Chắc hẳn trong mỗi chúng ta đều đã từng nghe đến xe tự lái, hay một cách đơn giản hơn là xe tự đỗ. Làm sao chúng ta có thể chế tạo được một chiếc xe có khả năng nhận biết được các vật thể xung quanh như vậy? Sử dụng loại cảm biến gì ở đây? Đó chính là LIDAR (Light Detection And Ranging), một phần của chiếc xe sử dụng để phát hiện và đo khoảng cách môi trường xung quanh nó, từ đó xây dựng lên mô hình 3D. Cũng giống như LIDAR, radar và sonar cũng hoạt động tương tự, thay vì dùng ánh sáng radar sử dụng sóng radio còn sonar sử dụng sóng âm ở dưới nước. Và mỗi loại cũng có một ứng dụng khác nhau. Vậy cách thức hoạt động của LIDAR như thế nào. Hãy cùng xem xét ở bài viết này.

Tại sao lại sử dụng LIDAR?

Hãy thử lấy ví dụ với bản thân bạn. Bạn có thể nhận biết được những vật xung quanh qua con mắt và có thể tính toán kích thước và vị trí của nó nhờ não bộ. Để robot cũng làm được như vậy nó cần hai cảm biến ảnh số và một thư viện đủ lớn để xây dựng được mô hình 3D xung quanh nó. Nếu xét khả năng xây dựng mô hình 3D ở não bộ con người, đó là một quá trình học hỏi của não bộ, với rất nhiều “thư viện” các vật thể được tích luỹ qua từng ngày, nhưng với robot nó không có khả năng tự nhiên đó.

Lidar trong xe tự lái

 

Và vì thế mà các robot tự động có “góc nhìn thế giới” khác với xe tự lái bởi hệ thống LIDAR. Robot tự động sử dụng hệ thống camera để xác định xem mình đang đối mặt với cái gì thì xe tự lái sử dụng LIDAR để tính toán mọi thứ xảy ra xung quanh nó, từ kích thước vật thể, hướng chuyển động,… mô phỏng và phán đoán hướng đi rồi đưa ra quyết định điều khiển bản thân. Toàn bộ quá trình đó được thực hiện theo thời gian thực, nghĩa là tất cả những hành động và xử lý đều được xảy ra ngay lập tức.

LIDAR là gì?

Nếu để ý kỹ bạn sẽ thấy có một phần nhô ra phía trên những con robot hút bụi hiện đại và xe tự lái. Đó chính là LIDAR, chúng có cơ cấu quay với chùm tia laser để đo khoảng cách tất cả các vật thể xung quanh bằng cách tính toán thời gian mà tia laser được phát đi và thu về. Với radar và sonar cũng hoạt động bằng cách tương tự, radar gửi sóng radio và chờ tín hiệu sóng radio phản hồi về, sonar dùng sóng âm phát đi trong nước qua đó có thể tính toán được khoảng cách giữa vật chủ và vật thể. Radar thường được sử dụng trong công nghệ máy bay còn sonar thường dùng ở tàu biển và tàu ngầm. Tuỳ thuộc vào môi trường chúng ta sẽ tiếp cận với một loại cảm biến khác nhau. Xét về xe tự lái, môi trường xung quanh nó có nhiều tiếng ồn và các thiết bị sử dụng sóng radio, vì thế việc sử dụng radar và sonar cho xe tự lái không thực sự hiệu quả.

Trước khi xe tự lái trở thành vấn đề nóng hổi thì các nhà khoa học địa lý đã sử dụng LIDAR để vẽ bản đồ địa hình trên trái đất. Để đo được độ sâu của địa hình dưới nước, họ gắn LIDAR vào máy bay hoặc trực thăng và sau đó bay xung quanh khu vực cần thiết lập địa hình.

Những thông tin có được từ LIDAR?

Như đã nói ở trên LIDAR sử dụng hệ thống ánh sáng để tính toán và xác định các vật thể xung quanh đó, nó được kết hợp với nhiều hệ thống khác và dùng vào nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ như mục đích vẽ địa hình sử dụng máy bay, LIDAR kết hợp với GPS. Với mục đích xe tự lái, LIDAR kết hợp với GPS và các cảm biến gia tốc, trọng trường, con quay hồi chuyển và có thể còn lấy đữ liệu từ một thư viện như Google Street View. Rồi sau đó đưa ra những điểm gọi là “Điểm đám mây”, cứ mỗi khoảng 60m sẽ lưu lại một “Điểm đám mây” và sau một quá trình hàng triệu điểm như vậy sẽ vẽ lên được bản đồ của một khu vực nào đó.

Hệ thống LIDAR gồm những gì?

Để vẽ được một bản đổ dùng LIDAR, bạn cần một máy phát laser và một hệ thống xoay phản chiếu để nó có thể quét xung quanh. Và cũng cần thiết một hệ thống GPS để xác định vị trí đang quét.

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

LIDAR được sử dụng trong những mục đích gì?

Gắn trên phương tiện

Mặc dù robot và xe tự lái là những loại ứng dụng trên báo đài mà bạn nghe được của LIDAR, nhưng thực tế ứng dụng phổ biến của nó lại là trong bản đồ địa lý và khí quyển. 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.

Phát hiện vật thể dưới biển

 

Ngoài ra một số ứng dụng khác của LIDAR dùng để nghiên cứu các thành phần của khí quyển, các loại khí khác nhau hấp thụ loại bước sóng khác nhau nên bằng cách bắn một chùm tia gồm nhiều bước sóng khác nhau rồi so sánh mức độ hấp thụ hay phản xạ. Hệ thống đó được gọi là DIAL, có thể được sử dụng để đo nồng độ ô nhiễm không khí hay phát hiện rò rỉ từ ống dẫn khí. Súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông cũng sử dụng hệ thống LIDAR này.

Đo đạc bản đồ trên không

Sơ lược lịch sử 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