Lidar wordt steeds vaker toegepast in autonome systemen en robots. De technologie maakt het mogelijk om de omgeving in 3D waar te nemen en objecten nauwkeurig te detecteren. Dat is waardevol voor machines die moeten navigeren, obstakels moeten herkennen of hun omgeving in kaart moeten brengen. Door naar toepassingen buiten de agromarkt te kijken, ontstaan nieuwe ideeën hoe sensortechnologie zoals lidar in landbouwmachines waarde kan toevoegen. 

Landbouwmachines kunnen veiliger navigeren, obstakels vermijden en hun omgeving beter begrijpen bij toepassing van lidar. Ook in situaties met modder, trillingen en wisselende lichtomstandigheden. Door te leren van toepassingen in andere sectoren ontstaan nieuwe ideeën voor praktische lidar-toepassingen in de agro. Daarbij maken we gebruik van robuuste lidars van Ouster, die goed presteren onder zware omstandigheden.

Uitdagingen in de agromarkt

Sensorintegratie in landbouwmachines brengt een aantal typische uitdagingen met zich mee:

Sensoren moeten dus niet alleen nauwkeurig zijn, maar ook robuust en betrouwbaar in zware omstandigheden. Dit zijn precies de omstandigheden waar veel autonome systemen in andere sectoren ook mee te maken hebben.

3 praktijkvoorbeelden van lidar-toepassingen

Voorbeeld 1: autonome robots

Trombia ontwikkelt autonome elektrische straatvegers die zelfstandig straten reinigen. Voor navigatie en obstakeldetectie gebruiken deze machines lidar-sensoren.

De uitdagingen van een autonome veegmachine hebben overlap met autonome toepassingen in de agrarische sector. Zo moet de machine betrouwbaar blijven functioneren in een omgeving met veel vuil in de lucht, wisselende weersomstandigheden en complexe objecten zoals stoepranden, voertuigen en voetgangers. 

ouster-trombia-autonome-robots
In deze toepassing maakt Ouster’s digitale lidar continu een 3D-beeld van de omgeving. Zo detecteert de machine obstakels en navigeert hij veilig.

Omdat lidar een actieve sensor is met een eigen lichtbron, werkt hij ook in het donker zonder extra verlichting. In situaties met stof of wisselend licht – waar camera’s moeite hebben – blijft lidar betrouwbaar functioneren.

In autonome agro-toepassingen moet een machine obstakels kunnen herkennen, veilig langs objecten navigeren en betrouwbaar blijven functioneren in een omgeving met stof en vuil. In de agro vertaalt dit naar bijvoorbeeld de onderstaande toepassingen:

Voorbeeld 2: autonome off-road voertuigen

Forterra ontwikkelt technologie waarmee defensievoertuigen zelfstandig kunnen rijden in uitdagende off-road omgevingen. Denk aan terrein zonder rijstroken, met weinig zicht, slecht weer en beperkte GPS. Hun systemen zorgen dat voertuigen onder deze zware omstandigheden veilig, stabiel en betrouwbaar blijven functioneren.

Lidar is een van de belangrijkste sensoren in de oplossingen van Forterra. Het zorgt voor een continu en nauwkeurig 3D-beeld van de omgeving, rondom het hele voertuig. Met de digitale lidar-sensoren worden afstanden en obstakels nauwkeurig gemeten. Daardoor kunnen deze autonome voertuigen veilig rijden, zonder rijstroken of vaste referentiepunten.

ouster-forterra-autonome-off-road-voertuigen
In omgevingen waar zicht en GPS minder betrouwbaar zijn blijft lidar goed functioneren. Zo kunnen de voertuigen in complexe en onvoorspelbare situaties veilig blijven navigeren.

In de landbouw komen vergelijkbare uitdagingen voor, zoals offroad-navigatie, wisselend weer en vervuiling. Autonome oplossingen helpen het personeelstekort op te vangen, bijvoorbeeld:

Voorbeeld 3: mapping met drones

Deep Forestry ontwikkelt autonome inspectiedrones die met lidar complexe omgevingen scannen en in kaart brengen.

undefined
Deze drone gebruikt een Ouster lidar systeem om een 3D-kaart van het bos te maken. Het systeem bepaalt de afstand tot elke boom en elk oppervlak en genereert zo een gedetailleerde puntenwolk van terrein en vegetatie.

In de landbouw kan lidar op een vergelijkbare manier worden ingezet als in bosbouw: het maakt een nauwkeurig 3D‑beeld van het terrein en de gewassen, waarmee analyses en slimme toepassingen mogelijk worden, bijvoorbeeld voor precisielandbouw. Voorbeelden van agro‑toepassingen zijn:

lidar-ouster-point-cloud

Een point cloud-beeld, gegenereerd door een lidar-sensor. De omgeving is zichtbaar als duizenden meetpunten die samen een 3D-beeld vormen. Dit is wat een lidar ‘ziet’: een nauwkeurige 3D-weergave op basis van afstand en reflectie. Objecten zoals muren, voertuigen en obstakels zijn zichtbaar als duidelijke vormen in de puntenwolk.

Aandachtspunten bij integratie lidar

Voor OEM’s die lidar willen integreren in landbouwmachines is meer nodig dan alleen het plaatsen van de sensor. Lidar-systemen bieden voordelen, maar het succes hangt sterk af van hoe ze worden geïntegreerd, en hoe de data wordt verwerkt. Enkele belangrijke aandachtspunten zijn:

Praktische lidar-integratie met Ouster en Sentech

Voor de integratie van digitale lidar-sensoren werken we samen met onze partner Ouster. Hun sensoren vormen de rode draad in de praktijkvoorbeelden uit dit blog.

Samen brengen we de technologie in de praktijk: Ouster met de hardware, en Sentech met lokale ondersteuning en integratiekennis in Nederland. Zo maken we de stap van sensor naar werkende oplossing voor machinebouwers.

Praktische lidar-integratie met Ouster en Sentech

Voor de integratie van digitale lidarsensoren werken we samen met onze partner Ouster. Hun sensoren spelen een centrale rol in alle praktijkvoorbeelden in deze blog.

Samen zetten we de technologie om in praktische toepassingen: Ouster levert de hardware en Sentech biedt lokale ondersteuning en integratie-expertise in Nederland. Zo helpen we machinebouwers de kloof tussen sensor en werkende oplossing te overbruggen.

Naast ultrasoon en radar wordt ook lidar steeds vaker ingezet voor afstandsmetingen en navigatietoepassingen in de agrarische sector. Lidar staat voor light detection and ranging. Vergelijkbaar met radar profiteert ook deze technologie van vergaande miniaturisatie en integratie tot op chipniveau.

Waar ultrasoon werkt met geluid en radar met radiogolven, doet lidar het met lichtpulsen. De grote hoeveelheid lasers op een chip zorgt voor een 3D-puntenwolk aan reflecties met zo’n hoge resolutie en precisie dat de omgeving rondom de sensor tot op de millimeter in kaart kan worden gebracht.

Lidar in navigatie-toepassingen

Lidar wordt met regelmaat ingezet in navigatie-toepassingen en fungeert als de ogen van een Automated Guided Vehicle (AGV) zoals een autonoom landbouwvoertuig. Op basis van alle reflecties die het ronddraaiende sensorsysteem terugmeet, krijgt bijvoorbeeld een landbouwvoertuig een fijnmazig beeld van zijn omgeving zodat hij over het veld kan navigeren en obstakels kan omzeilen.

Omdat lidar razendsnel is en ook tijdens beweging kan meten, is de technologie geschikt om met een AGV de groei in een fruitboomgaard nauwkeurig te monitoren; handig als er automatisch wordt gesnoeid. Of hang een lidar onderaan een drone en breng de gewassen van bovenaf in kaart. Hoewel de lichtpulsen van een lidar minder goed door gewassen dringen dan radargolven, biedt de puntenwolk met 5 miljoen datapunten per seconde veel details om de grond en de gewashoogte te meten.

lidar-os1-weersbestendig-in-de-regen
De lidar OS1 van onze technologiepartner Ouster zorgt voor betrouwbare afstandsmetingen, zelfs onder regenachtige en uitdagende omstandigheden

Als je héél nauwkeurig wilt meten

Lidar is veel nauwkeuriger dan radar en geschikt om tot op de millimeter objecten, terreinen of gewashoogtes te detecteren. Het is zeer goed bestand tegen uitdagende weersomstandigheden, stof en vuil, en zeer lage en zeer hoge temperaturen. Wel is lidar vrij kostbaar in vergelijking met radar en ultrasoon.

Voorbeelden van lidar-toepassingen

Wil je meer concrete voorbeelden zien van hoe lidar in de landbouw kan worden toegepast? In dit blog bespreken we drie praktijkvoorbeelden, van autonome off-road voertuigen tot mapping met drones. Je leest hoe sensortechnologie in andere sectoren inspiratie kan bieden voor slimme agro-toepassingen.

In meetuitdagingen waar driedimensionale omgevingsperceptie nodig is, denk aan navigatie, objectdetectie of omgevingsbewaking, is lidar vaak de meest geschikte technologie. 

We hebben Ouster toegevoegd aan ons technologieportfolio, een gerespecteerde producent van digitale lidar-sensoren voor industriële automatisering, robotica, mobiliteit en slimme infrastructuur. 

Sentech werkt technologie-onafhankelijk: de applicatie bepaalt welke sensor het beste past, en onze technologiepartners selecteren we op kwaliteit, roadmap en continuïteit. Ouster voldoet aan die standaard.

Wanneer is lidar de juiste keuze?

Lidar is relevant wanneer nauwkeurige 3D-data nodig is in dynamische of complexe omgevingen. Denk aan AGV’s en mobiele robots die veilig moeten navigeren, machineveiligheid waarbij objecten op korte afstand betrouwbaar gedetecteerd moeten worden, of infrastructuurmonitoring waarbij een volledig ruimtelijk beeld nodig is.

De digitale architectuur van Ouster onderscheidt zich op een aantal punten die voor engineers praktisch relevant zijn:

lidar-genereert-3d-puntenwolk
Deze 3D-puntenwolk is gegenereerd door een lidar en laat duizenden meetpunten zien die samen een 3D-beeld van de omgeving vormen. Hiermee kunnen machines objecten herkennen en veilig navigeren.


Onze aanpak verandert niet

Ouster vergroot ons technologische speelveld. We starten altijd bij jouw applicatie: wat is de meetuitdaging, wat zijn de omgevingseisen, en wat is de beste technologische keuze? Soms is dat lidar. Soms radar, vision of een andere sensortechnologie. Wij selecteren en bouwen de oplossing volledig in eigen huis: van engineering en (maatwerk)assemblage tot validatie en supplychain management.

“Ouster bouwt lidar-sensoren die presteren waar het erop aankomt: in complexe omgevingen, over langere tijd, in uiteenlopende toepassingen. Dat sluit aan op wat onze klanten van ons verwachten, en op wat wij van onze technologiepartners verwachten.”

Egbert Stellinga – Product Manager, Sentech

Benieuwd of lidar past in jouw toepassing?

Werk je aan een machine of systeem waarbij 3D-omgevingsperceptie een rol speelt? Dan denken we graag met je mee of Ouster de juiste keuze is, hoe die integreert in jouw systeem, en wat dat betekent voor je ontwikkeltraject.

Neem dan gerust contact met ons op

Lidar is volwassen geworden als optische sensortechnologie. Hoewel het principe eenvoudig is, kostte het decennia om de technologie toegankelijk voor consumenten- en b2b-markten te maken. Het is dankzij de chiptechnologie een betaalbare techniek voor detectie en afstandsbepaling geworden. Fabrikanten van lidar-technologie maken de zelfrijdende auto mogelijk. In dit artikel lees je alle ins en outs van deze veelzijdige sensortechniek.

Lidar vindt zijn oorsprong in de lucht- en ruimtevaart. In vliegtuigen wordt de lasertechniek al langer gebruikt voor hoogtemeting ten opzichte van het onderliggende terrein. Naast autofabrikanten omarmen ook andere branches de voordelen van deze sensoren voor autonome bewegingstoepassingen. Zo wordt lidar toegepast in bijvoorbeeld Automated Guided Vehicles (AGV’s) en Autonomous Mobile Robots (AMR’s).

Ad Mulders, accountmanager bij Sentech, ziet veel beweging in de diverse markten. “Tegenwoordig worden lidar sensoren efficiënter en in grotere volumes geproduceerd. Daardoor zijn ze nu betaalbaarder voor integratie in applicaties.”

Mulders denkt verder vooruit. “Wij focussen op het integreren van lidar en radar in één compacte sensormodule. Met sensor fusion benut je de voordelen van beide detectietechnieken.”

New call-to-action

Historie van Lidar

Lidar is ontstaan vlak na de uitvinding van de laser, in de jaren 60 van de vorige eeuw. Tijdens de Apollo 15-missie werd het gebruikt om het maanoppervlak gedetailleerd in kaart te brengen. De term was oorspronkelijk een combinatie van de woorden LIght en raDAR. Inmiddels is het verworden tot een afkorting van LIght Detection And Ranging, of Laser Imaging Detection And Ranging.

Tot voor kort werd de optische technologie vooral gebruikt voor onderzoek naar de atmosfeer en meteorologie, en toegepast in de lucht- en ruimtevaart. Doordat de technologie steeds verfijnder en goedkoper is geworden, hebben ook andere branches de technologie omarmd voor autonome bewegingstoepassingen.

Wat is lidar?

Het principe van lidar is eenvoudig. De optische meettechniek wordt op twee manieren ingezet. Als time-of-flight-lidar, om de afstand tot een object te bepalen; en als Doppler-lidar, om de snelheid van objecten te bepalen. De werking is vergelijkbaar met radar, dat werkt met radiogolven. Licht heeft een veel kleinere golflengte waardoor lidar kleinere objecten kan detecteren en scannen.

Het uitgezonden licht wordt gereflecteerd door het doelwit. De tijd tussen zenden en ontvangen wordt gebruikt voor afstandsmeting.

Lidar technologie

Bovendien verandert het doelwit de eigenschappen van het uitgezonden licht, afhankelijk van de materiaalsamenstelling en snelheid. Dat levert een lidar-instrument informatie op, waarmee onder andere de samenstelling en snelheid van het object bepaald kunnen worden.

Lidar gebruikt infrarood, zichtbaar of ultraviolet licht om objecten te scannen. Het kan een breed scala van materialen en objecten detecteren. Denk aan metalen en niet-metalen objecten, aerosolen, wolken, chemische stoffen, regen, stenen en zelfs één enkele molecuul.

De golflengten van de lichtbronnen variëren al naar gelang het doelwit. Het spectrum strekt zich uit van 10 micrometer (infrarood) tot ongeveer 250 nanometer (ultraviolet). Het uitgestraalde licht wordt weerkaatst door verstrooiing.

Afstandsbepaling met lidar

Het time-of-flight-principe wordt gebruikt om de afstand tussen het lidar-instrument en een object te bepalen. Een zender zendt lichtpulsen uit. Een ontvanger meet de tijdsduur tussen zenden en ontvangen van gereflecteerde fotonen.

Volgens de formule: d= (c × t)/(2 × n). ‘D’ staat voor de afstand in meters, ‘c’ voor de lichtsnelheid in vacuüm, ’t’ voor de tijdsduur in seconden en ‘n’ voor de brekingsindex van de lucht.

Snelheidsbepaling met lidar

Met lidar is het ook mogelijk de snelheid van een bewegend object te bepalen. Het instrument maakt daarbij gebruik van het Dopplereffect. Het natuurkundige fenomeen ontstaat wanneer een bron (of ontvanger) van golven beweegt ten opzichte van een medium.

Voor lichtbronnen geldt de volgende formule: v=(T1/T2-1) × c/n. ‘T’ staat voor de golfperiodes.

Meer informatie over het doelwit

Van recentere aard zijn geavanceerde lidar-toepassingen voor atmosferisch onderzoek. De verandering van de samenstelling van het teruggekaatste licht geeft informatie over het doelwit. Deze toepassingen meten bijvoorbeeld luchtvervuiling op basis van absorptie van licht door moleculen. Dit type staat ook bekend als DIAL (Differential Absorption Lidar).

Lidar technologie 3D sensor schets

Hoe werkt lidar?

Grofweg kan lidar in twee detectiemethoden onderverdeeld worden: incoherente of directe energiedetectie, en coherente detectie. Incoherente systemen meten de veranderingen in golfhoogte (amplitude) in het gereflecteerde licht. Coherente systemen meten de verschillen in golflengte (fase) en zijn geschikt voor snelheidsmeting.

Lichtpulssystemen

Er zijn twee systemen voor het genereren van lichtpulsen: micropuls-systemen en hoogenergetische systemen.

Micropulssystemen genereren onderbroken energiestralen. Ze zijn ontstaan dankzij de vooruitgang van lasertechnologie, gecombineerd met de alsmaar groeiende rekenkracht van microprocessoren. Deze systemen gebruiken aanzienlijk minder energie, waardoor ze veilig voor mens en dier zijn.

De krachtige hoogenergetische systemen gebruiken veel meer energie en worden vooral gebruikt voor atmosferisch onderzoek.

Samenstelling lidar-sensor

Een lidar-sensor bestaat in principe uit vier onderdelen.

  1. Lichtbron
    Dat kan een laser-, led- of vcsel-diode zijn, die licht in pulsen uitzendt.
  2. Scanner en optiek
    Deze onderdelen geleiden het licht – bijvoorbeeld via een oscillerende spiegel en/of (asferische) lens – naar buiten. Een lens bundelt het gereflecteerde licht naar een fotodetector.
  3. Fotodetector en elektronica
    Afhankelijk van het meetdoel wordt het licht opgevangen in een fotodetector, bijvoorbeeld een solid-state-fotodiode. Elektronica verwerkt de beeldgegevens digitaal.
  4. Positie- en navigatiesysteem
    Mobiele lidar-systemen hebben een gps-systeem nodig om de exacte positie en oriëntatie van de sensor te bepalen.

De verschillende lidar-systemen hebben een vergelijkbare output gemeen. Dat is een 3d-puntenwolk die op een kaart of bewegend beeld kan worden geprojecteerd. De sensor genereert zo een gedetailleerd beeld van zijn omgeving, maar kan ook additionele informatie over die omgeving geven.

Er zijn ook lidar-systemen die puur bedoeld zijn voor detectie en afstandsbepaling. Fabrikanten zoals Velodyne en Leddartech hebben dit specialisme geperfectioneerd en verfijnd, zodat ze geschikt zijn voor lidar-drones, -AGV’s en zelfrijdende auto’s. Later meer over de samenwerking tussen Sentech en Leddartech.

Lidar driver assistance

Lidar-sensortoepassingen

Lidar dankt zijn populariteit aan de nauwkeurigheid en hoge resolutie waarmee wetenschappers de wereld, onder water, aan het oppervlak en in de lucht in kaart hebben kunnen brengen. Tot voor kort was het nog een dure aangelegenheid en werd vooral voor onderzoek toegepast, en commercieel alleen in de lucht- en ruimtevaart.

Door kostendaling en technologische vooruitgang – vooral in kleinschaligheid, betrouwbaarheid en duurzaamheid – is lidar ook toegankelijk geworden voor een breed scala van commerciële toepassingen. Bijvoorbeeld in autonome voertuigen en robots.

Landbouw: detectie en autonome bewegingsfuncties

De landbouw kan lidar op verschillende manieren toepassen. Als meetinstrument in drones om grond topografisch in kaart te brengen en de gegevens te combineren met de opbrengst van gewassen. Zo kun je bepalen welke gebieden extra aandacht nodig hebben. Of voor autonoom bewegende voertuigen (AGV’s) in en om stallen en akkers, die de objecten en obstakels in hun omgeving detecteren.

Biologie en natuurbescherming

Lidar helpt overheden, wetenschappers en niet-gouvernementele organisaties om natuurgebieden in kaart te brengen en te beschermen. Bijvoorbeeld door boomhoogte, biomassa en biodiversiteit te meten.

Meteorologie en luchtkwaliteit

Meteorologische lidar-toepassingen ontstonden als eerste na de uitvinding van de laser. Tientallen jaren van doorontwikkeling hebben geleid tot geavanceerde systemen die een breed spectrum van meteorologische omstandigheden meten. Ze kunnen onder andere wolken in kaart brengen, windsnelheden meten, aerosolen bestuderen en de samenstelling van de lucht bepalen.

Daarmee helpt lidar om het klimaat en broeikasgassen, luchtvervuiling, branden, luchtvochtigheid en andere luchtcomponenten te bestuderen.

Lidar velabit

Autonoom rijden met lidar

Diverse autofabrikanten, Google en Intel ontwikkelen momenteel zelfrijdende auto’s. Volgens accountmanager Ad heeft elke fabrikant of ontwikkelaar zijn eigen voorkeur voor de technologische hulpmiddelen.

“Zo past Tesla radar toe, en combineert Google juist lidar en radar. Intel vertrouwt daarentegen volledig op cameratechnologie. Wat alle fabrikanten gemeen hebben, is dat ze visuele (camera)beelden met sensorinformatie combineren.”

“Die combinatie is nodig om veiligheid en betrouwbaarheid te waarborgen onder alle omstandigheden. Als door een verstoring een technologie faalt, zal de andere technologie nog wel detecteren en ingrijpen om naar een veilige modus te gaan”, aldus de accountmanager.

Lidar wordt in deze branche gebruikt voor detectie van objecten en afstandsbepaling rondom het voertuig. Mulders: “Het gaat om voertuigen in de breedste zin van het woord. Lidar wordt ook toegepast in zelfrijdende heftrucks in magazijnen, landbouwmachines, et cetera.”

Evolutie lidar – kleiner en goedkoper

De hoge kosten en omvang van lidar-systemen waren een belemmering voor commerciële toepassing in zelfrijdende voertuigen. Volgens het gerenommeerde weekblad The Economist kon een commercieel lidar-systeem in 2016 nog z’on 50.000 dollar kosten.

Daar is verandering in gekomen. Diverse sensorfabrikanten, zoals Velodyne, Infineon en LeddarTech, ontwikkelen en produceren momenteel al kleinere en veel goedkopere lidar-sensoren. Dankzij geavanceerde en goedkoper wordende chiptechnologie.

Alle sensordelen (laser, optiek en verwerking) kunnen daardoor op chipniveau gefabriceerd worden. Asferische lenzen elimineren de noodzaak voor bewegende spiegels om het licht breed te kunnen spreiden.

Lidar-sensorfabrikanten

Infineon werkt aan een miniatuursysteem: mems-lidar, dat een micro-elektromechanische (mems-)spiegel bevat. Deze geavanceerde minispiegel is uitgevonden door het Nederlandse Innolucence. Naar verwachting gaat een mems-lidar-sensor – met een bereik van 250 meter en een scancapaciteit van 5000 meetpunten per seconde – niet meer dan 250 dollar kosten.

Velodyne kondigde begin 2021 een compacte solid-state-lidar-sensor aan voor autonome voertuigen. LeddarTech loopt voorop in solid-state-lidar-technologie en heeft al een compact lidar-systeem op de markt gebracht: LeddarVU. De complete sensor weegt slechts 107 gram.

LeddarTech koploper in solid-state-lidar

Sentech past solid-state-lidar van LeddarTech toe in autonome bewegingstoepassingen bij verschillende opdrachtgevers. “Bijvoorbeeld op het gebied van agro-technologie”, zegt Ad. “We gebruiken sensortechnologie van LeddarTech voor landbouw-AGV’s.”

Volgens de accountmanager loopt de Canadese sensorfabrikant voorop in solid-state-lidar. “Een groot technisch voordeel is het ontbreken van bewegende onderdelen. Daardoor wordt de sensor robuuster en is hij geschikt voor extreme omstandigheden.”

“Een ander groot voordeel voor ons is dat deze fabrikant modules levert, waardoor wij sensorapplicaties op maat kunnen ontwikkelen”, zegt Mulders.

In een whitepaper over lidar-techniek beschrijft LeddarTech hoe het detectie en afstandsbepaling op een innovatieve wijze aanpakt.

