Als een industrieel voertuig zelf kon rijden, hoe zou het de wereld om zich heen waarnemen? We gebruiken als mens onze eigen ogen om licht te op te vangen en de afstand, grootte en richting van objecten te bepalen.
De meest gebruikte technologie hiervoor is een 3D laser sensor, ook wel LiDAR sensor genoemd.
Een LiDAR-systeem bestaat uit een laser, een ontvanger en een processor.
De LiDAR projecteert lichtbundels in verschillende richtingen. Wanneer een bundel het oppervlak van een object raakt, wordt deze teruggekaatst en opgepikt door de ontvanger.
Door de looptijd te berekenen die het licht nodig heeft om heen en terug te reizen, bepaalt de processor de exacte afstand tot het object. Omdat de snelheid van het licht constant is, kan hierdoor heel nauwkeurig de afstand worden bepaald. Dit principe heet Time of Flight (TOF).
De belangrijkste technische eigenschappen voor een LiDAR sensor zijn bereik, resolutie en nauwkeurigheid.
De belangrijkste factoren die dit beïnvloeden zijn het aantal laserkanalen, de signaalverwerking en de efficiëntie van de zend-ontvangmodule.
Met de hoek waaronder de laser is gericht en de afstandsmeting kunnen we de positie van het object berekenen.
Na verloop van tijd ontstaat er een verzameling van miljoenen datapunten die samen een gedetailleerd 3D-beeld van de omgeving vormen: een zogeheten Point Cloud. Om veilig autonoom te kunnen rijden in complexe verkeerssituaties, moet deze Point Cloud minstens tien keer per seconde worden vernieuwd.
De manier waarop een LiDAR-sensor een Point Cloud genereert, hangt sterk af van het type sensor dat wordt gebruikt.
LiDAR-technologie is beschikbaar in verschillende uitvoeringen, elk met unieke eigenschappen en toepassingsgebieden. De keuze voor een bepaald type sensor hangt af van factoren zoals het gewenste gezichtsveld, de resolutie, het detectiebereik, de robuustheid en de kosten.
Sensoren zonder bewegende onderdelen, compacter en betrouwbaarder, maar met beperkingen in bereik en kijkhoek. Een solid-state LiDAR heeft geen bewegende onderdelen en vereist daardoor veel laserkanalen om dezelfde prestaties te leveren als mechanische varianten. De vele laserkanalen maken de productie van een solid-state LiDAR op dit moment nog erg kostbaar.
Op dit moment is de meest gebruikte soort LiDAR sensor nog een mechanisch draaiende LiDAR. Dit zijn sensoren met bewegende onderdelen.
De laserkanalen zijn verticaal uitgelijnd in een array. Een motor laat het mechanisch draaiend platform waarop de laser array is gemonteerd ronddraaien om een (horizontaal) zichtveld van 360° te bereiken.
Door het beperkte aantal verticale lasers neemt de dichtheid van de Point Cloud af naarmate de afstand toeneemt. De horizontale resolutie zorgt er ook voor dat de Point Cloud in het horizontale vlak qua dichtheid afneemt naargelang de afstand toeneemt. Om de resolutie en het detectiebereik te vergroten, kun je meer zend-ontvangmodules toevoegen en zo het aantal laserkanalen verhogen. Een andere optie is om de motor langzamer te laten draaien. Hiermee verhoog je de horizontale resolutie.
De traditionele manier om een mechanische LiDAR sensor te produceren is een complex en tijdrovend productieproces. Dit leidt ertoe dat mechanische LiDARS vaak groot uitvallen en relatief duur zijn in aanschaf.
Een alternatief voor de mechanische LiDAR is de hybrid solid-state LiDAR, die werkt met twee spiegels die binnen een beperkte hoek roteren. Deze combinatie van vaste componenten en beperkte mechanische beweging — in de vorm van draaiende spiegels — biedt een goede balans tussen prestaties en kostenefficiëntie..
Het hart van deze hybride LiDAR bestaat uit een draaiende veelhoekige spiegel en een zwaaiende spiegel. De veelhoekige spiegel zorgt voor horizontale scanning, terwijl de zwaaiende spiegel de bundels verticaal afbuigt.
Zo kan één laser een scanpatroon creëren dat vergelijkbaar is met dat van een mechanische LiDAR met meerdere lasers.
Om met één laser een volledig beeld te scannen, is een extreem hoge snelheid nodig. Waar een mechanische LiDAR tien of twintig keer per seconde ronddraait, moet de spiegel van een single-laser LiDAR op basis van een ASIC honderden tot duizenden keren per seconde ronddraaien.
