Лазерная навигация¶

Лазерная навигация — это совокупность методов и устройств, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве с использованием лазерного излучения. В основе лазерной навигации лежит измерение времени распространения лазерного луча до отражающей поверхности (или до приёмника) и обратно, а также анализ угловых параметров отражённого сигнала. Технология применяется в автономных транспортных средствах, робототехнике, геодезии, аэрокосмической отрасли и промышленности.

¶Принцип действия

Лазерная навигация основана на измерении расстояний до объектов с помощью лазерного дальномера (лидара — Light Detection and Ranging). Лазерный луч, испускаемый источником, отражается от препятствий или специальных маркеров, после чего возвращается к приёмнику. По времени задержки сигнала (метод Time-of-Flight, ToF) или по изменению фазы модулированного излучения вычисляется расстояние. Для определения угловых координат используется сканирование луча (поворот зеркала или механическое вращение датчика) либо фазированные решётки (твердотельные лидары).

В системах навигации дополнительно применяются лазерные гироскопы и лазерные акселерометры, работающие на эффекте Саньяка (измерение разности фаз встречных лазерных лучей в кольцевом резонаторе). Они позволяют определять угловую скорость и ускорение объекта без внешних ориентиров, что критично для инерциальных навигационных систем.

¶История

Первые эксперименты по использованию лазеров для измерения расстояний начались вскоре после создания лазера в 1960 году Теодором Майманом. В 1962 году был построен первый лазерный дальномер. В 1970-х годах лазерные гироскопы начали применяться в авиации и ракетной технике (например, в американских ракетах «Трайдент»). В СССР разработки лазерных навигационных систем велись в Институте общей физики АН СССР и на предприятиях оборонной промышленности.

Широкое распространение лазерная навигация получила с развитием робототехники и беспилотных автомобилей в 2000-х годах. Компания Velodyne в 2007 году представила первый коммерческий 3D-лидар для автономных транспортных средств. В России исследования в этой области проводятся в МГТУ им. Н. Э. Баумана, Институте проблем управления РАН и на предприятиях «Роскосмоса».

¶Классификация

¶По типу используемого лазерного излучения

Импульсные системы — измеряют время прохождения короткого лазерного импульса. Используются для дальномеров и лидаров с дальностью до нескольких километров.
Фазовые системы — измеряют сдвиг фазы непрерывного модулированного излучения. Обеспечивают более высокую точность на малых расстояниях (до 100 метров).
Частотные системы — основаны на измерении частоты биений при отражении от движущихся объектов (эффект Доплера). Применяются в лазерных доплеровских измерителях скорости.

¶По методу сканирования

Механические — вращение зеркала или всего датчика. Обеспечивают обзор до 360°, но имеют ограниченный ресурс и чувствительны к вибрациям.
Твердотельные (MEMS) — микроэлектромеханические зеркала, управляемые электрическим полем. Компактны, надёжны, но имеют меньший угол обзора (обычно до 120°).
Фазированные решётки (OPA) — управление направлением луча без движущихся частей, за счёт изменения фазы в массиве лазерных излучателей. Перспективная технология для массового производства.

¶По назначению

Лазерные дальномеры — измерение расстояния до одной точки.
Лидары (LIDAR) — построение трёхмерной карты окружающего пространства.
Лазерные гироскопы — измерение угловой скорости.
Лазерные акселерометры — измерение линейного ускорения.
Лазерные системы навигации по маркерам — определение положения относительно установленных отражателей.

¶Устройство и характеристики

Типичная лазерная навигационная система включает:

Лазерный источник (полупроводниковый, твердотельный или газовый; длина волны обычно 905 нм, 1550 нм или 532 нм).
Оптическую систему (коллиматор, сканирующее зеркало, объектив).
Фотоприёмник (лавинный фотодиод, PIN-фотодиод).
Блок обработки сигнала (микроконтроллер, FPGA или специализированный чип).
Блок питания и интерфейсы связи (Ethernet, CAN, USB).

Ключевые характеристики:

Дальность действия — от нескольких сантиметров до десятков километров (в зависимости от мощности и атмосферных условий).
Точность — от миллиметров (фазовые системы) до нескольких сантиметров (импульсные).
Угол обзора — от 30° до 360°.
Частота сканирования — от 10 Гц до 1000 Гц.
Разрешение — количество точек в секунду (от 10 000 до нескольких миллионов).

¶Применение

¶Автономные транспортные средства

Лазерная навигация является ключевым компонентом систем управления беспилотных автомобилей, дронов и роботов. Лидары позволяют строить карту окружения, распознавать препятствия, дорожные знаки, разметку и другие транспортные средства. В России разработки в этой области ведут компании «Яндекс» (беспилотные такси) и «КамАЗ» (беспилотные грузовики).

¶Геодезия и картография

Лазерное сканирование (LiDAR) с воздуха (воздушное лазерное сканирование) или с земли (наземное лазерное сканирование) используется для создания цифровых моделей рельефа, топографических карт, мониторинга зданий и инфраструктуры. Точность достигает 1–2 см.

¶Аэрокосмическая отрасль

Лазерные гироскопы и акселерометры применяются в инерциальных навигационных системах ракет, спутников и самолётов. Они обеспечивают высокую точность ориентации в условиях отсутствия сигналов GPS. В России такие системы используются на космических аппаратах серии «Глонасс» и на ракетах-носителях «Протон».

¶Промышленная робототехника

Лазерные дальномеры и лидары устанавливаются на промышленных роботах для автоматической навигации по цеху, позиционирования деталей и контроля качества сварки. Системы лазерной навигации по маркерам (ретрорефлекторам) применяются на автоматизированных складских тележках (AGV).

¶Военная техника

Лазерные дальномеры и целеуказатели используются в системах наведения танков, вертолётов и артиллерии. Лазерные гироскопы — в системах управления ракет и торпед. В России разработаны лазерные навигационные комплексы для танков Т-90 и вертолётов Ка-52.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая точность (до миллиметров) на расстояниях до сотен метров.
Независимость от внешних источников сигнала (GPS, сотовая связь) — работает в закрытых помещениях и под землёй.
Возможность построения трёхмерной карты окружения в реальном времени.
Устойчивость к электромагнитным помехам.

Недостатки:

Зависимость от погоды (туман, дождь, снег сильно ослабляют лазерный луч).
Высокая стоимость (особенно у механических лидаров с большим углом обзора).
Ограниченная дальность (обычно до 200–300 метров для атмосферных условий).
Необходимость в чистой оптике (загрязнение линз снижает точность).

¶Интересные факты

Первый лазерный дальномер был создан в 1962 году в США для измерения расстояния до Луны (точность около 1 метра).
В 2019 году компания Velodyne представила лидар с разрешением 128 линий, способный различать объекты на расстоянии до 300 метров.
В России лазерные гироскопы используются в системе управления ракетного комплекса «Искандер».
Для снижения стоимости лидаров разрабатываются твердотельные системы на основе кремниевых фотонных интегральных схем.

¶Источники

Лазерная навигация: принципы, методы, системы / под ред. В. А. Боровикова. — М.: Наука, 2015.
Технологии LiDAR: от теории к практике / А. В. Голубков, Д. А. Козлов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2020.
Инерциальные навигационные системы на лазерных гироскопах / В. И. Клюев. — М.: Машиностроение, 2018.
Патент РФ № 2687892 «Способ лазерной навигации автономных транспортных средств» (2019).
Отчёт НИР «Разработка твердотельного лидара для беспилотных автомобилей» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2022).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →