Thời gian gần đây, công nghệ Lidar liên tục xuất hiện trên các phương tiện truyền thông công nghệ. Từ xe tự lái đến iPhone 12 Pro, nhiều thiết bị hiện đại đã được trang bị công nghệ scan 3D Lidar tiên tiến. Vậy Lidar là gì, và tại sao công nghệ này lại đóng vai trò quan trọng trong kỷ nguyên tự động hóa? Hãy cùng tìm hiểu.
Mục Lục
Công nghệ Lidar hoạt động như thế nào?
Lidar là viết tắt của Light Detection and Ranging. Công nghệ này hoạt động bằng cách phát ra một chùm tia laser và sau đó thu lại tín hiệu phản xạ. Vì tốc độ ánh sáng đã được biết trước, độ trễ của tín hiệu phản hồi được ghi lại, từ đó có thể tính toán khoảng cách giữa máy phát và vật thể với độ chính xác cao. Sự khác biệt về thời gian và bước sóng của tia laser sau đó được sử dụng để tạo ra mô hình số ba chiều của đối tượng.
Công thức tính khoảng cách (d) dựa trên tốc độ ánh sáng (c) và thời gian (t) như sau:
d = 1/2 t c
Mặc dù được sử dụng từ những năm 1960, khi các hệ thống Lidar được trang bị trên máy bay quân sự, công nghệ này chỉ trở nên phổ biến hơn 20 năm sau đó nhờ sự xuất hiện của GPS. Sự kết hợp giữa Lidar và GPS đã trở thành một công cụ hữu ích trong công tác trắc địa.
Dữ liệu thu thập từ Lidar bao gồm những gì?
Lidar ghi lại thông tin về vật thể dưới dạng tọa độ số (x, y, z). Tập hợp các điểm tọa độ này tạo thành một đám mây điểm, và đám mây điểm này hợp thành mô hình 3 chiều. Mô hình này có thể được sử dụng để vẽ bản đồ, dẫn đường hoặc tái tạo bản sao vật lý thông qua in 3D.
Các ứng dụng quan trọng của Lidar trong đời sống
Chắc hẳn bạn đã từng nghe đến các công nghệ như Radar và Sonar. Lidar cũng tương tự như vậy, đều là những công nghệ được sử dụng để phát hiện và đo lường vật thể trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, tùy thuộc vào mục đích sử dụng, mức độ chính xác và kích thước của chúng sẽ khác nhau đáng kể. Radar thường được sử dụng trên máy bay và các thiết bị quân sự mặt đất, trong khi Sonar được sử dụng trên tàu ngầm và các thiết bị định vị dưới nước. Lidar có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm trắc địa, AR-3D, xe tự hành, robot và thậm chí cả trong điện thoại thông minh như iPhone 12 Pro, mẫu smartphone đầu tiên của Apple tích hợp cảm biến độ sâu LiDAR vào cụm camera chính để đo khoảng cách và hỗ trợ lấy nét trong môi trường thiếu sáng.
Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô và robot
Việc trang bị hệ thống Lidar cho các thiết bị ở quy mô nhỏ có thể rất tốn kém. Do đó, chỉ một số ít sản phẩm cần thiết mới được trang bị Lidar, đóng vai trò như một “xúc giác” kỹ thuật số. Công nghệ này lần đầu tiên được ứng dụng trong 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, dự đoán hướng đi của chúng và phân biệt giữa các chướng ngại vật tiềm ẩn.
Công nghệ Lidar giúp xe tự hành “nhìn thấy” và nhận diện môi trường xung quanh một cách chính xác.
Ứng dụng trong nghiên cứu địa hình và vẽ bản đồ
Mặc dù Lidar thường được biết đến với ứng dụng trong các phương tiện tự hành, nhưng ứng dụng quan trọng nhất và cũng là lý do ra đời của công nghệ này là đo kiểm địa hình.
