة استشعار LiDAR من المتوقع أن تصبح أصغر حجمًا، وأكثر اقتصادية، وأكثر كفاءة. ستتوسع تطبيقاتها بشكل أكبر، وستندمج أكثر في حياتنا اليومية وتشكل مستقبل التكنولوجيا. التطور المستمر في مجال تكنولوجيا LiDAR يوعد بانفجارات مثيرة.

Sinoseen لديه خبرة تزيد عن 14 عامًا من الخبرة الغنية في في مجال الرؤية المُدمجة . نحن ملتزمون بمساعدة عملائنا على دمج التقنيات المناسبة عالية الأداء وحدات الكاميرا في منتجاتهم. لقد عملنا مع العديد من درون و شركات الروبوتات لدمج كاميراتنا depth Cameras إذا كنت مهتمًا بـ حلول ليدار أو وحدات كاميرات العمق , يرجى الاتصال بنا لاستكشاف إمكانيات المستقبل.