LiDAR (Light Detection and Ranging) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับพื้นฐานสําหรับยานยนต์ไร้คนขับ หุ่นยนต์ การทําแผนที่เชิงพื้นที่ และโครงสร้างพื้นฐานอัจฉริยะ ด้วยการวัดเวลาที่ต้องใช้สําหรับพัลส์เลเซอร์ในการสะท้อนจากวัตถุ ระบบ LiDAR จะสร้างการแสดงสภาพแวดล้อมโดยรอบแบบสามมิติที่มีความแม่นยําสูง

สถาปัตยกรรมหลักสองแบบครองตลาด: LiDAR เชิงกล และ LiDAR โซลิดสเตต LiDAR เชิงกลอาศัยชุดออปติคัลที่หมุนได้เพื่อให้ได้การสแกนมุมกว้าง ในขณะที่ LiDAR แบบโซลิดสเตตกําจัดชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวด้วยเทคโนโลยีการบังคับเลี้ยวลําแสงที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์

บทความนี้จะตรวจสอบ สถาปัตยกรรมทางวิศวกรรม หลักการทํางาน ส่วนประกอบภายใน ลักษณะการทํางาน และการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง ของ LiDAR ทั้งสองประเภท นอกจากนี้ยังมี เกณฑ์การคัดเลือกที่ใช้งานได้จริงสําหรับนักออกแบบระบบ ช่วยให้วิศวกรกําหนดโซลูชัน LiDAR ที่เหมาะสมที่สุดโดยพิจารณาจากข้อกําหนดด้านช่วง ความละเอียด ความน่าเชื่อถือ และการผสานรวม

---

สารบัญ

• [1. พื้นฐานของเทคโนโลยี LiDAR](#1-พื้นฐานของเทคโนโลยี Lidar)
• 2. สถาปัตยกรรม LiDAR เชิงกล
• [3. หลักการทํางานของ LiDAR เชิงกล] (#3-หลักการทํางานของ-กลไก-lidar)
• 4. ส่วนประกอบหลักของระบบ LiDAR เชิงกล
• 5. สถาปัตยกรรม LiDAR โซลิดสเตต
• 6. เทคโนโลยีการสแกน LiDAR แบบโซลิดสเตต
• [7. ส่วนประกอบหลักของ Solid-State LiDAR ] (# 7-core-components-of-solid-state-lidar)
• [8. เครื่องกล vs Solid-State LiDAR : การเปรียบเทียบทางวิศวกรรม] (#8-mechanical-vs-solid-state-lidar-engineering-comparison)
• [9. การใช้งานหลักของระบบ LiDAR](#9-แอปพลิเคชันหลักของระบบ Lidar)
• 10. ปัจจัยสําคัญในการเลือกระบบ LiDAR
• คําถามที่พบบ่อย
• สรุป

---

1. พื้นฐานของเทคโนโลยี LiDAR

LiDAR (Light Detection and Ranging) เป็น เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยแสงแบบแอคทีฟ ที่กําหนดระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์กับวัตถุโดยการวัด เวลาบิน (ToF) ของพัลส์เลเซอร์

กระบวนการวัดพื้นฐานประกอบด้วยสามขั้นตอน:

1. การปล่อยเลเซอร์ – พัลส์เลเซอร์สั้น ๆ จะถูกส่งไปยังสิ่งแวดล้อม
2. การสะท้อน – ชีพจรสะท้อนจากวัตถุ เช่น ภูมิประเทศ ยานพาหนะ หรือโครงสร้าง
3. การตรวจจับ – เครื่องตรวจจับแสงจะวัดสัญญาณย้อนกลับและบันทึกเวลาเดินทาง

ระยะทางคํานวณโดยใช้:

ระยะทาง = (c × t) / 2

ที่ไหน:

• c = ความเร็วแสง
• t = เวลาเดินทางไปกลับของพัลส์เลเซอร์

ด้วยการทําซ้ํากระบวนการนี้หลายล้านครั้งต่อวินาทีและการสแกนในหลายทิศทาง ระบบ LiDAR จะสร้าง พอยต์คลาวด์ 3 มิติที่หนาแน่น ซึ่งแสดงถึงสภาพแวดล้อมโดยรอบ

---

2. สถาปัตยกรรม LiDAR เชิงกล

LiDAR เชิงกล

รูปที่ 1 สถาปัตยกรรมเซนเซอร์หมุน LiDAR เชิงกล

Mechanical LiDAR เป็นสถาปัตยกรรม LiDAR ที่ใช้งานเชิงพาณิชย์ที่เก่าแก่ที่สุด ใช้ ชุดประกอบออปติคัลหมุน เพื่อสแกนสภาพแวดล้อมและรวบรวมการวัดเชิงพื้นที่

ระบบทั่วไปประกอบด้วยหัวหมุนประกอบด้วย:

• ตัวปล่อยเลเซอร์
• เครื่องตรวจจับแสง
• กระจกสแกน
• เลนส์ออปติคอล

ชุดประกอบทั้งหมดหมุนโดยใช้ มอเตอร์ที่มีความแม่นยํา ทําให้ LiDAR สามารถบรรลุ มุมมองแนวนอน 360 องศา

เนื่องจากความสามารถในการจับข้อมูลความละเอียดสูงมุมกว้าง LiDAR แบบกลไกจึงถูกนํามาใช้ในอดีตใน:

• ต้นแบบยานยนต์ไร้คนขับยุคแรก
• การทําแผนที่ภูมิประเทศความละเอียดสูง
• การวิจัยหุ่นยนต์
• ระบบสํารวจ

อย่างไรก็ตาม การมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวทําให้เกิด ความกังวลเกี่ยวกับความซับซ้อนทางกล ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ

---

3. หลักการทํางานของ LiDAR เชิงกล

กระบวนการสแกน LiDAR เชิงกล

รูปที่ 2 หลักการสแกน LiDAR แบบกลไก 360 องศา

ระบบ LiDAR เชิงกลทําการสแกนสิ่งแวดล้อมผ่านการหมุนอย่างต่อเนื่องของชุดเซ็นเซอร์

เวิร์กโฟลว์ทั่วไปประกอบด้วย:

การสแกนแบบหมุน

มอเตอร์ความเร็วสูงจะหมุนหัวเซนเซอร์ ซึ่งมักจะอยู่ระหว่าง 5 ถึง 20 รอบต่อวินาที

การปล่อยพัลส์เลเซอร์

เลเซอร์ที่เรียงแนวในแนวตั้งหลายตัวจะปล่อยพัลส์ระหว่างการหมุน

การวัดเวลาบิน

เครื่องตรวจจับแสงจะวัดเวลาย้อนกลับของพัลส์สะท้อนเพื่อกําหนดระยะห่างของวัตถุ

การสร้างพอยต์คลาวด์

การวัดระยะทางจะรวมกับข้อมูลมุมการหมุนและการวางแนวของเซ็นเซอร์เพื่อสร้าง พอยต์คลาวด์เชิงพื้นที่ 3 มิติ

ระบบ LiDAR เชิงกลระดับไฮเอนด์สามารถสร้าง ล้านจุดต่อวินาที ทําให้สามารถทําแผนที่สภาพแวดล้อมที่มีรายละเอียดสูงได้

---

4. ส่วนประกอบหลักของระบบ LiDAR เชิงกล

เซ็นเซอร์ LiDAR เชิงกลทั่วไปรวมระบบย่อยที่สําคัญหลายระบบ

เครื่องส่งสัญญาณเลเซอร์

สร้างพัลส์เลเซอร์สั้น โดยทั่วไปจะใช้เลเซอร์ความยาวคลื่น 905 นาโนเมตรหรือ 1550 นาโนเมตร