Voor toepassingen in autonome voertuigen, drones en stationaire security oplossingen moet een LiDAR sensor een breed gezichtsveld (Field of View, FoV) bestrijken. Met de FoV wordt de horizontale en verticale kijkhoek bedoeld waarbinnen de LiDAR zijn laserpulsen uitstuurt en terug ontvangt.
We kunnen stellen dat hoe minder bewegende onderdelen in een sensor zijn geïntegreerd, hoe langer de levensduur van de sensor in theorie zou kunnen zijn. Dit komt omdat mechanische onderdelen altijd onderhevig zijn aan slijtage, wat de levensduur van de sensor in een grotere mate beperkt dan de levensduur van de elektronica componenten.
Afbeelding: De Pandar 128 is een mechanische LiDAR met de zender- en ontvanger-modules geïntegreerd op een draaiend platform.
Voor een traditionele mechanische LiDAR, waarbij de zender- en ontvanger-modules zijn geïntegreerd op een draaiend platform is dit zeker het geval. Hierbij wordt in de regel de levensduur beperkt door de motor en lagers die het platform op haar plaats houden en laten draaien. Daarnaast is het produceren van zo’n draaiend platform erg complex. De constructie moet perfect in balans zijn om wrijving op de as van de motor en het lager te beperken. Dit is van belang om te voorkomen dat warmteontwikkeling en slijtage van deze mechanische onderdelen de levensduur van de sensor drastisch verminderen. Bij de constructie van laserarrays met zender- en ontvangerdiodes vormt de nauwkeurige uitlijning van de diodes een bijzonder complex en grotendeels handmatig onderdeel van het productieproces, wat het kostbaar maakt.
Een ideale oplossing zou een LiDAR sensor zonder bewegende onderdelen zijn. Oftewel, een solid-state LiDAR sensor. De kanttekening die hierbij geplaatst moet worden is dat een solid-state LiDAR sensor ook zijn beperkingen heeft. Met name de elektronica en optica van een solid-state LiDAR sensor zijn complexer dan van een mechanische LiDAR sensor, waardoor de productiekosten van een solid-state LiDAR relatief hoog zijn. Een andere beperking is dat een solid-state LiDAR vaak een beperkte openingshoek en een kleiner detectiebereik heeft dan een mechanische LiDAR. Dit komt omdat met name de zender-module een chip is waarop een matrix van hele kleine laser diodes zijn geïntegreerd.
Deze laser diodes hebben door hun formaat en optisch vermogen een kleiner bereik dan de losse (grotere) laser diodes die in een mechanische LiDAR op elkaar gestapeld worden.
Afbeelding: solid-state LiDAR FTX
Er zijn vervolgens twee opties om de sensor verder op te bouwen. Voor de hybrid solid-state sensoren die een grote detectierange, maar geen 360° field of view nodig hebben worden de laserpulsen die door de zender ASIC uitgestuurd door middel van 2 draaiende spiegels de ruimte in geleid en de reflecties komen d.m.v. dezelfde twee spiegels ook weer terug bij de ontvanger ASIC.
Bovenstaande afbeelding: ASIC
Dit is een erg robuuste en relatief eenvoudige constructie, omdat je enkel nog twee kleine spiegeltjes als bewegende onderdelen in de sensor hebt zitten. Dit vereenvoudigd de constructie en mechanica van de sensor, wat de productie ten goede komt. Deze manier van het opbouwen van de LiDAR sensor heeft als gevolg dat dit type sensor relatief kosteneffectief geproduceerd kan worden, zonder in te boeten op performance.
Afbeelding: de OT128 is een nieuwe generatie mechanische lidars gebaseerd op de innovatieve ASIC technologie.
Mechanische LiDAR sensoren met 360° field of view waarbij eveneens gebruik gemaakt wordt van de innovatieve zender en ontvanger ASIC’s uit de hybrid solid-state LiDAR sensoren zijn erg in opkomst. De ASIC’s worden geïntegreerd op het draaiende platform zoals we die van de traditionele mechanische LiDAR sensoren kennen. Het voordeel is wederom dat de opbouw, constructie en productie van het draaiende platform een stuk minder complex is geworden. Daarnaast kan door gebruik van de ASIC’s het formaat en gewicht van het draaiende platform drastisch verkleind worden. Dit komt de belasting op de lagers en motor die het platform moeten dragen en laten draaien weer ten goede. Het resultaat is een kleinere LiDAR sensor, die dezelfde performance biedt als een traditionele mechanische LiDAR, maar wel tegen een drastisch lagere kostprijs.
