2D vs 3D LiDAR : une comparaison de deux technologies de balayage laser
Présentation du LiDAR 2D
Cet article traite du Lidar 2D et 3D. Nous comparerons les deux technologies et expliquerons leur fonctionnement, les différents résultats de chacune d’entre elles, leurs avantages, leurs limites et les cas d’utilisation les plus courants.
Qu’est-ce que le LiDAR 2D et comment fonctionne-t-il ?
Cette technologie de détection en 2D utilise la lumière pour mesurer les distances entre sa source et une cible. En utilisant le temps nécessaire à la lumière pour atteindre la cible et revenir au capteur, combiné à la vitesse de la lumière, la distance par rapport à la cible est mesurée avec précision. Le capteur est souvent monté sur une plate-forme mobile, comme un robot. Une plateforme statique est également optionnelle.
Le processus d’émission d’impulsions, de réflexion et de détection d’objets est répété rapidement sur une large zone, afin de détecter les objets et de créer une représentation 2D de la zone et des objets qui s’y trouvent. Par exemple, un aspirateur robot pourrait créer un plan en 2D de votre maison, montrant les contours de chaque pièce et les différents objets qui s’y trouvent, mais sans aucune information sur la hauteur. Ici, les obstacles apparaissent comme des formes distinctes ou des groupes de points sur la carte où le faisceau laser rebondit sur les objets.
Un capteur LiDAR 2D utilise généralement un miroir ou un capteur rotatif pour émettre des impulsions laser dans un angle unique et fixe afin de capturer des objets dans son environnement. Ce capteur ou miroir tourne à l’intérieur d’un plan horizontal ou vertical pour balayer ce plan. Le LiDAR 2D ne balayant qu’un seul plan, il est possible de capturer les données d’une coupe transversale plane, horizontale ou verticale de la zone.
Vous trouverez une explication plus détaillée du fonctionnement du LiDAR dans un autre article. Vous trouverez plus d’informations sur les différentes façons dont le LiDAR mesure les distances dans un autre article.
Quels sont les différents résultats du LiDAR 2D ?
Voici un aperçu de quelques-uns des résultats obtenus grâce au LiDAR 2D :
– Nuages de points 2D : collection de mesures de distance dans un plan bidimensionnel. Il peut s’agir, par exemple, d’une carte en 2D d’un espace intérieur, comme le plan d’un étage avec différentes pièces, montrant différents objets et murs.
– Cartes en 2D : Le LiDAR est l’une des composantes du SLAM (localisation et cartographie simultanées), une technologie permettant de positionner un objet dans son environnement et de créer une carte pour s’y orienter et s’y déplacer.
– Mesures de la distance entre le capteur et différents objets dans l’environnement. Les mesures de distance et de taille effectuées par le système LiDAR 2D permettent de détecter les obstacles.
Qui utilise le LiDAR 2D ?
Les robots utilisent le LiDAR 2D pour la navigation, la détection d’obstacles et la cartographie de l’environnement afin de se déplacer en toute sécurité dans toute une série d’applications :
– Fabrication : les robots naviguent de manière autonome sur des lignes d’assemblage complexes, réduisant ainsi le besoin d’intervention humaine et rationalisant les processus de production.
– Logistique : les robots naviguent dans les entrepôts et les centres de distribution pour optimiser la gestion des stocks et l’exécution des commandes.
– Agriculture : les robots naviguent de manière autonome dans les champs, surveillent les cultures et effectuent des pulvérisations de précision.
– Soins de santé : les robots peuvent circuler en toute sécurité dans les couloirs des hôpitaux pour l’administration de médicaments ou la surveillance des patients.
Cette technologie est également utilisée dans des applications de sécurité, notamment pour la détection de périmètres ou le suivi de mouvements dans des zones définies. Les véhicules autonomes, les études fluviales, la modélisation de la pollution, l’archéologie et la construction de bâtiments sont d’autres applications du LiDAR 2D.
Quels sont les avantages du LiDAR 2D ?
Voici quelques-uns des avantages du LiDAR 2D :
– Précision : le système LiDAR 2D détecte avec précision les obstacles et planifie des trajectoires optimales.
– Rapidité/efficacité : les capteurs 2D LiDAR sont très efficaces et offrent des temps de réponse rapides. Ils utilisent un LiDAR à ligne unique, qui émet un faisceau laser à ligne unique par la source laser, ce qui se traduit par une vitesse de balayage rapide, une résolution élevée et une grande fiabilité.