ตัวรับสัญญาณตรวจจับแสง

ตรวจจับโฟตอนสะท้อนและแปลงสัญญาณออปติคัลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ประเภทเครื่องตรวจจับทั่วไป ได้แก่ :

• โฟโตไดโอดหิมะถล่ม (APD)
• ไดโอดหิมะถล่มโฟตอนเดี่ยว (SPAD)

กลไกการสแกนแบบหมุน

มอเตอร์และตลับลูกปืนเชิงกลหมุนชุดออปติคัลเพื่อให้ครอบคลุมสิ่งแวดล้อมอย่างเต็มที่

หน่วยประมวลผลสัญญาณ

ทําการขยายสัญญาณ การกรอง และการคํานวณระยะทางโดยใช้อัลกอริทึม ToF

ตําแหน่งและเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหว

ระบบต่างๆ เช่น GPS, IMU และไจโรสโคป ให้ข้อมูลการวางแนวเพื่อจัดตําแหน่งการวัด LiDAR ในพิกัดทั่วโลกได้อย่างแม่นยํา

---

5. สถาปัตยกรรม LiDAR โซลิดสเตต

LiDAR โซลิดสเตต

รูปที่ 3 สถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์ LiDAR โซลิดสเตต

LiDAR แบบโซลิดสเตตแสดงถึงเซ็นเซอร์ LiDAR รุ่นใหม่ที่ออกแบบมา โดยไม่ต้องหมุนด้วยกลไก การบังคับเลี้ยวแบบลําแสงทําได้โดยใช้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หรือโฟโตนิก

ข้อดี ได้แก่ :

• ขนาดทางกายภาพที่เล็กลง
• ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น
• ลดการใช้พลังงาน
• ความสามารถในการปรับขนาดที่ดีขึ้นสําหรับการผลิตจํานวนมาก

LiDAR แบบโซลิดสเตตได้กลายเป็นโซลูชันที่ต้องการสําหรับ ระบบตรวจจับระดับยานยนต์ และ แพลตฟอร์มการรับรู้แบบฝังตัว

---

6. เทคโนโลยีการสแกน LiDAR แบบโซลิดสเตต

LiDAR โซลิดสเตตสามารถใช้งานได้โดยใช้เทคโนโลยีการสแกนที่แตกต่างกันหลายอย่าง

MEMS LiDAR

ใช้ กระจกไมโครเครื่องกลไฟฟ้า เพื่อควบคุมลําแสงเลเซอร์ กระจกเหล่านี้แกว่งด้วยความเร็วสูงเพื่อสแกนทั่วทั้งมุมมอง

ข้อดี:

• การออกแบบที่กะทัดรัด
• ต้นทุนปานกลาง
• ความละเอียดที่ดี

แฟลช LiDAR

ส่องสว่างทั้งฉากในพัลส์เดียวโดยใช้ลําแสงเลเซอร์กว้าง และจับภาพสะท้อนโดยใช้ อาร์เรย์เซ็นเซอร์ 2 มิติ

ข้อดี:

• ไม่จําเป็นต้องสแกน
• อัตราเฟรมที่เร็วมาก

ข้อจํากัด:

• ระยะการตรวจจับที่สั้นลง
• ความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น

ออปติคัลเฟสอาร์เรย์ (OPA)

ใช้ การควบคุมเฟสโฟโตนิกในตัว เพื่อควบคุมลําแสงเลเซอร์ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

ข้อดี:

• การออกแบบโซลิดสเตตเต็มรูปแบบ
• ความน่าเชื่อถือสูง
• การรวมชิปที่ปรับขนาดได้

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี OPA ยังคงพัฒนาและยังคงมีราคาค่อนข้างแพง

---

7. ส่วนประกอบหลักของ LiDAR โซลิดสเตต

LiDAR โซลิดสเตตรวมโมดูลที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์หลายโมดูล

