LiDAR (Light Detection and Ranging) เป็นเทคโนโลยีการตรวจจับที่วัดระยะทางโดยใช้แสงเลเซอร์และสร้างการแสดง 3 มิติที่แม่นยําของสภาพแวดล้อมโดยรอบ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในยานยนต์ไร้คนขับ หุ่นยนต์ โดรน ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และระบบทําแผนที่

ระบบ LiDAR สมัยใหม่แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: LiDAR เชิงกล และ LiDAR โซลิดสเตต LiDAR เชิงกลอาศัยชุดออปติคัลที่หมุนได้เพื่อสแกนสภาพแวดล้อม ในขณะที่ LiDAR แบบโซลิดสเตตใช้การสแกนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

บทความนี้อธิบาย หลักการทางวิศวกรรม สถาปัตยกรรม และลักษณะการทํางาน ของเซ็นเซอร์ LiDAR และให้การเปรียบเทียบทางเทคนิคระหว่างเทคโนโลยี LiDAR แบบโซลิดสเตตและเชิงกล นอกจากนี้ยังสํารวจการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริงและข้อควรพิจารณาในการเลือกสําหรับวิศวกรและนักออกแบบระบบ

---

สารบัญ

• LiDAR คืออะไร
• สถาปัตยกรรมหลักของระบบ LiDAR
• โซลิดสเตต LiDAR
  • หลักการทํางานของ Solid-State LiDAR
  • ตัวอย่าง: Linear Array Short-Range LiDAR
• LiDAR เชิงกล
  • หลักการทํางานของ LiDAR เชิงกล
  • ตัวอย่าง: เซ็นเซอร์ RPLIDAR A3 360°
• Solid-State LiDAR เทียบกับ LiDAR เชิงกล
• [การประยุกต์ใช้ LiDAR ที่สําคัญ](#major-การประยุกต์ใช้ Lidar)
• วิธีเลือกเทคโนโลยี LiDAR ที่เหมาะสม
• คําถามที่พบบ่อย
• สรุป

---

LiDAR คืออะไร

LiDAR ย่อมาจาก Light Detection and Ranging ซึ่งเป็นวิธีการสํารวจระยะไกลที่วัดระยะทางโดยการปล่อยพัลส์เลเซอร์และวัดเวลาที่แสงสะท้อนจะกลับไปที่เซ็นเซอร์

หลักการวัดพื้นฐานคือ เวลาบิน (ToF):

1. ตัวปล่อย LiDAR ส่งพัลส์เลเซอร์ไปยังวัตถุ
2. ชีพจรสะท้อนออกจากพื้นผิววัตถุ
3. เครื่องรับตรวจจับสัญญาณสะท้อน
4. ระบบคํานวณเวลาไป-กลับของแสง

เนื่องจากแสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่ จึงสามารถคํานวณระยะทางได้อย่างแม่นยํา

สมการระยะทาง:

ระยะทาง = (c × t) / 2

ที่ไหน:

• c = ความเร็วแสง
• t = เวลาระหว่างการปล่อยและการตรวจจับ

ด้วยการทําซ้ํากระบวนการนี้หลายพันหรือหลายล้านครั้งต่อวินาทีในหลายทิศทาง ระบบ LiDAR จะสร้าง พอยต์คลาวด์ ซึ่งเป็นการแสดงเชิงพื้นที่ 3 มิติของสภาพแวดล้อม

รูปที่ 1 การวัดระยะทาง LiDAR และการสร้าง 3D Point Cloud

---

สถาปัตยกรรมหลักของระบบ LiDAR

เซ็นเซอร์ LiDAR ทั่วไปประกอบด้วยระบบย่อยหลักหลายระบบ

ตัวปล่อยเลเซอร์

ตัวปล่อยสร้างพัลส์สั้น ๆ ของแสงเลเซอร์ที่สอดคล้องกัน
ความยาวคลื่นทั่วไป ได้แก่ :