De innovatieve ASIC’s brengen het beste van twee werelden samen. Op dit moment zijn in veel situaties de beste LiDAR oplossing een op de ASIC’s gebaseerde hybrid solid-state of mechanische LiDAR sensor.
De 3D LiDAR sensoren behoren tot de belangrijkste innovaties in de sensor markt van de afgelopen decennia. De ontwikkelingen binnen de LiDAR markt gaan razendsnel: ze worden steeds beter, compacter en betaalbaarder. Het is dan ook slechts een kwestie van tijd voordat dat ze op steeds grotere schaal in uiteenlopende toepassingen worden ingezet.
De veelzijdigheid van LiDAR-sensoren maakt dat ze breed inzetbaar zijn. In veel gevallen kunnen ze nu al met één enkele sensor de functies van één of meerdere traditionele sensoren over nemen. In sommige situaties is het zelfs nu al mogelijk om over te stappen op een LiDAR sensor, omdat ze de efficiëntie en performance van een machine of toepassing aanzienlijk kunnen verbeteren. Tegelijkertijd kunnen de kosten en de complexiteit van die systemen worden verlaagd en vereenvoudigd.
ET25
40° Vertical
200 m Range
105,2° Vertical
20 m Range
Het principe van lidar is eenvoudig. LiDAR (Light Detection and Ranging) is een technologie die met behulp van laserpulsen afstanden, grootte en richting van objecten meet. Dit proces maakt nauwkeurige 3D-kaarten van de omgeving mogelijk.
Een LiDAR-systeem bestaat uit een laser, een ontvanger en een processor.
Bij het time-of-flight-principe wordt de afstand tot een object bepaald door te meten hoe lang het duurt voordat lichtpulsen, uitgezonden door een zender, worden teruggekaatst en opgevangen door een ontvanger. De tijd tussen het uitzenden en ontvangen van de gereflecteerde fotonen geeft inzicht in de afstand tot het object. Hiermee wordt de afstand tot het object zeer nauwkeurig bepaald.
Een Point Cloud is een verzameling van miljoenen datapunten die door een LiDAR-sensor worden gegenereerd. Deze punten representeren de 3D-structuur van de omgeving en worden meerdere keren per seconde geüpdatet om een dynamisch en gedetailleerd beeld te vormen.
Een solid-state LiDAR heeft geen bewegende onderdelen. De laserdiodes en ontvangers zijn geïntegreerd op een chip (ASIC), wat de betrouwbaarheid verhoogt en slijtage vermindert. Deze sensoren zijn compacter, maar hebben vaak een kleinere openingshoek en detectiebereik.
Een hybride solid-state LiDAR combineert vaste componenten met beperkte mechanische beweging, zoals draaiende spiegels. Dit biedt een goede balans tussen prestaties, kostenefficiëntie en duurzaamheid. Ze zijn vaak gebaseerd op ASIC-technologie en bieden een breed gezichtsveld en hoge resolutie.
Op dit moment is de meest gebruikte LiDAR-sensor nog steeds de mechanisch draaiende variant. Hierbij zijn de laserkanalen verticaal geordend in een array, die gemonteerd is op een roterend platform. Een motor laat dit platform draaien, waardoor een horizontaal gezichtsveld van 360° ontstaat. De traditionele productie van mechanische LiDAR-systemen is complex en tijdrovend, wat resulteert in relatief grote afmetingen en een hogere aanschafprijs.
Ja, LiDAR-sensoren zijn veelzijdig en kunnen vaak één of meerdere traditionele sensoren vervangen. Ze verbeteren de efficiëntie en prestaties van machines en kunnen de complexiteit van systemen verlagen.
LiDAR wordt toegepast in:
LiDAR is ideaal voor:
Defecte LiDARs worden doorgaans vervangen of gerepareerd afhankelijk van het type en de garantievoorwaarden. Solid-state en hybride varianten hebben minder kans op mechanische defecten door het beperkte aantal bewegende onderdelen.
LiDAR is zeer betrouwbaar dankzij hoge resolutie, nauwkeurige afstandsmeting en snelle updates van de Point Cloud. Vooral hybride en solid-state varianten zijn robuust in complexe en dynamische omgevingen.
Ja. Solid-state en hybride LiDARs vereisen weinig onderhoud door het ontbreken of minimaliseren van bewegende onderdelen. Mechanische LiDARs hebben meer onderhoud nodig vanwege slijtage van motoren en lagers.
De kosten variëren per type en toepassing. Hoewel solid-state LiDARs duurder zijn in productie, bieden ze een langere levensduur en lagere onderhoudskosten. Door hogere efficiëntie en betere prestaties kunnen ze zich snel terugverdienen in industriële toepassingen.