Sensor fusion – voordelen lidar en radar combineren

Radar kan op grotere afstanden detecteren en kan door barrières kijken. “Daarom is radar interessant voor landbouwvoertuigen, omdat het de bodem door gewassen heen kan detecteren”, verklaart Ad.

Daarentegen biedt lidar een breder gezichtsveld en grotere resolutie, en kan het de grootte en vorm van objecten beter bepalen.

Mulders: “Daarom werken we bij Sentech aan sensor fusion van lidar en radar in één geïntegreerde sensortoepassing. Zo kunnen we de voordelen van beide sensortechnologieën benutten, zodat hun afzonderlijke nadelen teniet worden gedaan.”

Meer over zelfrijdende voertuigen

Lidar staat vol in de schijnwerpers als technologie voor zelfrijdende voertuigen. Ook Sentech is volop bezig met de doorontwikkeling, samen met Velodyne, LeddarTech en andere sensorfabrikanten.

Wil je weten hoe sensortechnologie autonoom rijden in een stroomversnelling brengt?

In de defensiesector is het veld geen vergevingsgezinde omgeving. Van zand en stof tot regen en extreme hitte: alleen robuuste sensortechnologieën zoals lidar, radar en hoogwaardige encoders leveren nauwkeurige en betrouwbare metingen, zodat voertuigen en drones hun taken veilig en betrouwbaar kunnen uitvoeren.

Lidar, radar en encoders bieden elk unieke voordelen, afhankelijk van de toepassing: van autonome navigatie en afstandsmetingen tot hoek- en positiemeting. Hieronder bespreken we de kenmerken en toepassingen van deze technologieën in defensietoepassingen.

Lidar: afstanden meten voor autonoom bewegen

Lidar gebruikt laserpulsen om afstanden tot objecten te meten. De technologie creëert een 3D-puntenwolk van de omgeving en maakt zo autonome navigatie mogelijk. Lidar-systemen worden veel toegepast op autonome vlieg-, vaar- en voertuigen zoals mijndetectierobots.

Lidar is zeer nauwkeurig en presteert goed bij wisselende licht- en weersomstandigheden. Er zijn draaiende varianten met een 360-gradenbeeld en compacte solid-state lidars zonder bewegende delen, die daardoor beter bestand zijn tegen slijtage.

lidar-pointcloud-voor-defensie-toepassingen
Een 3D-puntenwolk zegt meer dan duizend woorden. Dit is de output van lidar.

Radar: afstanden en niveaus meten

Radarsensoren meten afstand, snelheid en niveau met behulp van radiogolven. Dankzij het hoge doordringend vermogen van radarsignalen kunnen radars door kunststoffen heen kijken. Daardoor zijn de modules eenvoudig in te bouwen en inzetbaar in zware en ruwe omstandigheden. Weersinvloeden en vervuiling hebben geen invloed op de meetresultaten.

Radarsensoren zijn zeer geschikt voor defensietoepassingen en de specifieke uitdagingen van die sector. Ze worden niet alleen gebruikt voor snelheids- en afstandsmetingen, maar ook voor niveaumetingen in bijvoorbeeld silo’s en tanks.

Encoders: positie- en hoekmeting

Encoders meten positie, snelheid en richting van een bewegend object. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende technologieën. Voor positie- en hoekmetingen zijn inductieve en capacitieve encoders het meest geschikt. Ze meten contactloos, zijn ongevoelig voor vervuiling en voldoen aan de EMC-eisen van de defensiemarkt.

Inductieve encoders werken met elektromagnetische inductie en zijn bijzonder robuust. Capacitieve varianten meten met hoge resolutie en laten zich goed afschermen in een behuizing – ideaal voor ruwe omgevingen.

Download het e-book: robuuste sensorintegraties voor defensievoertuigen en -systemen

Wil je weten hoe je de juiste sensortechnologie kiest en integreert in defensievoertuigen en -systemen? Dit e-book helpt engineers bij OEM’s in de defensie-industrie om praktische keuzes te maken.

Je leest welke sensortechnologieën geschikt zijn voor defensietoepassingen, hoe sensorintegratie volgens MIL-SPEC en EMC bijdraagt aan betrouwbare prestaties onder extreme omstandigheden, hoe een strategisch ingerichte supply chain leveringszekerheid biedt, en krijgt een concreet praktijkvoorbeeld van een hoeksensor in een pantservoertuig.

De vraag is niet of maar wanneer volledig autonoom rijden op de openbare weg eraan komt. De nieuwste Tesla’s kunnen het al en Automated Guided Vehicles (AGV’s) zijn aan de orde van de dag. In de voertuigen van de toekomst komen geavanceerde technologieën samen. Welke sensortechnieken dat zijn en wat hun voor- en nadelen zijn, lees je hier.

Een vliegtuig zonder piloot, of bus zonder bestuurder is binnen afzienbare tijd mogelijk. Alleen wettelijke en psychologische bezwaren staan ons nog in de weg; net zoals de stoomlocomotief in de 19e eeuw voor controverse en uitdagingen zorgde.

“Camera’s en verschillende soorten sensoren in gefuseerde sensorapplicaties zijn de ogen en oren van de toekomstige bestuurders van onze auto’s”, voorspelt business development manager Marco Leeggangers.

De evolutie van autonoom bewegen

Autonoom rijden was een van de hoofdthema’s op de IAA Frankfurt dit jaar. De auto-industrie werkt aan technologieën die volledig autonoom bewegen in de openbare ruimte mogelijk maken.

De autowereld hanteert een schaalniveau van 0 tot 5. Nul staat voor autorijden zoals we al een eeuw gewend zijn, zonder hulpmiddelen. Niveau 5 voor een volledig geautomatiseerde autorit, terwijl jij een boek leest of film kijkt.

Volgens Leeggangers moeten vanaf 2018 alle nieuwe automodellen op niveau 2 geautomatiseerd zijn om een 4- of 5-sterren veiligheidsrating te krijgen. “De auto is dan voorzien van geavanceerde hulpsystemen, Advanced Driver Assitance Systems (ADAS). Zoals Automatic Emergency Breaking, Lane Assistance en Road Edge Detection.”