อาร์เรย์ตัวปล่อยเลเซอร์

สร้างลําแสงเลเซอร์หลายลําพร้อมกันเพื่อให้สามารถสแกนความเร็วสูงได้

อาร์เรย์ Photodetector

รับโฟตอนสะท้อนและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

โมดูลพวงมาลัยลําแสง

ใช้การสแกนโดยใช้กระจก MEMS, OPA โฟโตนิกส์ หรือการสลับอิเล็กทรอนิกส์

การประมวลผลและควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

โปรเซสเซอร์แบบฝังตัวทํา:

• การขยายสัญญาณ
• การกรองเสียงรบกวน
• การคํานวณระยะทาง
• การสร้างพอยต์คลาวด์ใหม่

ระบบเหล่านี้มักจะรวม ASIC หรือโปรเซสเซอร์ FPGA สําหรับการประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์

---

8. เครื่องกล vs Solid-State LiDAR : การเปรียบเทียบทางวิศวกรรม

พ

ลักษณะเฉพาะ	LiDAR เครื่องกล	LiDAR โซลิดสเตต
วิธีการสแกน	การประกอบออปติคัลแบบหมุน	วงมาลัยลําแสงอิเล็กทรอนิกส์หรือโฟโตนิก
ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว	ใช่	ไม่มีหรือน้อยที่สุด
ที่ดินของ View	สูงถึง 360°	โดยทั่วไป 90°–180°
ขนาด	ตัวเรือนเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่	โมดูลเซมิคอนดักเตอร์ขนาดกะทัดรัด
ความน่าเชื่อถือ	การสึกหรอทางกลเป็นไปได้	ความน่าเชื่อถือในระยะยาวที่สูงขึ้น
การผลิต	การประกอบเครื่องจักรกลที่ซับซ้อน	การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ปรับขนาดได้
แนวโน้มต้นทุน	สูงกว่า	ลดลงด้วยการผลิตจํานวนมาก

โดยทั่วไปแล้ว LiDAR แบบกลไกจะให้ ความละเอียดเชิงมุมที่สูงขึ้นและครอบคลุมที่กว้างขึ้น ในขณะที่ LiDAR แบบโซลิดสเตตให้ ความน่าเชื่อถือและศักยภาพในการรวมที่ดีกว่า

---

9. การใช้งานหลักของระบบ LiDAR

สถานการณ์การใช้งาน LiDAR

รูปที่ 4 แอปพลิเคชัน LiDAR ในระบบอัตโนมัติ

เทคโนโลยี LiDAR กลายเป็นสิ่งจําเป็นในแอพพลิเคชั่นตรวจจับขั้นสูงหลายอย่าง

ยานพาหนะไร้คนขับ

LiDAR ช่วยให้ยานพาหนะสามารถตรวจจับสิ่งกีดขวาง ระบุขอบเขตถนน และสร้างแผนที่ 3 มิติแบบเรียลไทม์ของสภาพแวดล้อม

หุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมและหุ่นยนต์เคลื่อนที่ใช้ LiDAR สําหรับ การแปลและการทําแผนที่พร้อมกัน (SLAM)

การทําแผนที่เชิงพื้นที่

ระบบ LiDAR ในอากาศสร้างแผนที่ภูมิประเทศความละเอียดสูงที่ใช้ใน:

• การสร้างแบบจําลองภูมิประเทศ
• การวางแผนโครงสร้างพื้นฐาน
• การวิเคราะห์ความเสี่ยงจากน้ําท่วม

การตรวจสอบป่าไม้และสิ่งแวดล้อม

LiDAR แทรกซึมชั้นพืชพรรณเพื่อวัด:

• โครงสร้างหลังคา
• ความสูงของต้นไม้
• ระดับความสูงของภูมิประเทศใต้ป่า

เมืองอัจฉริยะและโครงสร้างพื้นฐาน

นักวางผังเมืองใช้ LiDAR เพื่อสร้าง โมเดลเมือง 3 มิติที่มีความแม่นยําสูง สําหรับการจําลองและการวางแผน

