LiDAR vs RADAR
LiDAR vs RADAR is an interesting topic, especially after recently in Feb Tesla has announced to remove RADAR mainly because of accuracy and signl/noise issue. Tesla CEO also announced not to use LiDAR because of its high cost. https://www.caranddriver.com/news/a39250157/tesla-no-radar-sensor-model-s-model-x/
Regarding RADAR, Musk shared in June of last year after Tesla stopped using its radar: “The probability of safety will be higher with pure vision than vision+radar, not lower. Vision has become so good that radar actually reduces signal/noise.” However, the CEO also added that Tesla might still use radar if it had a “very high resolution radar”: A very high resolution radar would be better than pure vision, but such a radar does not exist. I mean vision with high res radar would be better than pure vision. https://electrek.co/2022/06/08/tesla-files-use-new-radar-confused/
In the mean time, many autonomous driving vehicles facing choices of using LiDAR or RADAR or both https://www.underhoodservice.com/automotive-technology-lidar/. Hence this article aims to discuss the LiDAR vs. RADAR and the recommendations.
LiDAR Data vs Imaging RADAR
Conventional Radar Data
Conventional LiDAR Data (RGB images as reference)
Introduction
LiDAR and RADAR are both remote sensing devices that are often used for the detection, tracking, and imaging of various objects.
Both sensors have assisted measurement in a lot of fields, including environmental research, space exploration, and medical discovery.
While they’re used across a broad range of industries, LiDAR and RADAR are stirring up a buzz for their functionality in the autonomous vehicle space. The discussion around which one is better has plagued the industry for a while.
Most manufacturers choose LiDAR sensors as their top sensing device. On the other hand, Elon Musk, Tesla’s CEO and a central figure in the industry have shown his preference for RADAR on multiple occasions.
Self-driving vehicles need to be aware of their surrounding environment. Often, the system that enables object detection in autonomous vehicles includes a variety of sensing devices connected through a sensor fusion algorithm, including LiDAR, RADAR, ultrasonic sensors, and cameras.
While they have overlapping goals, the simple change of the type of wave used makes their capabilities vastly different from one another.
What is LiDAR?
LiDAR stands for light detection and ranging or laser imaging, detection, and ranging. While it’s a fairly new concept compared to RADAR, it’s been around since the discovery of lasers in the 1960s.
There are two types of LiDAR sensing devices, airborne- and ground-based.
Ground-based LiDAR uses lasers with a wavelength of 500–600 nm and is used in various applications, such as landslide studies or obstacle detection in autonomous vehicles. Airborne-based LiDAR, on the other hand, uses lasers with a wavelength of 1000–1600 nm and mostly used to collect terrain data. (Dong and Qi Chen, 2017)
LiDAR systems are dependable because they’re capable of measuring an environment with high accuracy and producing a 3D image based on the results.
How does LiDAR work?
The lasers used to detect objects in a LiDAR can either be discrete or continuous.
LiDAR sensors that use continuous waves use the phase difference of the return signal to determine the distance and characteristic of the object. For pulsed waves, we’re more interested in the amplitude of the transmitted and received signals to create a point of cloud that reflects the detected object. (Beland, 2019)
In measurement, full-waveform signals are often used in forestry, while pulsed signals have more use in other fields.
A LiDAR system mainly consists of a light source and a receiver or sensor. The source beams out light or laser, which bounces off the target and back towards the LiDAR system, where the sensor catches the pulse.
To determine the precise distance of an object, the LiDAR system calculates the time interval between the emittance of the laser and when it’s received, taking the speed of light into account.
On its own, LiDAR can catch the position, size, and shape of an object relative to the LiDAR system. However, LiDAR sensors are often paired with a GPS, an IMU sensor, or a camera to enhance their capabilities.
What is RADAR?
RADAR stands for Radio Detection and Ranging. Just as its name suggests, RADAR’s working principle is almost identical to LiDAR, except it uses radio waves instead of lasers or light.