• 850 นาโนเมตร
• 905 นาโนเมตร
• 1550 นาโนเมตร

การเลือกความยาวคลื่นส่งผลต่อ ช่วง ความปลอดภัยของดวงตา และการดูดซึมบรรยากาศ

ระบบสแกนออปติคัล

ระบบย่อยนี้นําลําแสงเลเซอร์ไปยังทิศทางต่างๆ ในอวกาศ

มีสองแนวทางหลัก:

• การสแกนด้วยกลไก
• การสแกนแบบอิเล็กทรอนิกส์ (โซลิดสเตต)

ตัวรับสัญญาณตรวจจับแสง

เครื่องรับตรวจจับสัญญาณเลเซอร์สะท้อน เครื่องตรวจจับทั่วไป ได้แก่ :

• APD (โฟโตไดโอดหิมะถล่ม)
• SPAD (ไดโอดหิมะถล่มโฟตอนเดี่ยว)

เครื่องตรวจจับเหล่านี้มีความไวสูงและสามารถตรวจจับสัญญาณสะท้อนที่อ่อนแอมาก

หน่วยประมวลผลสัญญาณ

ตัวประมวลผลสัญญาณทําหน้าที่:

• การวัดเวลาบิน
• การคํานวณระยะทาง
• การกรองเสียงรบกวน
• การสร้างพอยต์คลาวด์

ระบบ LiDAR สมัยใหม่มักจะรวม โปรเซสเซอร์ FPGA หรือ ASIC สําหรับการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง

---

LiDAR โซลิดสเตต

LiDAR โซลิดสเตตเป็นสถาปัตยกรรม LiDAR ที่ ขจัดการหมุนทางกล และอาศัยเทคโนโลยีการสแกนที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์

วิธีการนี้ช่วยเพิ่ม ความน่าเชื่อถือ ขนาด และความสามารถในการผลิต ได้อย่างมาก ทําให้เหมาะสําหรับการผลิตยานยนต์ในปริมาณมาก

รูปที่ 2 โครงสร้างภายใน LiDAR โซลิดสเตต

---

หลักการทํางานของ LiDAR โซลิดสเตต

แทนที่จะใช้เลนส์แบบหมุน LiDAR โซลิดสเตตใช้เทคโนโลยีการบังคับเลี้ยวลําแสงอิเล็กทรอนิกส์ เช่น:

• กระจก MEMS
• อาร์เรย์แบบออปติคัลเฟส
• อาร์เรย์ Flash LiDAR

MEMS LiDAR

ใช้กระจกไมโครไฟฟ้าเพื่อควบคุมลําแสงเลเซอร์

ข้อดี:

• ขนาดกะทัดรัด
• ต้นทุนปานกลาง
• ความละเอียดในการสแกนที่ดี

แฟลช LiDAR

ปล่อยพัลส์เลเซอร์กว้างที่ส่องสว่างทั้งฉากพร้อมกัน

ข้อดี:

• ไม่มีกลไกการสแกน
• อัตราเฟรมที่เร็วมาก

ออปติคัล Phased Array LiDAR

ใช้การควบคุมเฟสเซมิคอนดักเตอร์เพื่อควบคุมลําแสงเลเซอร์ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์

ข้อดี:

• โซลิดสเตตเต็มรูปแบบ
• กะทัดรัดมาก

---

ตัวอย่าง: Linear Array Short-Range LiDAR

LiDAR โซลิดสเตตระยะสั้น ทั่วไปใช้สําหรับการตรวจจับสิ่งกีดขวางในหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

ตัวอย่างลักษณะการทํางาน

พารามิเตอร์	ค่าทั่วไป
ปริมาณการดําเนินงาน tage	5.1 โวลต์
การบริโภคในปัจจุบัน	0.136 ก
การใช้พลังงาน	~0.7 วัตต์
ช่วงการตรวจจับ	25 มม. – 300 มม.
ที่ดินของ View	~109°
ความละเอียดเชิงมุม	~ 0.7 องศา
ความแม่นยําในร่ม	1–3 มม

เซ็นเซอร์ดังกล่าวมักรวมเข้ากับ:

• หุ่นยนต์คลังสินค้า
• เครื่องใช้ไฟฟ้าอัจฉริยะ
• อุปกรณ์อัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
• ระบบตรวจจับสิ่งกีดขวาง

