Come utilizzare Lidar con Raspberry Pi

Nov 29, 2023

La capacità di misurare in modo economico ma accurato la distanza tra un veicolo autonomo o un robot e gli oggetti vicini è un problema impegnativo per gli hacker. Conoscere la distanza è fondamentale per evitare gli ostacoli. Incontrare qualcosa con un piccolo robot può essere un problema banale, ma potrebbe essere mortale con un robot grande come un veicolo autonomo.

Il mio interesse per la misurazione della distanza per evitare gli ostacoli nasce dalla mia partecipazione al concorso NASA Sample Return Robot (SRR) del 2013. Ho utilizzato una webcam per l'elaborazione della vista e ho provato varie tecniche visive per effettuare misurazioni, senza molto successo. Alla competizione, due partecipanti hanno utilizzato i lidar di scansione, cosa che ha suscitato il mio interesse nei loro confronti.

Un lidar è un dispositivo di misurazione della portata laser. Il nome è una combinazione dei termini LIght e raDAR e non, come comunemente suggerito, un acronimo derivato in maniera simile al suo predecessore, "RAdio Detection And Ranging". Il termine fu usato per la prima volta nel 1963 secondo Merriam-Webster. Uno dei primi usi del lidar fu la misurazione delle nuvole e della superficie della luna da parte dell'Apollo 13. Man mano che le dimensioni dei laser furono ridotte, furono trovati altri usi, incluso come telemetro per scopi militari.

Un singolo raggio laser può fornire la portata solo a un singolo oggetto. Proprio come il radar di controllo dell’aereo fa oscillare un raggio nel cielo, un lidar di scansione spazza il laser. L'applicazione del lidar per dispositivi mobili autonomi richiede la scansione di un'ampia area sia verticalmente che orizzontalmente per fornire una nuvola di punti di misurazioni della distanza. Qualcosa di simile potrebbe essere fatto con un sensore a infrarossi, come abbiamo visto in precedenza, ma la precisione non è così buona come con un laser.

La misurazione della distanza può essere eseguita in diversi modi, ma i principali sono due. Uno misura il tempo di volo di un impulso laser mentre l'altro utilizza l'angolo di deflessione del raggio laser.

Conosci il funzionamento di base del radar e del sonar: invia un impulso e misura il tempo necessario per ricevere il segnale di ritorno. Il tempo diviso per la velocità della luce o del suono fornisce la distanza percorsa dal segnale avanti e indietro. Dividilo per due per ottenere la distanza dall'oggetto. Questa è la misurazione del tempo di volo (ToF).

Come potresti sospettare, le cose diventano complicate data la velocità della luce. Un pioniere dei computer, il contrammiraglio Grace "Amazing Grace" Hopper distribuiva pezzi di filo da 11,80 pollici per dimostrare la distanza percorsa dalla luce in un nanosecondo nel vuoto. Con i robot questa è l'entità della distanza che siamo interessati a misurare. difficile misurare meno di un metro inviando solo un impulso e temporizzando il segnale di ritorno perché il segnale ritorna in circa 7 nanosecondi.

Una tecnica a riguardo consiste nel modulare continuamente il segnale in base all'ampiezza o alla frequenza. La differenza di fase tra il segnale trasmesso e quello ricevuto è proporzionale alla distanza dall'oggetto. Un lidar che utilizza la modulazione può misurare fino a centimetri.

Esistono numerosi fornitori commerciali di lidar di scansione basati su ToF, ma il prezzo è un po' più alto di quello che spenderebbe la maggior parte degli hobbisti. Un concorrente relativamente nuovo, PulsedLight, ha offerto un lidar ToF a raggio singolo nella fascia di prezzo degli hacker, ma i loro fornitori sono tutti in ordine.

Il lidar di triangolazione utilizza la stessa tecnica dei sensori di misurazione della distanza a infrarossi Sharp che gli hacker utilizzano da anni. Il trasmettitore è una singola sorgente ma il ricevitore è una serie di ricevitori mono o bidimensionali. L'offset degli elementi del ricevitore dal trasmettitore crea la linea di base di un triangolo. Il segnale di andata e quello di ritorno sono gli altri due lati del triangolo. La trigonometria semplice fornisce la distanza dalla linea di base all'oggetto.

La Optical Society descrive queste e altre tecniche utilizzate per misurare la distanza.

Quello che non sapevo mentre gareggiavo nella SRR della NASA del 2013 è che Neato Robotics ha lanciato un aspirapolvere nel 2010 utilizzando un lidar a scansione per rilevare l'ambiente circostante l'aspirapolvere. Ciò consente al robot di evitare gli ostacoli invece di sbatterci contro come facevano i precedenti robot aspirapolvere.