Các cơ quan như USGS (Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ), NOAA (Cơ quan Khí tượng Thủy văn Quốc gia) và NASA đã sử dụng Lidar để tạo ra bản đồ Trái Đất và không gian vũ trụ trong nhiều thập kỷ. Các nhà khoa học khí hậu sử dụng nó để thăm dò các thành phần của khí quyển và nghiên cứu các hiện tượng như mây, aerosol, sự nóng lên toàn cầu. Các nhà hải dương học sử dụng nó để theo dõi sự thay đổi của bờ biển, và trong lĩnh vực thực vật học, Lidar được sử dụng để theo dõi sự thay đổi của rừng.
Ứng dụng Lidar trên các thiết bị cầm tay
Apple đã giới thiệu cảm biến LiDAR trên iPhone 12 Pro. Apple sử dụng LiDAR hơi khác so với các thiết bị chuyên dụng trong xây dựng hoặc súng bắn tốc độ. Mặc dù sử dụng cùng một nguyên tắc, cảm biến LiDAR của Apple được ứng dụng ở quy mô nhỏ hơn, với phạm vi hoạt động chỉ trong khoảng 5 mét.
Cấu tạo của một hệ thống Lidar điển hình
Một hệ thống Lidar cần quét một vùng không gian rộng lớn thông qua bộ thu phát laser. Việc kết hợp với hệ thống GPS giúp nâng cao độ chính xác của hệ thống.
Các thành phần chính của hệ thống Lidar: Máy phát laser, cảm biến quang và hệ thống gương quay.
Máy phát laser này tương tự như máy phát laser trong đầu đĩa CD hoặc máy in laser. Chúng phát ra các tia sáng có bước sóng từ 400 đến 700 nanomet. Xe tự lái sử dụng Lidar với tia laser có bước sóng gần với bước sóng của tia hồng ngoại (khoảng 900 đến 1100 nanomet). Máy laser dùng để quét dưới nước sử dụng tia laser màu xanh lá cây có bước sóng ngắn hơn (khoảng 530 nanomet). Trong tương lai, Lidar cần được cải tiến để an toàn hơn và tối ưu hiệu suất năng lượng hoạt động. Những chiếc xe tự lái hiện đại nhất sử dụng laser có bước sóng 1550 nanomet 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, còn được gọi là cảm biến chuyển đổi ánh sáng hoặc bức xạ thành tín hiệu điện, là một thành phần quan trọng trong Lidar. Cảm biến này thường được cấu tạo từ silicon hoặc gallium arsenide và được chế tạo để có độ nhạy tối đa phù hợp với bước sóng của laser đang sử dụng. Các loại máy dò cũng được sử dụng phù hợp với loại bước sóng và phạm vi của Lidar. Các hệ thống Lidar tầm ngắn thường sử dụng các diot quang silicon đơn giản, trong khi các hệ thống tầm xa sử dụng APD (Avalanche Photodiodes). Khi kết hợp nhiều APD lại với nhau, chúng ta sẽ tạo ra một máy dò được gọi là MPPC (Multi-Pixel Photon Counter).
Để xoay tia laser mà không gặp vấn đề với dây nguồn cung cấp cho nó, các nhà sản xuất 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 quan trọng trong lịch sử hình thành và phát triển của Lidar
- 1930s: Các nhà khoa học sử dụng chùm ánh sáng để đo thành phần của khí quyển.
- 1958: Charles Townes và Arthur Schawlow cùng các học trò 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 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 các phép đo độ sâu đại dương.
- 1971: Các phi hành gia trên tàu vũ trụ Apollo 15 sử dụng LIDAR để lập bản đồ bề mặt Mặt Trăng.
- 1974: Alan Carswell thuộc Đại học York, Toronto phát minh ra một công cụ quét tìm kiếm bằng laser và sau đó bán cho công ty Optech.
- 1976: Cuốn sách đầu tiên về LIDAR được xuất bản.
- 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.
- 2005: Quân đội Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng hệ thống LIDAR trên xe tự lái.
Kết luận
Công nghệ Lidar đang ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ xe tự lái đến các thiết bị di động, Lidar mang lại khả năng đo lường và nhận diện môi trường xung quanh một cách chính xác, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong tương lai.