Sensortechnologie: 2D vs. 3D

Als Pionier der Multisensor-Inspektion (MSI) für die erweiterte Pipeline-Bewertung hat RedZone Robotics eine lange und reiche Geschichte mit Robotik und Sensortechnologie. Zwei der am meisten missverstandenen Konzepte sind 1) die Unterscheidung zwischen LASER- und LiDAR-Technologien und 2) die Erfassung und Interpretation von 2D- und 3D-Daten. Dies sind zwei grundlegend unterschiedliche Fragen, aber nur wenige nehmen sich die Zeit, um zu erklären, warum sie unterschiedlich sind und wie diese Technologien tatsächlich funktionieren. Der heutige Beitrag wird die Optionen der Sensortechnologie untersuchen und den besten Anwendungsfall und die beste Methodik für jeden Technologietyp erörtern.

Was ist LASER?

Lichtverstärkung durch simulierte Strahlungsemissionstechnologien (LASER) gibt es seit den 1960er Jahren. Ein LASER ist ein Gerät, das Licht oder elektrische Energie in einen fokussierten Hochenergiestrahl umwandeln kann. Laserlicht ist monochromatisch (einzelne Lichtfrequenz - dh eine Farbe) und obwohl der Strahl große Entfernungen zurücklegen kann, divergiert er und wird ungenauer. LASER ist ein Gerät oder eine Technologie, keine Methodik.

In Bezug auf die erweiterte Pipeline-Bewertung wird der Begriff „Laser“ häufig synonym mit Inspektionen mit „Ringlaser“, „Laserprofilierung“ oder „strukturiertem Licht“ verwendet. Im Wesentlichen wird ein Laserlicht (Strahl, Ring usw.) auf die Innenwand einer Rohroberfläche projiziert und eine separate Kamera wird verwendet, um das Bild des Lichtrings aufzuzeichnen.

Was ist LiDAR?

LiDAR wird seit mehr als 30 Jahren verwendet und ist eine Methode, bei der Laser zum Einsatz kommen. Light Detection and Ranging (LiDAR) ist eine Fernerkundungsmethode, mit der Entfernungen zu Objekten gemessen werden, indem das Ziel mit Lasern beleuchtet und anschließend das reflektierte Licht analysiert wird. In Bezug auf MSI ist LiDAR den Sonartechniken funktional insofern ähnlich, als die Flugzeit (TOF) oder Ausbreitungszeit des Echos die Entfernung zwischen dem Sensor und dem Ziel ist. LIDAR verwendet die LASER-Technologie, aber umgekehrt ist dies nicht der Fall. Neben TOF können LiDAR-Sensoren in den Modi Doppler (Laserphasenverschiebung) oder Geiger (Laserenergie) geschaltet werden, um Entfernungen (Entfernungen) abzuschätzen.

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Welche Technologie / Methodik ist genauer?

Die Genauigkeit hängt von der Größe des gemessenen Rohrdurchmessers ab. Ringlaser haben Ungenauigkeiten angegeben, die einen Prozentsatz der gemessenen Entfernung ausmachen (z. B. +/- 0.5%), was meistens eine Funktion der Auflösung der Kamera ist, die das Laserbild aufnimmt. LiDAR-Sensoren verfügen über interne Prozessoren mit angegebenen Ungenauigkeiten, die über den Nutzabstand des Sensors (z. B. +/- 30 mm) festgelegt sind. Im Wesentlichen sind Ringlaser in kleinen bis mittelgroßen Rohren genauer und LiDAR in größeren Rohren genauer.

2D- vs. 3D-Laserinspektion - Was ist der Unterschied?

Wie der Name schon sagt, verwenden 2D-Sensoren eine einzelne Laserebene, um X- und Y-Dimensionen zu erfassen. Dies könnte mit einem kontinuierlichen Ring aus projiziertem Licht oder einem einzelnen sich drehenden Laserstrahl erreicht werden. In beiden Fällen erfassen Ringlaser und 2D-LiDAR-Sensoren den gleichen Typ von X- und Y-Dimensionsdaten. Die Bewegung der Sensoren entlang eines Rohrs erleichtert das Sammeln aufeinanderfolgender Schichten von 2D-Daten, die häufig in 3D-Formaten dargestellt werden. Dies kann irreführend sein und sollte nicht mit echtem 3D-LiDAR verwechselt werden. 2D-Sensoren eignen sich am besten zur Durchführung von Erkennungs- und Entfernungsaufgaben.

3D-LiDAR-Sensoren funktionieren wie ihre 2D-Gegenstücke, es werden jedoch zusätzliche Messungen entlang der Z-Achse durchgeführt, um echte 3D-Daten zu erfassen. Die Datenerfassung der dritten Achse wird meistens mit mehreren Lasern in unterschiedlichen Winkeln oder Linien vertikaler Projektion durchgeführt. Moderne Laserprojektions- und Weitbereichs-Scantechnologien ermöglichen die Erfassung hochpräziser 3D-Daten mit hoher Auflösung ohne tote Winkel. Diese Art der Datenerfassung ist jedoch mit Kosten verbunden: Geld und Zeit. 3D-Sensoren sind deutlich teurer als ihre 2D-Gegenstücke. Außerdem müssen herkömmliche 3D-LiDAR-Scanner während der Datenerfassung stabil und stabil sein (sich nicht bewegen), und die Datenverarbeitung ist von Natur aus komplizierter. Insbesondere im Hinblick auf die erweiterte Pipeline-Bewertung ist 3D LiDAR aufgrund der für die Erfassung und Verarbeitung der Daten erforderlichen Zeit teurer als 2D-Sensoren. 3D LiDAR eignet sich am besten für die Abbildung und detaillierte Analyse, z. B. des Biegeradius, für technische Konstruktionen.

Was ist am Horizont?

In den letzten zehn Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei den 3D-Sensortechnologien und -methoden erzielt. Von optischen Technologien, die die Integration von Photogrammetrie und Augmented Reality erleichtern, bis hin zu neuen Festkörper- und Blitz-LiDARs ermöglicht die moderne Technologie schnelleres Scannen, höhere Auflösung (Genauigkeit), kleinere Sensoren und günstigere Preise. Wir sehen dies jeden Tag auf unseren Handys oder mit Google Maps. Sobald diese terrestrischen Sensoren jedoch in einer korrosiven, GPS-verweigerten Umgebung wie einem Abwasserkanal platziert sind, sind die Zeit und die Algorithmen, die zur Erzeugung aussagekräftiger Informationen erforderlich sind, von Natur aus länger und teurer. Die gleichzeitige Lokalisierung und Kartierung (SLAM) unserer verschlechterten vergrabenen Infrastruktur ist ein Rechenproblem, das im Maßstab noch nicht gelöst wurde.

In den kommenden Jahren würde ich erwarten, dass Inspektionssensoren und -technologien standardisierter, einfacher zu implementieren, genauer und einfacher in der Lage sein werden, die gleichen Arten von Leistungen zu erbringen, die wir von unseren oberirdischen Kollegen sehen.