---

LiDAR เชิงกล

Mechanical LiDAR เป็น สถาปัตยกรรม LiDAR แบบดั้งเดิม ที่ใช้ในหุ่นยนต์ยุคแรกและต้นแบบยานยนต์ไร้คนขับ

เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้ ชุดประกอบออปติคัลแบบหมุนได้ เพื่อสแกนสภาพแวดล้อม

รูปที่ 3 หลักการสแกน LiDAR 3D แบบกลไก

---

หลักการทํางานของ LiDAR เชิงกล

เซ็นเซอร์ LiDAR แบบกลไกใช้ กลไกการหมุนที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์

กระบวนการสแกนทํางานดังนี้:

1. ตัวปล่อยเลเซอร์สร้างพัลส์
2. ชุดสแกนหมุน
3. พัลส์เลเซอร์กวาดไปทั่วสิ่งแวดล้อม
4. เครื่องรับตรวจพบสัญญาณสะท้อน
5. ข้อมูลระยะทางจะถูกบันทึกสําหรับแต่ละมุม

เนื่องจากเซ็นเซอร์หมุนอย่างต่อเนื่อง จึงสามารถสแกนสภาพแวดล้อมได้ 360°

การออกแบบนี้สร้าง พอยต์คลาวด์ 3 มิติ ที่หนาแน่นและแม่นยํามาก

---

ตัวอย่าง: เซ็นเซอร์ RPLIDAR A3 360°

RPLIDAR A3 ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบนําทางหุ่นยนต์

ลักษณะทางไฟฟ้า

พารามิเตอร์	ความคุ้มค่า
ปริมาณการดําเนินงาน tage	5.1 โวลต์
การดําเนินงานปัจจุบัน	0.3736 ก
การใช้พลังงาน	~1.9 วัตต์

ประสิทธิภาพการวัด

ความ

ลักษณะเฉพาะ	ความคุ้มค่า
ช่วงการวัด	5 ซม. – 18 ม
ครอบคลุมการสแกน	360 องศา
ความละเอียดเชิงมุม	~ 0.225 องศา
โซนตาบอด	~0.2 ม

เซ็นเซอร์ LiDAR เชิงกลมักใช้ใน:

• หุ่นยนต์ SLAM
• การนําทางในร่ม
• อุปกรณ์ทําแผนที่
• แพลตฟอร์มการวิจัย

---

Solid-State LiDAR กับ LiDAR เชิงกล

พ การได้ ความ

ลักษณะเฉพาะ	LiDAR โซลิดสเตต	LiDAR เครื่องกล
วิธีการสแกน	วงมาลัยลําแสงอิเล็กทรอนิกส์	หมุนที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์
ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว	ไม่มี	ส่วนประกอบที่หมุน
ขนาด	กะทัดรัด	ใหญ่กว่า
ความน่าเชื่อถือ	จุดสูง	การสึกหรอทางกลเป็นไปได้
ครอบคลุมการสแกน	โดยทั่วไปมีจํากัด	เป็นไปได้ 360° เต็มรูปแบบ
การใช้พลังงาน	ต่ํากว่า	สูงกว่า
ต้นทุน (การผลิตจํานวนมาก)	ต่ํากว่า	สูงกว่า

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตยานยนต์กําลังเปลี่ยนไปใช้ LiDAR แบบโซลิดสเตตอย่างรวดเร็ว เนื่องจากข้อได้เปรียบด้านความน่าเชื่อถือและความสามารถในการปรับขนาด

---

แอปพลิเคชั่นหลักของ LiDAR

รูปที่ 4 แอปพลิเคชั่น LiDAR ในยานยนต์ไร้คนขับ

ยานพาหนะไร้คนขับ

LiDAR ให้การรับรู้ 3 มิติความละเอียดสูงสําหรับ:

• การตรวจจับสิ่งกีดขวาง
• การตรวจจับช่องทางเดินรถ
• การจดจําคนเดินเท้า

หุ่นยนต์และ SLAM

หุ่นยนต์ใช้ LiDAR เพื่อสร้างแผนที่และนําทางสภาพแวดล้อมโดยใช้อัลกอริทึม Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)