Tesla heeft de sprong van ADAS naar autonoom gemaakt in zijn nieuwste modellen. De nieuwste versie van Tesla’s Autopilot balanceert al op de grens van niveau 4 en 5.

Bedrijfsmatige toepassingen: AGV’s

Het bedrijfsleven past al langer autonoom bewegende voertuigen (AGV’s) toe voor met name distributietoepassingen. In veel distributiecentra rijden automatische heftrucks rond en vindt orderpicking plaats met robots.

Nederland leidt de innovatie op het gebied van land- en tuinbouwautomatisering met UAV’s (drones) en AGV’s (robots voor het schoonmaken van stallen, voeren van vee, en logistieke handelingen in kassen).

Waarom willen we zelfrijdende voertuigen?

Leeggangers: “In mijn ogen is dit een logisch gevolg van de technologische evolutie. Eigenlijk past autonoom rijden wel bij de digitale revolutie, omdat grote hoeveelheden sensordata verwerkt moeten worden om zelfstandig op de omgeving te reageren. Bovendien maakt de zelfrijdende auto deel uit van het Internet of Things (IoT).”

De voordelen van autonoom bewegende voertuigen zijn legio:

Detectie-uitdagingen voor afstandsmeting en positiebepaling

Om een voertuig autonoom te laten rijden heeft het een alomvattend beeld van de omgeving nodig. Voor het dynamisch genereren van een omgevingsbeeld zijn er vier detectie-uitdagingen.

  1. 1. Het bepalen van de vrije berijdbare ruimte op het wegdek.
  2. 2. Het bepalen van de geografische rijroute via de berijdbare ruimte.
  3. 3. Het signaleren van bewegende objecten (andere weggebruikers en     bewegende obstakels).
  4. 4. Het signaleren en interpreteren van wegsignalering, zoals verkeersborden, verkeerslichten, wegmarkering en andere visuele aanwijzingen.

Sensortechnologie is tegenwoordig zo ver gevorderd dat er voor alle detectie-uitdagingen oplossingen zijn.

Detectiemiddelen voor autonome voertuigen

Voor autonoom rijden en geavanceerde rijhulpmiddelen worden vooral radar-, lidar- en sonarsensoren toegepast. Gecombineerd met camera’s en GPS tast een voertuig zo zijn omgeving dynamisch af. Slimme software verwerkt de grote hoeveelheid data, waardoor het altijd weet waar het zich bevindt ten opzichte van objecten.

Deze technieken zijn mogelijk doordat processoren steeds krachtiger en kleiner zijn geworden.

Ontwikkeling sensortechnologie

Leeggangers geeft aan dat Sentech een rol speelt bij de ontwikkeling en R&D van sensortechnologie voor AGV’s. “Wij passen bijvoorbeeld al radar, lidar en ultrasoon toe in afstandssensoren en oriëntatiesensoren. Als onafhankelijke sensorintegrator werken we nu aan de integratie van radar en lidar in compacte ‘gefuseerde’ sensortoepassingen.”

Volgens de business development manager leidt sensor fusion tot slimmere en betere klantapplicaties, specifiek op het gebied van autonoom bewegen.

Voor- en nadelen sensortechnieken

De meest veelbelovende sensortechnieken voor zelfrijdende voertuigen zijn lidar en radar. Lidar tast de omgeving af met licht (laser of infrarood), terwijl radar dat met radiogolven doet. “De ontwikkeling van lidar en radar gaat heel hard. Dat komt doordat processorchips steeds kleiner worden en de techniek betaalbaarder is geworden,” aldus Leeggangers.

Lidar heeft grote voordelen bij remote sensing. Een daarvan is de hoge resolutie, die nodig is voor het nauwkeurig kunnen detecteren van stilstaande en bewegende objecten. Daarentegen hebben weersomstandigheden als mist en regen een grotere negatieve invloed op de nauwkeurigheid. “Lidar is geschikt voor het waarnemen van bewegende objecten in de directe nabijheid van een voertuig”, legt Leeggangers uit.

Radar kan verder kijken, maar met het toenemen van de afstand neemt de nauwkeurigheid af. Daarom is volgens hem radar geschikter voor het op afstand waarnemen van bewegende objecten voor het voertuig.

De toekomst van zelfrijdende voertuigen

“Bijzonder is dat de technologische visies van autofabrikanten onderling verschillen. De een heeft een voorkeur voor lidar, de ander voor radar. De autofabrikanten hebben een sensor-based-systeem als uitgangspunt gemeen. Wij zien een toekomst met geavanceerde fusiesensoren in geïntegreerde sensorapplicaties”, zegt Leeggangers.

Hij ziet ook nieuwe spelers op de markt voor autonoom rijden met een andere technologische insteek, zoals Google en Intel. Google heeft een eigen 3D-technologie ontwikkeld, op basis van route-informatie en 3D-kaarten.

Intel, de processorfabrikant, heeft zich met de overname van Mobileye op de markt voor autonoom rijden gestort. Het technologieconcern verwacht in 2021 zijn eerste zelfrijdende auto op de openbare weg. Intel gebruikt de meest geavanceerde visuele technologie (camera’s en software) in voertuigen voor het waarnemen van de omgeving.

Leeggangers verwacht echter dat sensoren altijd belangrijke schakels blijven in de technologie voor autonoom bewegen. “Je zult altijd redundante sensorsystemen nodig blijven hebben, als aanvulling op camera- of GPS-systemen. Hoe geavanceerd ook, alles kan stuk. Redundantie wordt dus steeds belangrijker naarmate het wagenpark evolueert richting volledige autonomie en verkeer zonder bestuurders.”

Meer over de ontwikkeling van lidar en radar

Sentech zet sterk in op de doorontwikkeling van lidar- en radarsensoren, met de nadruk op sensor fusion. Dit zijn de meest geschikte sensoroplossingen voor autonoom bewegen in de openbare ruimte en bedrijfsmatige omgevingen.

Sensor fusion is dé ultieme vorm van integratie en maakt next-generation automotive toepassingen mogelijk.

Lees er meer over en laat je in de goede richting sturen.