---

10. ปัจจัยสําคัญในการเลือกระบบ LiDAR

การเลือกระบบ LiDAR ที่ถูกต้องจําเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ การผสานรวม และข้อจํากัดด้านต้นทุน

ช่วงการตรวจจับ

ช่วงเป็นตัวกําหนดว่าเซ็นเซอร์สามารถตรวจจับวัตถุได้อย่างน่าเชื่อถือเพียงใด ระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติมักต้องใช้ 150–300 เมตร

ความละเอียดเชิงมุม

ความละเอียดที่สูงขึ้นส่งผลให้พอยต์คลาวด์หนาแน่นขึ้นและการจดจําวัตถุที่ดีขึ้น

มุมมอง (FOV)

FOV แนวนอนและแนวตั้งที่กว้างช่วยเพิ่มความตระหนักด้านสิ่งแวดล้อม

อัตราเฟรม

ความถี่ในการสแกนที่สูงขึ้นช่วยให้ตรวจจับวัตถุที่เคลื่อนไหวได้เร็วขึ้น

ขนาดและการบูรณาการ

เซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัดมีความสําคัญต่อโดรน หุ่นยนต์ และระบบฝังตัว

การใช้พลังงาน

การออกแบบที่ใช้พลังงานต่ําเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

---

คําถามที่พบบ่อย

เหตุใดระบบ LiDAR โซลิดสเตตจึงเป็นที่นิยมมากขึ้น

LiDAR โซลิดสเตตกําจัดชิ้นส่วนกลไก ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ พร้อมลดต้นทุนการผลิตผ่านกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

LiDAR เชิงกลให้ความแม่นยําที่ดีกว่าหรือไม่?

LiDAR แบบกลไกมักจะให้ความละเอียดเชิงมุมที่สูงขึ้นและครอบคลุมการสแกนที่กว้างขึ้น ซึ่งอาจส่งผลให้พอยต์คลาวด์มีรายละเอียดมากขึ้น

ความยาวคลื่นใดที่ใช้กันทั่วไปในระบบ LiDAR

ระบบ LiDAR ส่วนใหญ่ทํางานที่ความยาวคลื่น 905 นาโนเมตรหรือ 1550 นาโนเมตร เนื่องจากความปลอดภัยและคุณสมบัติการส่งผ่านในบรรยากาศ

LiDAR สามารถทํางานในสภาพอากาศเลวร้ายได้หรือไม่?

ประสิทธิภาพอาจลดลงในฝนตกหนัก หมอก หรือหิมะ เนื่องจากอนุภาคในอากาศจะกระจายแสงเลเซอร์และลดความแรงของสัญญาณ

---

สรุป

LiDAR ได้กลายเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับพื้นฐานสําหรับระบบอัตโนมัติที่ทันสมัยและแอปพลิเคชันการทําแผนที่เชิงพื้นที่ Mechanical LiDAR ให้การสแกน 360 องศาความละเอียดสูง และในอดีตเป็นสถาปัตยกรรมที่โดดเด่นในแพลตฟอร์มการวิจัยและการทําแผนที่ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ได้เร่งการนํา LiDAR โซลิดสเตตมาใช้ เนื่องจากขนาดที่กะทัดรัด ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการปรับขนาด

สําหรับวิศวกรและนักออกแบบระบบ การเลือกโซลูชัน LiDAR ที่เหมาะสมจําเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับ ช่วง ความละเอียด ขอบเขตการมองเห็น การใช้พลังงาน และข้อจํากัดในการผสานรวม ในขณะที่การผลิตโฟโตนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ยังคงก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง LiDAR แบบโซลิดสเตตคาดว่าจะมีบทบาทสําคัญมากขึ้นในแพลตฟอร์มการตรวจจับยุคหน้า