Jak działają „oczy” lidarowe?
Zanim porozmawiamy o tym, dlaczego pył wpływa na efekt rozpoznawania lidaru, musimy najpierw wyjaśnić, jak działa lidar.
LiDAR (LiDAR, pełna nazwa Light Detection and Ranging) to aktywny czujnik, który sam emituje wiązkę lasera, która po uderzeniu w otaczające obiekty odbija się z powrotem. Mierząc czas potrzebny każdemu impulsowi laserowemu na powrót z emisji, można obliczyć odległość i kierunek docelowego obiektu, tworząc w ten sposób trójwymiarową-chmurę punktów otaczającego środowiska.
Konstrukcja ta umożliwia uzyskanie bardzo dokładnych informacji o środowisku w idealnych warunkach, ale natrafienie na takie obiekty, jak krople deszczu, dym, kurz itp. będzie miało na nie duży wpływ. Przeszkody te będą miały wpływ na wiązkę lasera, wpływając w ten sposób na jakość zwracanego sygnału.
W jaki sposób pył zakłóca sygnały laserowe?
Kiedy ludzie jeżdżą samochodami, jeśli w środowisku występuje kurz, ma to tak naprawdę niewielki wpływ. Ale w przypadku lidara pył jest w rzeczywistości bardzo kłopotliwym źródłem zakłóceń.
Kiedy wiązka lasera napotyka cząsteczki kurzu znajdujące się w powietrzu, następuje rozproszenie, a światło, które pierwotnie powinno przemieszczać się po linii prostej, jest odbijane przez cząsteczki kurzu. Takie rozproszenie sprawi, że sygnał powrotny będzie słabszy i bardziej rozmyty, a część światła może nawet nie powrócić do końca odbiorczego. Im więcej kurzu, tym poważniejsze będzie rozproszenie plamki świetlnej i tym słabszy będzie wykryty skuteczny sygnał. Ostatecznie przejawi się to wzrostem szumu w danych chmury punktów, niejasnymi konturami obiektów, a nawet błędną oceną systemu, że nie ma przeszkody.
Oprócz odchylania światła, pył powoduje również utratę energii wiązki podczas propagacji, co powoduje zmniejszenie siły sygnału odbieranego przez odbiornik radaru. Gdy siła sygnału spadnie do poziomu zbliżonego do poziomu szumu czujnika, dokładne rozróżnienie pomiędzy rzeczywistymi odbiciami a szumem tła staje się trudne, co bezpośrednio wpływa na dokładność pomiaru odległości i zdolność identyfikowania odległych obiektów.
Kurz może również powodować zanieczyszczenie okienek LiDAR. Wiązki nadawczo-odbiorcze LiDAR muszą przejść przez przezroczystą szybę lub okno ochronne. Jeśli na powierzchni tego okna znajduje się kurz, który stopniowo się gromadzi i z czasem staje się coraz gęstszy, laser przy przejściu przez tę warstwę zanieczyszczeń będzie wytwarzał rozproszone odbicie i absorpcję, a sygnał wychodzącej i powracającej wiązki zostanie osłabiony lub nawet zmieni swój kierunek. Ten rodzaj okluzji fizycznej ma ogromny wpływ na ogólną jakość chmury punktów. Pomiar odległości będzie nie tylko niedokładny, ale może również spowodować, że system błędnie uzna, że przed nami znajduje się przeszkoda, lub w ogóle nie będzie widział prawdziwego obiektu.
Jak zmniejszyć wpływ kurzu na lidar
W rzeczywistości zaproponowano i zastosowano wiele środków zaradczych w przypadku zakłóceń pyłowych.
Jednym z pomysłów jest ograniczenie przywierania kurzu do okna od okuć. Przy projektowaniu materiału powłoki i powłoki radaru można zastosować materiały o wysokiej przepuszczalności światła i silnych-właściwościach przeciwporostowych, aby zmniejszyć gromadzenie się kurzu na osłonie ochronnej, zapewniając w ten sposób możliwie najmniejsze blokowanie lasera. Na przykład w niektórych scenariuszach zastosowań stosuje się osłony ochronne z nano-powłokami przeciwporostowymi na powierzchni, aby zapobiec przyleganiu kurzu i wydłużyć cykl czyszczenia sprzętu.
Na poziomie oprogramowania w branży opracowano również algorytmy ukierunkowanego filtrowania i rozpoznawania. Algorytmy te połączą intensywność i odległość echa laserowego oraz rozkład punktów wokół chmury punktów, aby określić, które punkty z większym prawdopodobieństwem są szumem powodowanym przez rozpraszanie pyłu, a następnie usunąć je z danych chmury punktów. Taki „algorytm usuwania kurzu” może w pewnym stopniu przywrócić informacje z chmury punktów rzeczywistego środowiska i zmniejszyć wpływ fałszywych przeszkód.
Inną metodą jest fuzja czujników, która polega na połączeniu lidaru z innymi typami czujników. Na przykład kamery mogą dostarczać informacji obrazowych, które pomogą odróżnić pył od rzeczywistych celów. Radar-milimetrowy ma lepszą zdolność penetracji deszczu, mgły i kurzu. Połączenie ich może stworzyć solidniejszy system percepcji, który jest znacznie bardziej niezawodny niż pojedynczy lidar w złożonych środowiskach.
W niektórych specjalnych, ekstremalnych scenariuszach zostaną dodane aktywne środki czyszczenia, takie jak zainstalowanie urządzeń nadmuchujących, szczotek lub innych mechanicznych modułów czyszczących na zewnątrz lidara, aby regularnie czyścić kurz z powierzchni okna. Jednakże tego typu rozwiązanie wiąże się z wyższymi kosztami i wymaganiami konserwacyjnymi i jest stosowane głównie w przemysłowych lub specjalnych środowiskach robotów.
Podsumowując,
pył wpływa na LiDAR na wiele sposobów. Nie tylko zakłóca tor propagacji lasera, ale także zmniejsza siłę sygnału, zanieczyszcza okno czujnika i ostatecznie prowadzi do zwiększenia szumu w danych chmury punktów, zmniejszenia dokładności rozpoznawania, skrócenia zasięgu wykrywania, a nawet błędnej oceny przeszkód. W przypadku zastosowań-krytycznych dla bezpieczeństwa, takich jak jazda autonomiczna, nie można ignorować tych wpływów.