Sentech is een samenwerking aangegaan met lidar specialist Velodyne. Dit Amerikaanse bedrijf levert slimme lidar-oplossingen. Je ziet deze technologie onder andere terug in agv’s, bestuurdersassistentie, bezorging, robotica, navigatie en cartografie.

Velodyne is marktleider en wereldwijd bekend om zijn portfolio van baanbrekende lidar-sensoren. Hun productlijn bestaat uit een breed pakket aan sensoroplossingen. Waaronder de kosteneffectieve Puck, de veelzijdige Ultra Puck, de autonomie verbeterende Alpha Prime, en software voor bestuurdersassistentie, Vella. In 2022 en 2023 wordt het pakket uitgebreid met solid state 3D-oplossingen Velarray en Velabit.

Hoe werkt lidar?

Lidar staat voor ‘LIght Detection And Ranging’. Deze technologie gebruikt laserstralen om een point-Cloud – oftewel 3D-weergave – van de omgeving te creëren. Lidar levert sterke prestaties in een grote variatie van licht- en weersomstandigheden.

Een lidar-sensor zendt pulsen van onzichtbaar licht uit, die reflecteren vanaf objecten in de omgeving. Hoe de sensor de afstand berekent? De sensor gebruikt hiervoor de tijd die elke puls nodig heeft om naar de sensor terug te keren. Dit staat ook bekend als het time-of-flight principe. Dit proces wordt miljoenen keren per seconde herhaald. Zo ontstaat er een nauwkeurige realtime 3D-kaart van de omgeving.

Mogelijkheden lidar-technologie

Lidar is de enige technologie die nauwkeurig de omgeving in kaart brengt én de privacy van de omgeving bewaakt. Daarbij is de technologie met IP69 geschikt voor omgevingen met weersomstandigheden zoals regen. 3D solid state is verkrijgbaar vanaf 2022/2023.

Waarom partnership

De redenen waarom Velodyne voor een partnership met Sentech heeft gekozen zijn duidelijk volgens Maria Solovieva, Director of Sales EMEA bij Velodyne Lidar. ‘Sentech heeft een hele goede reputatie in de markt en een uitgebreide klantenkring in onze industrie. Hun expertise van sensortechnologieën is imposant. Sentech helpt klanten bij integratie van de sensor in hun applicatie. Ook ondersteunen zij hen zelfs bij het modificeren van deze sensor zodat tijd wordt bespaard in het productieproces. Kortom; voor ons zijn ze een ideale en betrouwbare partner.’

Met lidar kunnen zelfrijdende voertuigen, zoals AGV’s, de omgeving in kaart brengen. Ze scannen met lichtpulsen. Ondanks de eenvoud van deze optische sensortechnologie, blijft de techniek prijzig. Ontwikkelaars innoveren om autonoom rijden betaalbaarder, compacter en betrouwbaarder te maken. Dit maakt dit type vervoer toegankelijker voor consumenten en b2b-markten.

Betaalbare alternatieven betreden de markt, zoals solid-state lidar. Afhankelijk van de gewenste resolutie, bepaal je of jouw applicatie vraagt om een eenvoudige of een high-end lidarsensor. Bovendien is alleen een sensor niet voldoende om autonoom te rijden. Voor een betrouwbare meting moet je meerdere technieken combineren.

Werking van lidar

Zoals radar werkt op basis van radargolven, maakt lidar gebruik van lichtpulsen. Wanneer lichtpulsen objecten of oppervlaktes bereiken, vangen detectoren deze reflectie op. Het systeem berekent hoe lang ze erover hebben gedaan om van de laser, via het object, naar de sensor te komen. Dit wordt omgezet naar de afstand. Alle afstanden samen vormen een gedetailleerde puntenwolk van de omgeving.

Wat bepaalt de prijs van autonome voortuigen?

Zelfrijdende auto’s, zoals Waymo’s van Google, rijden autonoom dankzij lidar. De daken van deze voertuigen zijn voorzien van een opvallende verhoging. Hier is de lidarsensor in verwerkt, waarmee de auto zijn omgeving in kaart brengt. Voor autodesigners is het een uitdaging om de techniek onopvallend te verwerken in het design.

Deze lidars zijn scannende elektromechanische systemen, die bestaan uit veel bewegende onderdelen. Dit maakt ze moeilijk te produceren en te verkleinen, waardoor de prijs nauwelijks daalt.

Bij Velodyne betaal je 75.000 dollar voor een lidar-module. Ook voor eenvoudigere technieken betaal je duizenden dollars. Naast deze sensortechnologie, is er meer nodig om een voertuig autonoom te laten rijden. De totale prijs loopt snel op tot 100.000 euro.

Lidar sensor in zelfrijdende auto met groot zichtveld
Oorspronkelijk is Lidar ontstaan uit de woorden ‘licht’ en ‘radar’. Inmiddels is het een afkorting van ‘light imaging, detection and ranging’.

Betaalbaar alternatief voor lidar

Solid-state lidar is een kleiner en betaalbaarder alternatief. In plaats van gecollideerde bundels, werkt deze techniek met brede lichtflitsen. Een solid-state laser schiet pulsen, die via een diffuser over een hoek van 9 tot 120 graden worden verspreid.

Het bereik van solid-state lidar is kleiner dan van scannende lidars. Maar ze zijn ook een stuk lager van prijs. Bij het Canadese LeddarTech ligt de prijs voor een flash-lidar module rond de paar honderd dollar. Bovendien zijn ze veel kleiner en robuuster. Dit maakt ze eenvoudig en betaalbaar te verwerken in voertuigen.

Tegenover flash, brengt scanning lidar enkele voordelen met zich mee. “Als je een hoge resolutie nodig hebt, moet je naar high-end lidarsensoren”, licht Marco Leeggangers, Operations Director van Sentech toe. “Bovendien halen scanning lidars die hogere resolutie over hun hele blikveld 360 graden.”

Bereik en kijkhoek aanpassen

Over de frequentie en intensiteit van de laserpulsen zijn lidarfabrikanten niet transparant. “Tijdens de ontwerpfase kun je ermee spelen, om het bereik of de kijkhoek van de lidar aan te passen”, verteld Olivier Gernier-Lafond van LeddarTech. “Met onze software kunnen gebruikers verschillende parameters aanpassen om het bereik en de updatefrequentie te kiezen. Daarmee onderscheiden we onszelf van de concurrentie.”