Radio waves have a much longer wavelength compared to light waves, making radars able to cover longer distances compared to LiDAR devices. The frequency and type of radio waves used depend on the requirement of your measurement device.
RADAR frequency bands (Parker, 2017)
The discovery of RADAR preceded LiDAR, with the first known application of RADAR dating back to the early 1900s. RADAR systems are mainly used for tracking, detection, and 2D imaging in various industries, such as environmental studies, military defenses, and the development of smart buildings.
How does RADAR work?
Similar to LiDAR, RADAR systems have two main components: a transmitter and a receiver. Here’s a schematic of a modern RADAR system. (Richards, 2014)
The radio waves used by a radar system can also be continuous or pulsed, which are the more frequent option.
The transmitter and antenna in radar work together. The transmitter generates an electromagnetic wave, and the antenna sends out the wave through a medium.
Then, the signal travels through the medium and is reflected by the target back to the RADAR system, which accepts the reflected radio wave through a receiver. The RADAR processes the radio wave and determines the distance relative to the system by using the time interval between the transmission of the signal and the time when the reflected signal is received.
A RADAR system uses an antenna to transmit radio signals.
Depending on the application of the RADAR, the frequency of the signal transmitted will vary (Parker, 2017). The frequency of your RADAR decides the limitations and capabilities of your RADAR system, such as range, wavelength, and antenna size.
Systems with higher frequencies have lower power, higher attenuation, and more granular detection, which makes them perfect for short-range applications that need a higher resolution, such as in autonomous vehicles.
LiDAR vs RADAR: Which technology is better?
While LiDAR and RADAR have identical goals and principles, the type of wave used by both systems created a whole new level of difference between them.
Rather than which one is better, LiDAR and RADAR systems have their own place in your system with their advantages and disadvantages.
Accuracy: LiDAR > RADAR
As you can see from the image above, images formed through a LiDAR system are crisper and much more detailed than ones formed through RADAR.
LiDAR uses light signals that work in the nanometer range, making LiDAR systems much more accurate and precise than RADAR systems. A lower wavelength also means that a LiDAR system can detect smaller objects, the size of targets, and create 3D images of the target. (Ryde and Hillier, 2009)
On the other hand, the resolution of RADAR images is limited by the size of the antenna used. Antennas with a bigger size produce waves with higher frequencies, resulting in images with higher resolution. Keep in mind that the requirements for your antenna also depend on the limitations of your measurement system.
In short, LiDAR is your best choice when you need to create a detailed image, while RADAR is better when constantly detecting the distance to the target is more important for your use case.
Reliability: LiDAR <RADAR
While RADAR’s accuracy leaves much to be desired, it’s much more reliable than LiDAR.
LiDAR uses light waves as a medium and is easily affected by the medium itself. For example, moisture in the atmosphere affects the performance of a LiDAR system. LiDAR systems don’t perform as well in bad weather, such as in the rain, fog, or snowstorm.
Furthermore, most LiDAR used in autonomous vehicles uses a rotating device to shoot laser pulses, which means regular maintenance is necessary to keep it working well. However, recently there are more and more options for solid-state LiDAR systems, so this might not be a concern for much longer.
RADAR, on the other hand, uses radio waves that have a much bigger wavelength, so it has enough power to cover longer distances than LiDAR.
Radio waves also have lower attenuation, which allows them to travel minimally disturbed even in poor weather. When sensors that rely on the principle of optics are compromised, RADAR is an excellent choice as a substitute, even with its low resolution.
Cost: LiDAR > RADAR
For many years, LiDAR sensors are not an option for most manufacturers thanks to its high cost.
A high-end automotive LiDAR by Velodyne used to cost $75,000 for one car.
However, in recent years, LiDAR has been undergoing a significant price reduction with many companies working to make LiDAR systems more affordable.
In early 2020, Velodyne released a solid-state LiDAR with no moving parts for $100 called Velabit on CES 2020.
