LiDARセンサーの高度な技術と産業別活用事例

2024年11月26日

LiDARセンサーとは

LiDAR（Light Detection and Ranging）センサーは、レーザー光を利用して対象物までの距離を高精度に測定し、周囲環境の詳細な3Dマッピングを可能にする技術です。この仕組みは、レーザー光を照射し、その反射時間を基に距離を計測しています。

この技術は、もともと航空測量や地理情報システム（GIS）に応用されてきましたが、技術の進化により幅広く利用されるようになっています。

特に産業用に最適化された小型LiDARセンサーの開発が進んだことで、低コストになり、汎用性が高まったため、リアルタイムで高精度な距離測定や障害物検出を工場内や自動化システムにも適用できるようになっています。

自動運転・ロボティクス分野で活用

LiDARセンサーは、自動運転車やロボティクスの分野で「目」の役割を果たし、環境を詳細に捉えるための非常に重要な役割を担っています。

レーザー光を用いて物体までの距離を測定し、周囲の3Dマップを生成することで、車両やロボットが自己位置を正確に把握し、周囲の物体との位置関係をリアルタイムに認識できるようにします。

この技術により、ロボットや自動運転車は、障害物を回避しながら目的地に向かう安全で効率的なルートを選択でき、異なる環境下でも安定して動作することができるのです。

LiDARセンサー導入のメリット

LiDARセンサーの導入により、精密な計測とデータ解析が可能となり、さまざまな業務の効率化が期待できます。LiDARセンサーを導入することで得られる具体的なメリットについて詳しく見ていきましょう。

精度の高い3D空間認識

LiDARセンサーの大きな強みは、その優れた精度です。光を使って距離を測定するため、非常に詳細な3Dデータを取得でき、周囲の環境を正確に把握することができます。この特性は、特に自律型ロボットやAGV（無人搬送車）の運行において重要です。

工場内や倉庫で使用されるロボットは、障害物を避けながら自律的に動く必要がありますが、LiDARセンサーを搭載することで、リアルタイムで周囲の状況を検知し、安全かつ効率的に動作できます。

さらに、建設や土木分野では、現場の地形データを精密に取得するため、進捗や計画を可視化することができ、プロジェクトの管理がより効率的に行えるようになります。

生産性向上とコスト削減

LiDARセンサーを用いて、リアルタイムにデータを取得し分析することで、作業効率や生産性を向上させることができます。

例えば、製造ラインや設備の監視にLiDARセンサーを活用することで、設備の異常を早期に発見し、ダウンタイムを最小化することができます。これにより、無駄なメンテナンス作業が減少し、保守コストが削減されるとともに、予期しないトラブルによる生産遅延も防ぐことができます。

また、リアルタイムのモニタリング機能により、作業フローを最適化することが可能となり、効率的な運用が実現します。

高い安全性の確保

産業現場では、労働安全が最も重要な課題の一つです。LiDARセンサーを導入することで、特に危険なエリアでの安全対策が強化されます。

たとえば、工場内の無人搬送車やロボットが周囲を認識して人や物と接触しないようにするために、LiDARセンサーはリアルタイムで障害物を検知し、必要に応じて動作を停止させることができます。

さらに、LiDARセンサーは非常に広い範囲をカバーできるため、大型機械や重機にも適用可能で、操作ミスや衝突を防ぎます。建設現場や高リスクな作業環境においても、LiDARセンサーは安全性の向上に役立ちます。

LiDARセンサーの種類

LiDARセンサーはスキャン方式で2つの方式があります。。用途や設置環境によって適したタイプが異なるため、導入時には最適なものを選択することが重要です。それでは種類について詳しく見ていきましょう。

ソリッドステート式 LiDARセンサー

ソリッドステート式LiDARセンサーは、内部に可動部品がなく、半導体技術を使用してレーザーを制御・照射します。動作部分がないため、摩耗や故障のリスクが少なく、耐久性が高いのが特長です。機械的な振動や衝撃に強いため、メンテナンスの負担が少なく、車両や産業機器といった、長時間にわたって動作する環境に適しています。

また、センサーの小型化が可能なため、モバイル機器や小型ロボット、さらにはスマートフォンへの搭載も進んでいます。

回転式スキャニング方式 LiDARセンサー

回転式スキャニング方式LiDARセンサーは、回転するミラーやレンズを使ってレーザーを周囲にスキャンし、広範囲を測定する方式です。360度にわたる全方位のスキャンが可能なため、広いエリアや複雑な形状の物体を詳細に把握できます。

これにより、自動運転車やドローン、建設機械など、広範囲での高精度な位置検出が求められる場面で多く活用されています。ただし、回転機構が含まれるため、メンテナンスが必要であり、耐久性やコスト面でソリッドステート式と比べると負担が大きいという側面もあります。

LiDARセンサーの主要な産業用途

LiDAR技術は、精密な距離測定や空間認識が求められるさまざまな産業分野で活用されています。高い精度で周囲の環境をスキャンできることから、従来のセンサーでは難しかった業務の効率化や安全性向上が期待されています。