Gernier-Lafond vult aan: “De golflengte van de laser is ongeveer 905 nm (nanometer). Veel concurrenten zitten boven de 1.000 nanometer. Hoewel lasers rond 1550 nm krachtiger zijn, zijn optische componenten in ons golflengtegebied betaalbaarder, robuuster en betrouwbaarder. Daardoor kunnen we goedkopere lidarsystemen leveren. Door onze geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmes, halen we toch dezelfde prestaties als de concurrentie.”

Ruisonderdrukking bij regen en sneeuw

Metingen van lidarsensoren moeten vertaald worden naar bruikbare data: het perceptieplatform dat objecten herkent en classificeert. “Juist in die vertaalslag is LeddarTech ijzersterk’, vertelt Leeggangers. ‘De Canadese signaalverwerkingssoftware is zeer goed in ruisonderdrukking. Zelfs ’s nachts, met regen en met sneeuw levert dat betrouwbare resultaten op.”

Alle detectietechnologieën hebben hun voordelen en beperkingen. Lidar meet in alle lichtcondities heel nauwkeurig de afstanden. Bovendien kan deze techniek prima overweg met zowel stilstaande als bewegende objecten. “Onze off-the-shelf systemen halen een precisie van 5 cm, met een herhaalnauwkeurigheid van 6 mm”, aldus Vincent Racine, productmanager bij LeddarTech.

Lidar sensor in zelfrijdende voertuigen herkent objecten

Objecten op grote afstand detecteren

De reflectiviteit van een object heeft invloed op de detectie-afstand, oftewel het zichtveld. Zo worden voetgangers met een reflectiviteit van 10 procent, tot 200 meter ‘gezien’ door lidars van LeddarTech. Objecten met een hogere reflectiviteit, zoals nummerborden, worden op nog grotere afstand waargenomen. Dit werd succesvol gedemonstreerd tijdens CES 2019.

Naast reflectiviteit, is het zichtveld ook afhankelijk van de intensiteit van de laser. Hoe meer vermogen, hoe groter het zichtveld. Er zijn grenzen voor het verhogen van de laser intensiteit. Omdat lasers in openbare omgeving worden gebruikt, en geen voorbijgangers mag verblinden.

Racine voegt toe: “We hebben veiligheid hoog in het vaandel staan. Daarnaast voldoen we aan de strikte wetgeving voor gepulste lasers. Met onze software zorgen we ervoor dat we binnen die grenzen de optimale prestaties halen.”

Combineren van technologieën

Experts zijn het erover eens dat je geen volledig autonoom voertuig kunt bouwen zonder Lidar. “Maar het lukt nooit met één enkele sensorsoort”, benadruk Leeggangers. “Lidar moet je combineren met camera’s, gps en andere technologieën. Alleen dan krijg je een betrouwbare meting.”

Toepassingsgebieden

Omdat geheel autonome auto’s voorlopig nog vooral onderzoeksobjecten zijn, kijkt Leeggangers vooruit. “De markt voor autonome voortuigen is booming. Denk aan de Tweede Maasvlakte waar wagentjes op een afgesloten terrein zelfstandig rondrijden. Ook in gecontroleerde omgevingen zoals grote magazijnen en in de agro zie je steeds meer AGV’s.”

In veel mobiele toepassingen liggen er volop kansen voor solid-state lidar. “Maar je kunt de technologie ook prima gebruiken om bijvoorbeeld bij een rijbaanafsluiting te detecteren of automobilisten tijdig van weghelft veranderen.’

Detectie afstand van lidar sensor bij autonoom rijden

Innoveren met lidar

Momenteel werkt LeddarTech aan een aantal innovaties, waaronder verschillende 3d-varianten. “We zijn gestart met 2d-lidars. Die zijn prima voor bijvoorbeeld simpele botsingdetectie”, vertelt Racine. “Met 3d-lidar kun je meer zien en makkelijker objecten herkennen. Die technologie is nu volop in ontwikkeling om te kunnen voldoen aan de eisen van automotive en ander mobiliteitstoepassingen, zoals autonome shuttles en robottaxi’s.”

Later op de planning staan long-range en high-definition 3d-lidars. “Die systeemchips zijn gebaseerd op mems-technologie. Hoewel daar bewegende onderdelen inzitten, kun je ze toch als solid-state-componenten indelen. Ook omdat hun afmetingen en robuustheid ze bestand maken tegen schokken en trillingen”, aldus Racine.

Samenwerking voor succesvolle integratie

Een paar jaar geleden signaleerde Sentech de opkomst van lidartechnologie. De markt was toen nog niet klaar voor high-end scannende sensoren. Dus er werd gezocht naar een alternatief. In 2016 ontdekte zij solid-state lidars van LeddarTech.

“LeddarTech zocht een partij die klanten op een hoog niveau kon ondersteunen. Vooral tijdens de ontwikkeling en integratie”, vertelt Olivier Gernier-Lafond, distributienetwerkmanager bij LeddarTech. “We hebben gespecialiseerde partners in onder andere Duitsland, Frankrijk en Azie. Nederland heeft een dynamische markt met veel innovatieve bedrijven waar wij onszelf mee willen verbinden.”

Marco Leeggangers van Sentech voegt hieraan toe: “Lidars zijn geen simpele systemen. Je moet ze altijd integreren met andere hardware en software. Er komt enorm veel data uit die je met ingewikkelde algoritmes moet vertalen naar bruikbare informatie. Sentech kan daarbij helpen. We kunnen ook adviseren over de positie van de sensoren en welke beelden dat oplevert. Daar vallen we regelmatig terug op onze ervaring met radar, omdat de technologieën en de toepassingen vergelijkbaar zijn.”

Ontdek de mogelijkheden van lidar

Waar begin je bij de integratie van lidar? Er zijn namelijk verschillende lidar-technologieën op de markt. De snelheid van het voertuig en de reflectiviteit van omgevingsobjecten bepalen het vereiste zichtveld. En dus welke techniek nodig is om jouw voertuig veilig autonoom te laten rijden.