– Fiabilité dans différentes conditions environnementales : contrairement aux capteurs basés sur la vision, le LiDAR fonctionne bien dans différentes conditions d’éclairage, et même dans l’obscurité. Cette fiabilité améliore son utilisation dans différents scénarios.
– Coût : les capteurs 2D LiDAR sont généralement plus abordables que les capteurs 3D LiDAR.
Ces quatre facteurs combinés expliquent pourquoi le LiDAR 2D est souvent utilisé pour la robotique dans le domaine de la logistique, où ils opèrent sur une surface plane et où la capture de données en deux dimensions est presque toujours suffisante. Ici, les obstacles et les points de navigation pertinents existent sur le même plan, de sorte qu’il n’est pas nécessaire de disposer de données sur le plan vertical.
Quelles sont les limites du LiDAR 2D ?
Les deux principaux inconvénients du LiDAR 2D sont les informations limitées sur la profondeur et la possibilité d’utilisation dans des conditions environnementales extrêmes.
– Informations limitées sur la profondeur : le principal inconvénient du LiDAR 2D est que les informations sur la profondeur sont limitées. Les mesures de profondeur dans le cadre du système LiDAR 2D se rapportent à la mesure de la distance par rapport à un objet. Le 2D LiDAR ne balayant qu’un seul plan, il ne peut mesurer la profondeur qu’à l’intérieur de ce plan. Cela signifie que les objets situés en dehors du plan de balayage ne seront pas détectés par le capteur, ce qui peut limiter l’application du LiDAR 2D. Par exemple, un capteur LiDAR 2D monté sur un robot orienté horizontalement peut mesurer la distance entre des objets situés sur le même plan horizontal, mais ne détectera pas les objets situés au-dessus ou au-dessous de ce plan.
– Performance limitée dans des conditions environnementales telles que la pluie ou le brouillard. Ces derniers dispersent les faisceaux laser et affectent la précision des données. Vous trouverez dans un autre article une discussion plus détaillée sur le LiDAR et son utilisation dans différentes conditions météorologiques.
Présentation du LiDAR 3D
Maintenant que nous savons ce qu’est le 2D LiDAR et comment il est utilisé dans la pratique, nous allons examiner le 3D LiDAR avant de le comparer au 2D LiDAR.
Qu’est-ce que le LiDAR 3D et comment fonctionne-t-il ?
Similaire au 2D LiDAR, le 3D LiDAR utilise des lasers pour mesurer les distances en chronométrant la réflexion du faisceau laser sur les surfaces. La répétition de ce processus des millions de fois crée un nuage de points 3D où tous les points 3D sont stockés. Générant des millions de points de données par seconde, les systèmes 3D LiDAR offrent des données cartographiques extrêmement précises et détaillées. Un système de balayage laser 3D capture et stocke directement un nuage de points 3D qui constitue la base des produits 3D dérivés, y compris les cartes et les modèles.
Le LiDAR 3D est capturé à l’aide d’une plate-forme statique ou mobile sur laquelle le scanner est monté. Les différences entre la numérisation LiDAR mobile et statique sont expliquées dans un autre article. Le fonctionnement des scanners 3D LiDAR est expliqué dans un autre article. Les données LiDAR 3D peuvent également être capturées depuis l’air, ce qui constitue une catégorie différente de numérisation LiDAR. Le drone est aujourd’hui une plateforme populaire pour la capture LiDAR, qui fait l’objet d’un autre article.
Quels sont les avantages du LiDAR 3D ?
Les avantages du LiDAR 3D sont multiples. En voici quelques-unes :
– Haute précision : le balayage laser 3D permet d’obtenir des mesures 3D précises, ce qui est bénéfique pour les applications où la précision est importante.
– Capture rapide des données : de grands volumes de données ponctuelles sont capturés par seconde, pour des délais d’exécution rapides et des coûts de projet réduits.
– Polyvalence : la numérisation laser 3D peut être utilisée pour capturer un large éventail d’objets, de textures et de matériaux.
– Capturez une fois, utilisez souvent : les données du nuage de points capturées peuvent être utilisées pour créer une multitude de cartes et de modèles.