RADAR systems, on the other hand, have always been a cheaper option compared to LiDAR, with a price as low as $50 for an automotive millimeter-wave RADAR sensor module.
The price of LiDAR sensors is partially responsible for the high prices of autonomous vehicles. Most include the use of LiDAR to detect the environment for their self-driving functionality, such as Waymo, Toyota, and Uber, while Tesla continues to avoid LiDAR and develop RADAR for its self-driving cars.
Conclusion: LiDAR + RADAR
Except for the type of wave used, LiDAR and RADAR are almost identical in principle. Both use a transmitter to emit a wave and use the reflected wave received by the sensor to decide the precise distance to the target.
To decide which one is better for your project, you need to decide the requirements and limitations of your measurement unit.
LiDAR uses lasers with a much lower wavelength than the radio waves used by RADAR. Thanks to this, LiDAR has better accuracy and precision, which allows it to detect smaller objects, in more detail, and create 3D images based on the high-resolution image it creates.
On the other hand, RADAR is much more robust than LiDAR with a lower starting price. While you don’t get as many details, it works in worse operating conditions and has a wider range than LiDAR.
Alternatively, you can combine RADAR and LiDAR with other sensors using data fusion algorithms to create a system with better capabilities.
Takeaways:
So, here’s what you need to remember about LiDAR and RADAR.
- LiDAR and RADAR are remote sensing devices that use light waves and radio waves respectively to detect objects. They use the interval between the time the waves are transmitted and the time the wave reflected from the object is received.
- Light waves have better precision and accuracy compared to RADAR. However, RADAR sensors are more robust. It performs well in bad weather when LiDAR often fails and has a longer range.
- RADAR systems are more affordable in comparison to LiDAR sensors. However, this might change as many companies continue to develop solid-state LiDARS at a lower price range.
RADAR needs to overcome the accuracy issue by increasing its resolution and SNR. LiDAR needs to overcome the cost issues. For level 3 to level 5 self driving car, many companies still believe both are needed to ensure safety and comfort of the passengers.
References
Dong, Pinliang, and Qi Chen. “LiDAR Remote Sensing and Applications.” 2017, doi:10.4324/9781351233354.
Beland, Martin, et al. “On Promoting the Use of Lidar Systems in Forest Ecosystem Research.” Forest Ecology and Management, vol. 450, 2019, p. 117484., doi:10.1016/j.foreco.2019.117484.
Richards, Mark A. Principles of Modern Radar Volume 1: Basic Principles. Scitech Publishing Inc,, 2010.
Parker, Michael Alan. Digital Signal Processing 101: Everything You Need to Know to Get Started. Newnes an Imprint of Elsevier, 2017.
Ryde, Julian, and Nick Hillier. “Performance of Laser and Radar Ranging Devices in Adverse Environmental Conditions.” Journal of Field Robotics, vol. 26, no. 9, 2009, pp. 712–727., doi:10.1002/rob.20310.
Лидары в беспилотных автомобилях
Разбираемся, что это такое и можно ли без них обойтись.
Лидар — это метод определения расстояний с помощью света. Слово «лидар» образовано от акронима «LiDAR», два самых популярных варианта расшифровки: Light Detection and Ranging и Laser Induced Direction and Range System.
Строго говоря, использование именно лазера в лидаре необязательно, источником света могут выступать даже светодиоды. Но в 95% случаев, когда говорят о лидарах, подразумевают именно устройство с лазерным лучом.
Первые попытки измерить расстояние световыми лучами были сделаны еще в 1930-х годах с помощью прожекторов, которые использовались для изучения структуры атмосферы. В 1938 году световые импульсы использовались для определения высоты облаков.
В 1960 году изобрели лазер, а всего через несколько лет лазерные дальномеры стали использоваться в американских танках. В 1969 году лазерный дальномер применили для измерения расстояния от Земли до Луны, использовав специальную мишень на «Аполлоне-11».
Сейчас лидары используются в разных областях: от археологии до биологии, но активнее всего в картографии, метеорологии и авиации.
Что такое лидар
Сканирование местности — одна из главных задач для беспилотных роботов, которые самостоятельно прокладывают путь из точки А в Б. Решать её можно по-разному: всё зависит от бюджета и поставленных целей, но общая суть инженерного подхода остаётся похожей. Лидарные системы стали стандартом де-факто для беспилотных автомобилей и роботов. А ещё лидар можно приладить к своему проекту на Arduino!
Как это работает
Название LiDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging» — дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности. Из названия понятно, что лидар имеет что-то общее с радаром. Вся разница в том, что вместо СВЧ-радиоволн здесь используются волны оптического диапазона.
Давайте вспомним общий принцип работы подобных систем: у нас есть устройство, которое посылает наружу направленное излучение, затем ловит отражённые волны и строит исходя из этого картину пространства. Именно так и работает лидар: в качестве активного источника используют инфракрасный светодиод или лазер, лучи которого мгновенно распространяются в среде. Рядом с излучателем расположен светочувствительный приёмник — он и улавливает отражения.
Обозначения: D — измеренное расстояние; c — скорость света в оптической среде; f — частота сканирующих импульсов; Δφ — фазовый сдвиг.
Получив время, за которое вернулась отражённая волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика. Подобный принцип определения дистанции называют времяпролётным — от английского Time-of-flight (ToF). А что дальше? У вас появляются разные возможности, как распорядиться этими данными.
Оптический дальномер
Дальномер — это частный случай лидара, у которого сравнительно узкий угол наблюдения. Устройство смотрит вперёд в узком сегменте и не получает посторонних данных, кроме удалённости объектов. Так работает оптический дальномер, основанный на принципе ToF. Рабочая дистанция зависит от используемого источника света: для ИК-светодиодов это десятки метров, а лазерные лидары способны стрелять лучом на километры вперёд. Неудивительно, что эти приборы прижились в беспилотных летающих аппаратах (БПЛА) и метеорологических установках.
Однако быстродействующий дальномер может пригодиться и в самодельных роботах на Arduino и Raspberry Pi: лидары не боятся засветки солнцем, а скорость реакции у них выше, чем у ультразвуковых датчиков. Используя лидар в качестве датчика пространства, ваше детище сможет видеть препятствия на увеличенной дистанции. Разные модели отличаются дальностью работы и степенью защиты. Модификации в герметичном корпусе позволят роботу работать на улице.
Лидарная камера
Следующая ступень развития — лидар в роли 3D-камеры. Добавляем к одномерному лучу систему развёртки и получаем прибор, который может построить модель пространства из облака точек в определённой зоне обзора. Для перемещения сканирующего луча чего только не применяют: от поворотных зеркал и призм до микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобные решения используют, например, для быстрого построения 3D-карты местности или оцифровки архитектурных объектов.
Сканирующий лидар с круговым обзором
Вот и мечта любого автопроизводителя — главный сенсор, который заменяет беспилотной машине почти все глаза. Здесь мы имеем комбинацию излучателей и приёмников, установленных на поворотной платформе, которая вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту. Плотность генерируемых точек такова, что лидар строит полноценную картину местности, в которой видно другие машины, пешеходов, столбы и деревья на обочине, и даже изъяны дорожного покрытия или рельефную разметку!
Лидары с круговым обзором 360° — наиболее сложные и дорогие из всех разновидностей, но и самые желанные для разработчиков, поэтому они часто встречаются на прототипах беспилотных автомобилей, где вопрос стоимости не стоит слишком остро.
В заключение
Дожидаться светлого беспилотного будущего совсем необязательно, ведь можно начать собственные эксперименты с инфракрасным лидаром на Arduino или Raspberry Pi уже сейчас. Если вам нужен дальномер с рабочей дистанцией до 40 метров и моментальной реакцией — это подходящий вариант. А если заморочиться и моторизовать лидар, то у вас получится сделать и любительский 3D-сканер на принципе ToF.