以下では、LiDARセンサーが主要な産業でどのように応用されているか、その具体的な用途について詳しく見ていきましょう。

製造業

・工場内の自動化
LiDARセンサーを搭載した自動搬送ロボット（AGV）は、精密な距離測定と障害物検知によって、工場内での部品や製品の移動を自動化しています。これにより、効率的な製造ラインの維持と、人的リソースの削減が可能です。

・品質管理システム
LiDARセンサーを活用して製品や部品の寸法をリアルタイムで測定することができ、細かな欠陥や歪みを高精度で検出します。例えば、3Dスキャンによる品質検査が可能になり、不良品の早期発見や、品質の安定化が実現します。

・機械のリアルタイム位置確認
製造ライン内で稼働する機械の位置をLiDARセンサーでリアルタイムに把握し、工場全体の稼働状況を最適化するシステムに組み込むことができます。これにより、効率的な製造プロセスの管理や、稼働効率の改善が見込まれます。

建設業

・現場の地形計測
LiDARセンサーを搭載したドローンや地上測量装置を用いることで、現場全体の地形や高さのデータを正確に収集できます。これにより、施工前の地形データ作成や進捗管理、周辺環境との調整が容易になります。

・安全管理
LiDARセンサーを活用した自動監視システムにより、現場内の障害物や立ち入り禁止エリアの監視が可能です。リアルタイムでの人や車両の動きをモニターし、危険箇所の警告や入場制限を自動化することで、安全性を高めます。

・施工の進捗管理
施工現場にLiDARセンサーを導入することで、毎日の進捗を正確に把握し、施工計画と実際の進行度を比較することが可能です。この情報をもとに、工事のスケジュールを最適化し、計画通りの進行をサポートします。

物流業

・在庫管理
LiDARセンサーは倉庫内の在庫を3Dマッピングし、正確な位置把握と自動在庫カウントを可能にします。これにより、在庫の配置最適化やスペースの有効活用が実現され、棚卸し作業が効率化します。
また、リアルタイムで在庫レベルを把握できるため、適切な補充タイミングを計画しやすく、欠品や過剰在庫のリスクが減少します。さらに、障害物や作業員を検知することで、安全な作業環境も確保できます。

・倉庫自動化
LiDARセンサーを搭載した自動フォークリフトや倉庫ロボットは、商品の棚出しや運搬作業を自動化します。障害物検知やルート最適化により、倉庫内の動きが効率化され、人手による作業負担が大幅に軽減されます。

・輸送ルートの最適化
LiDARセンサーによって正確な距離や地形データを取得することで、輸送ルートの最適化が可能です。特に、大型倉庫や複雑なレイアウトの物流センターにおいて、最適な経路を設定することにより、搬送効率とコスト削減が図れます。

農業

・農作物のモニタリング
農地に設置したLiDARセンサーやドローンで、作物の高さや密度を計測し、成長状況をリアルタイムで追跡できます。これにより、収穫時期の予測や農薬散布のタイミングの最適化が可能です。

・ドローンによる農地調査
LiDARセンサーを搭載したドローンを用いることで、広範囲の農地を効率的にスキャンし、土壌や地形の情報を取得できます。これにより、排水の状態や地表の傾斜を把握し、農業計画の改善に役立てることができます。

・土壌のスキャン技術
LiDARセンサーを活用した土壌のスキャン技術は、地形の起伏や傾斜を高精度で計測し、排水路の設計や灌漑計画に役立ちます。
これにより、土地の細かな変化を把握し、効率的な農業運営や土壌改良が可能になります。リアルタイムで詳細な3D地形マップを作成し、作物生産に最適な土地管理をサポートします。

LiDARセンサーの課題

LiDARセンサーは多くの産業で注目されていますが、課題も存在します。これらの課題は、技術の導入や実運用において注意すべき点となるので、詳しく見ていきましょう。

高コスト

LiDARセンサーは、特に回転式の高性能センサーでは製造コストが高く、自動車や小型ドローンなどの量産が求められる製品への採用が難しい点が課題です。

近年、ソリッドステート式LiDARなど低価格な技術が開発され、コスト削減が進んではいるものの、カメラやレーダーと比べると依然として高価であるため、消費者向け製品や低価格な産業機器での採用が制限されています。

気象条件による影響

LiDARセンサーは、雨、霧、雪といった天候の影響を受けやすいという問題があります。レーザー光は水滴や霧に反射・散乱されやすく、これにより測定精度が低下し、周囲の状況を正確に把握しにくくなります。

自動運転車では天候を問わず安全に走行する必要があるため、こうした天候条件の影響を抑える技術開発が進められていますが、完全な解決には至っていません。

データ量の多さと処理負担

LiDARセンサーは膨大なデータを生成します。自動運転やロボット工学などリアルタイム性が求められる分野では、データ処理の速度と容量が性能に直結するため、高性能なプロセッサやデータ処理技術が必須となります。さらに、データのストレージや通信にかかるコストも無視できず、インフラコストがかさむことが課題です。