Cas d’utilisation du LiDAR 3D
Les applications qui requièrent l’exactitude et la précision des données 3D LiDAR sont les suivantes :
– Levés et cartographie : la précision au niveau du centimètre est obtenue en utilisant le LiDAR 3D et des techniques supplémentaires telles que le PPK, le RTK et les points de contrôle au sol.
– L’exploitation minière : les calculs volumétriques précis des mines à ciel ouvert sont un cas d’utilisation populaire du LiDAR par drone.
• Construction et ingénierie : suivi des projets de construction.
• Patrimoine numérique et archéologie: le LiDAR 3D est une technologie sûre et sans contact. Les scanners 3D ne doivent donc pas toucher l’objet scanné. Il s’agit donc d’une technologie idéale pour capturer des objets délicats ou fragiles et des sites contenant de tels objets, par exemple depuis les airs à l’aide d’un système LiDAR par drone.
Quelle est la différence entre le LiDAR 3D et le LiDAR 2D ?
La principale différence entre les deux systèmes est que le second capture des données en trois dimensions, alors que le LiDAR 2D ne capture des données que sur un seul plan. En d’autres termes, le 3D utilise plusieurs lasers à différents angles, ce qui permet d’obtenir des volumes de données plus importants, mais aussi davantage d’informations sur l’environnement, car une plus grande partie de cet environnement est couverte par le balayage laser 3D.
Cela s’explique peut-être mieux en utilisant une métrique appelée champ de vision (FoV), qui exprime la zone observable qu’un scanner laser peut capturer en 3D à partir d’une certaine distance. La principale différence entre un scanner laser 2D et 3D est le champ de vision vertical d’un scanner laser 3D, qui varie généralement de 30° à 90°, en fonction du nombre de couches ou de plans que le capteur peut balayer. Pour un scanner laser 2D, la couverture horizontale est généralement de 180° à 360°, mais il n’y a pas de balayage vertical : le scanner ne peut pas capturer d’informations au-dessus ou au-dessous de ce plan.
La capture d’une plus grande étendue a un prix, car les scanners LiDAR 3D sont plus chers que les capteurs 2D. En plus de capturer des données plus nombreuses et plus précises, ils couvrent également de plus grandes distances que les capteurs 2D LiDAR : jusqu’à 200 mètres, contre 40 mètres pour les capteurs 2D LiDAR. Les capteurs 3D LiDAR sont souvent intégrés dans un système de numérisation avec plus de matériel qu’un simple capteur : un IMU et un récepteur GPS sont également nécessaires pour capturer des données de positionnement précises pendant la numérisation. Les scanners laser 3D sont donc moins portables que les scanners 2D, bien que les scanners laser 3D soient plus performants que les scanners 2D pour cartographier des environnements complexes et reconnaître des objets mobiles et statiques, car ils capturent des données plus nombreuses et plus précises autour d’eux.
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Questions fréquemment posées
Quelles sont les industries qui préfèrent le LiDAR 2D au LiDAR 3D ?
Les industries qui s’appuient sur des solutions robotiques préfèrent souvent le LiDAR 2D au LiDAR 3D, notamment dans les domaines de la sécurité, de la fabrication et de la logistique.
Quels sont les avantages du LiDAR 3D ?
Le système LiDAR 3D permet de capturer rapidement et en toute sécurité de grands volumes de données 3D précises et exactes. Les données du nuage de points peuvent être saisies une seule fois et utilisées à plusieurs reprises pour différents produits.
Comment fonctionne le LiDAR 2D ?
Le LiDAR 2D est une technologie de détection qui utilise la lumière pour mesurer les distances entre sa source et une cible. Le LiDAR 2D capture des données à partir d’une coupe transversale plane, horizontale ou verticale d’une zone d’intérêt, afin de produire un nuage de points ou une carte en 2D.
Que signifie LiDAR 3D ?
Le système 3D LiDAR capture la zone environnante en 3D, grâce à des millions de lasers émis dans toutes les directions autour de l’appareil de balayage. Les mesures de distance obtenues sont stockées dans un nuage de points 3D, qui montre une représentation 3D d’une zone d’intérêt.
Quelle est la différence entre les capteurs LiDAR 2D et 3D ?
Le 2D LiDAR capture moins d’informations sur l’environnement que le 3D LiDAR, car il ne peut pas capturer d’informations au-dessus ou au-dessous du plan horizontal. Les données qui en résultent sont également moins précises et ont une portée inférieure à celle d’un capteur LiDAR 3D.