การทําแผนที่และการสํารวจทางอากาศ

LiDAR ที่ติดตั้งบนโดรนสามารถสร้าง แผนที่ภูมิประเทศ และแบบจําลองภูมิประเทศที่มีความแม่นยําสูง

เมืองอัจฉริยะ

เซ็นเซอร์ LiDAR ช่วยตรวจสอบ:

• การจราจร
• สภาพโครงสร้างพื้นฐาน
• ข้อมูลการวางผังเมือง

ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

โรงงานใช้ LiDAR สําหรับ:

• การตรวจจับวัตถุ
• การนําทางคลังสินค้า
• ระบบความปลอดภัยอัตโนมัติ

---

วิธีเลือกเทคโนโลยี LiDAR ที่เหมาะสม

โดยทั่วไปวิศวกรจะประเมินปัจจัยหลายประการเมื่อเลือกเซ็นเซอร์ LiDAR

การสแกนครอบคลุม

การใช้งานที่ต้องการความตระหนักด้านสิ่งแวดล้อมอย่างเต็มที่ (เช่น หุ่นยนต์ทําแผนที่) มักต้องการ การสแกน 360° ซึ่งชอบ LiDAR แบบกลไก

ขนาดระบบ

ระบบฝังตัวหรืออุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดได้รับประโยชน์จาก LiDAR โซลิดสเตต เนื่องจากฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กกว่า

ความน่าเชื่อถือ

เซ็นเซอร์โซลิดสเตตให้ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้นเนื่องจากช่วยขจัดการสึกหรอทางกล

การใช้พลังงาน

ระบบที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่มักชอบ LiDAR โซลิดสเตต

ต้นทุนในการผลิตจํานวนมาก

แอปพลิเคชันยานยนต์ต้องการเซ็นเซอร์ที่ปรับขนาดได้ต้นทุนต่ํา ทําให้ LiDAR โซลิดสเตตเป็นโซลูชันที่ต้องการ

---

คําถามที่พบบ่อย

ข้อได้เปรียบหลักของ LiDAR โซลิดสเตตคืออะไร?

LiDAR โซลิดสเตตมี ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทาน ลดขนาด และช่วยให้สามารถผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ได้

เหตุใด LiDAR แบบกลไกจึงสามารถสแกนได้ 360°

LiDAR เชิงกลใช้ชุดออปติคัลแบบหมุนที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ ทําให้ลําแสงเลเซอร์สามารถกวาดไปทั่วทั้งสภาพแวดล้อมได้

LiDAR ตัวไหนดีกว่าสําหรับยานยนต์ไร้คนขับ?

แพลตฟอร์มยานยนต์ไร้คนขับรุ่นต่อไปส่วนใหญ่ชอบ LiDAR โซลิดสเตต เนื่องจากมีความน่าเชื่อถือสูงกว่า

อะไรจํากัดประสิทธิภาพของ LiDAR?

ปัจจัยจํากัดที่สําคัญ ได้แก่ :

• สภาพบรรยากาศ
• การสะท้อนแสงของพื้นผิว
• การรบกวนจากแสงแดด
• ความละเอียดของเซนเซอร์

---

สรุป

LiDAR เป็นเทคโนโลยีการตรวจจับที่สําคัญสําหรับระบบอัจฉริยะสมัยใหม่ ด้วยการใช้การวัดระยะทางด้วยเลเซอร์ LiDAR ช่วยให้เครื่องจักรสามารถรับรู้และทําแผนที่สภาพแวดล้อมโดยรอบได้อย่างแม่นยําสูง

LiDAR แบบกลไกให้ การสแกนมุมกว้างและประสิทธิภาพที่สมบูรณ์ ในขณะที่ LiDAR แบบโซลิดสเตตให้ ขนาดกะทัดรัด ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น และการผลิตที่ปรับขนาดได้

เนื่องจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์และโฟโตนิกส์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง LiDAR แบบโซลิดสเตตจึงคาดว่าจะกลายเป็นสถาปัตยกรรมที่โดดเด่นสําหรับการใช้งานในอนาคตในการขับขี่อัตโนมัติ