Что такое лидар и где он применяется
Высокие технологии все активнее внедряются в нашу жизнь. Раньше слово лидар ассоциировалось со сложнейшим устройством, доступным лишь крупным компаниям и исследовательским институтам. Сегодня же лидары стали настолько распространены, что их можно встретить даже в смартфонах. Что это за технология и где она используется, мы расскажем в подробностях.
Лидар — что это такое и как работает
Слово «лидар» (LIDAR) происходит от «Light Detection and Ranging» — это технология измерения расстояний с помощью светового луча.
Первое упоминание термина датируется 1953 годом. Раньше в метеорологии так называли обычные импульсные источники света. Однако после изобретения лазера в 1960 году стали появляться первые лидары, в которых в качестве излучателя уже использовался самый настоящий лазер. Одним из первых изобретений в 1963 году стал лазерный дальномер XM-23, который после испытаний был сразу же принят на вооружение армии США.
В последствие лазерный дальномер стал стандартным оборудованием для танка M551 Шеридан, а широкую популяризацию эта технология получила после запуска Аполлоон-11 — астронавты установили на Луне первый уголковый отражатель, с помощью которого и удалось сделать точные замеры расстояния от Земли до спутника.
В СССР эксперименты по лазерной локации Луны начались с 1963 года, а впоследствии были запущены и собственные уголковые отражатели на «Луноход-1» и «Луноход-2». Первый советский лазерный дальномер появился в 1974 году — КТД-1 был способен замерять расстояния до 10 километров с погрешностью всего в 1,8 метра.
Главной проблемой лидаров была необычайная дороговизна за счет использования интегральных схем, поэтому сфера применения обычно ограничивалась военными потребностями, космосом и метеорологией. Однако с развитием и удешевлением микроэлектроники возможности и области применения существенно расширились.
Принцип действия лидара очень схож со знакомым нам радаром — разница лишь в том, что в одном случае к объекту посылается свет, а в другом — радиоволна. Одна из главных проблем радиоволн в том, что они хорошо отражаются только от крупных металлических объектов. Свет этого недостатка лишен, а после изобретения лазера у инженеров появилась возможность посылать на большие расстояния сконцентрированные пучки света.
Лидар посылает световую волну (как правило, в инфракрасном диапазоне), она отражается от объекта и возвращается. Анализируя время или отраженный сигнал можно рассчитать расстояние до объекта.
Различают импульсный и фазовый методы измерения дальности. При импульсном методе к объекту посылается импульс, параллельно которому устройство запускает внутренний счетчик. Когда отраженный луч возвращается, он останавливает работу счетчика. После этого микропроцессор с использованием времени счетчика по формуле рассчитывает расстояние до объекта.
При фазовом методе излучение модулируется по синусоидальному закону, а отраженный луч смещается по фазе. На основе разницы в фазе и определяется расстояние.
Большинство лидаров использует одну из трех длин волны — 850, 905 или 1550 нм. Источники, генерирующие волны 850 и 905 нм при достаточно большой мощности могут повредить сетчатку, однако их производство максимально дешевое и доступное. Луч длиной волны 1550 нм безопасен для человеческого глаза даже на большой мощности, но для производства таких излучателей необходимы достаточно редкие ресурсы, например, арсенид галлия-индия.
Применение лидаров
Отметим, термин «лидар» можно понимать в двух разных значениях. Первое — это технология, использующая пучок света для замера расстояния до объекта. Второе значение — отдельное устройство, которое посылает многочисленные пучки света для построения 3D-карты.
Большинство людей знакомы с технологией по лазерным дальномерам. Эти гаджеты обычно не называет лидарами, поскольку они посылают лишь один луч для замера расстояния. Компактные устройства размером с телефон способны замерять расстояния в среднем до 100 метров. Незаменимый гаджет во время ремонта или стройки.
