Como usar o Lidar com o Raspberry Pi

Nov 29, 2023

A capacidade de medir com precisão a distância entre um veículo autônomo ou robô e objetos próximos é um problema desafiador para os hackers. Saber a distância é a chave para evitar obstáculos. Esbarrar em algo com um pequeno robô pode ser um problema trivial, mas pode ser mortal com um grande como um veículo autônomo.

Meu interesse em medição de distância para evitar obstáculos decorre de minha participação no concurso de 2013 da NASA Sample Return Robot (SRR). Usei uma câmera da web para processamento de visão e tentei várias técnicas visuais para fazer medições, sem muito sucesso. Na competição, dois participantes usaram lidars de varredura, o que despertou meu interesse por eles.

Um lidar é um dispositivo de medição de alcance a laser. O nome é uma combinação dos termos LIGHT e raDAR e não, como comumente sugerido, um acrônimo derivado de maneira semelhante ao seu precursor, "RAdio Detection And Ranging". O termo foi usado pela primeira vez em 1963 de acordo com Merriam-Webster. Parte do uso inicial do lidar foi medir nuvens e a superfície da lua pela Apollo 13. Como os lasers foram reduzidos em tamanho, outros usos foram encontrados, inclusive como um telêmetro para fins militares.

Um único feixe de laser só pode fornecer o alcance para um único objeto. Assim como o radar de controle da aeronave lança um feixe no céu, um lidar de varredura varre o laser. A aplicação do lidar para dispositivos móveis autônomos requer a varredura de uma ampla área vertical e horizontalmente para fornecer uma nuvem de pontos de medições de distância. Algo semelhante pode ser feito com um sensor infravermelho, como vimos anteriormente, mas a precisão não é tão boa quanto com um laser.

A medição de distância pode ser feita de várias maneiras, mas existem duas principais usadas. Um mede o tempo de voo de um pulso de laser enquanto o outro usa o ângulo de deflexão do feixe de laser.

Você está familiarizado com o funcionamento básico do radar e do sonar - envie um pulso e meça o tempo que leva para receber o sinal de retorno. O tempo dividido pela velocidade da luz ou do som fornece a distância percorrida pelo sinal de ida e volta. Divida isso por dois para obter a distância até o objeto. Essa é a medição do tempo de voo (ToF).

Como você pode suspeitar, as coisas ficam complicadas devido à velocidade da luz. Pioneira em computadores, a contra-almirante Grace "Amazing Grace" Hopper distribuiria pedaços de fio de 11,80" para demonstrar a distância que a luz percorre em um nanossegundo no vácuo. Com os robôs, essa é a magnitude da distância que estamos interessados ​​em medir. É difícil medir menos de um metro enviando apenas um pulso e cronometrando o sinal de retorno porque o sinal retorna em cerca de 7 nanossegundos.

Uma técnica para isso é modular continuamente o sinal por amplitude ou frequência. A diferença de fase entre os sinais transmitidos e recebidos é proporcional à distância ao objeto. Um lidar usando modulação pode medir até centímetros.

Existem vários fornecedores comerciais de lidars de varredura baseados em ToF, mas o preço é um pouco mais alto do que a maioria dos amadores gastaria. Um participante relativamente novo, PulsedLight, ofereceu um ToF lidar de feixe único dentro da faixa de preço dos hackers, mas seus fornecedores estão todos com pedidos atrasados.

A triangulação lidar usa a mesma técnica que os sensores infravermelhos de medição de distância Sharp que os hackers usam há anos. O transmissor é uma fonte única, mas o receptor é uma matriz de receptores de 1 ou 2 dimensões. O deslocamento dos elementos do receptor do transmissor cria a linha de base de um triângulo. O sinal de saída e retorno são os outros dois lados do triângulo. A trigonometria simples fornece a distância da linha de base ao objeto.

A Optical Society descreve essas e outras técnicas usadas para medir distâncias.

O que eu não sabia ao competir no NASA SRR 2013 é que a Neato Robotics lançou um aspirador de pó em 2010 usando um lidar de varredura para detectar os arredores do vácuo. Isso permite que o robô evite obstáculos em vez de esbarrar neles, como faziam os robôs aspiradores anteriores.