Развитием этой технологии стали вращающиеся и сканирующие излучатели. Такие устройства уже способны не просто замерять расстояние до одной точки, а строить полноценную карту рельефа или 3D-модели объектов. Именно они чаще всего называются лидарами.
Технология активно применяется в картографировании и археологии, поскольку позволяет быстро создать карту с точностью вплоть до 10 сантиметров. Лидары могут устанавливаться на самолеты или беспилотные летальные аппараты, в том числе на небольшие дроны. Последние используются для получения моделей зданий или карт местных сельскохозяйственных угодий.
Мощные лидары устанавливаются уже на самолеты и способны составлять карты целых регионов — используются несколько различных методов сканирования. Так океанографы используют лидары для отслеживания береговой эрозии, а ботаники — для измерения меняющейся структуры лесов. Применяются лазеры и для изучения газового состава атмосферы — летучие вещества в разной степени поглощают отраженный луч, так что по рассеиванию возможно высчитать концентрацию.
Устанавливают лидары даже на космические аппараты. Например, на МКС стоит система JEDI, которая с 2018 года используется для исследования лесов. Ученым удалось построить карту высоты лесных массивов по всему миру.
Также NASA приступила к созданию лидара MARLI для изучения скорости ветра и состава атмосферы на Марсе.
Если же говорить о более приземленных устройствах, то лидары (LDS-лазер) используются в некоторых роботах-пылесосах. Специальный блок с вращающейся головкой позволяет сканировать территорию на 360 градусов вокруг пылесоса, тем самым составляя карту стен и препятствий.
Лидар способен быстро и с высокой точностью построить карту помещений, однако он плохо работает с зеркалами, которые идентифицирует не как препятствие, а как еще одно пространство.
Лидары постепенно проникают в потребительскую электронику, например, смартфоны. Вы наверняка слышали про ToF-камеры, которые имеются у Samsung Galaxy S20+, Huawei P30 Pro, Sony Xperia XZ4 и других гаджетах. Так вот эти камеры и используют технологию лидара — сенсор в инфракрасном диапазоне посылает пучок света и замеряет время, через которое он вернется. Открывает это дополнительные возможности: измерение расстояния до объектов, эффект размытия заднего фона, улучшенное распознавание лиц и не только.
Развитием ToF-камер занялись в Apple — впервые в iPhone 12 Pro они представили уже полноценный лидар. Ключевое отличие — сенсор лидара посылает импульсы света не один раз, как это делает ToF-сенсор, а постоянно. Это позволяет в режиме реального времени строить полноценные 3D-модели объектов и предоставляет больше возможностей работы с дополненной реальностью.
Однако одной из самых перспективных сфер применения лидаров являются беспилотные автомобили. В сумме с другими средствами обнаружения препятствий лидары позволяют создавать достаточно точную карту. Например, в беспилотных автомобилях «Яндекса» использовались лидары одного из ведущих брендов Velodyne.
Одним из главных сдерживающих факторов развития рынка лидаров является их стоимость. Достаточно мощные устройства для автомобильного применения, безопасные для глаз человека, стоят в районе 800–1200 долларов. Лидары для бытовой техники вроде пылесосов уже существенно дешевле — обычно до 100 долларов.
А вот в машинах Tesla лидары не используются — там навигация осуществляется исключительно по камерам, радару и ультразвуковым датчикам. Илон Маск уверен, что лидары — это дорогой и бесполезный способ навигации, а с развитием технологии компьютерного зрения и вовсе станет бесполезным. Прав он или нет, покажет время, но даже проработанная система обнаружения препятствий в автомобилях Tesla дает сбои.
Сферы применения лидара расширяются с каждым годом — быстрое создание виртуальных 3D-моделей требуется в самых разных отраслях, начиная от дизайна с трехмерной печатью и заканчивая исследованием рельефа других планет. Вполне возможно, что лидар станет будущим для всех беспилотных аппаратов, включая автомобили и даже самолеты.