Cum funcționează „ochii” lidar?
Înainte de a vorbi despre motivul pentru care praful afectează efectul de recunoaștere al lidarului, trebuie să clarificăm mai întâi cum funcționează lidarul.
LiDAR (LiDAR, numele complet Light Detection and Ranging) este un senzor activ care emite un fascicul laser de la sine, iar fasciculul laser se reflectă înapoi după ce lovește obiectele din jur. Măsurând timpul necesar fiecărui impuls laser pentru a reveni de la emisie, distanța și direcția obiectului țintă pot fi calculate, construind astfel un nor de puncte tri-dimensional al mediului înconjurător.
Acest design poate obține informații de mediu foarte precise în condiții ideale, dar va fi foarte afectat dacă va întâlni obiecte precum picături de ploaie, fum, praf etc. Aceste obstacole vor afecta fasciculul laser, afectând astfel calitatea semnalului returnat.
Cum interferează praful cu semnalele laser?
Când oamenii conduc mașini, dacă există praf în mediu, acesta are de fapt un impact redus. Dar pentru lidar, praful este de fapt o sursă de interferență foarte supărătoare.
Când fasciculul laser întâlnește particule de praf în aer, are loc împrăștierea, iar lumina care ar trebui să călătorească inițial în linie dreaptă este deviată de particulele de praf. O astfel de împrăștiere va face semnalul de întoarcere mai slab și mai neclar, iar o anumită lumină poate să nu mai revină la capătul de recepție. Cu cât este mai mult praf, cu atât împrăștierea punctelor de lumină va fi mai gravă și cu atât semnalul eficient detectat va fi mai slab. Acest lucru se va manifesta în cele din urmă ca o creștere a zgomotului în datele din norul de puncte, contururi neclare ale obiectelor și chiar o evaluare greșită a sistemului că nu există niciun obstacol.
În plus față de devierea luminii, praful face ca fasciculul să piardă energie în timpul propagării, determinând scăderea puterii semnalului primit de receptorul radar. Odată ce puterea semnalului scade în jurul nivelului de zgomot al senzorului, devine dificil să distingem cu precizie reflecțiile reale și zgomotul de fundal, care afectează în mod direct precizia distanței și capacitatea de a identifica obiectele îndepărtate.
Praful poate provoca, de asemenea, contaminarea ferestrelor de vizualizare LiDAR. Fasciculele de transmisie și recepție LiDAR trebuie să treacă printr-o sticlă sau o fereastră de protecție transparentă. Dacă pe suprafața acestei ferestre este praf atașat, iar acesta se acumulează treptat și devine mai gros în timp, laserul va produce reflexie difuză și absorbție la trecerea prin acest strat de poluare, iar semnalul fasciculului care iese și se întoarce va fi slăbit sau chiar își va schimba direcția. Acest tip de ocluzie fizică are un impact mare asupra calității generale a norului de puncte. Nu numai că măsurarea distanței va fi inexactă, dar poate face sistemul să creadă în mod eronat că există un obstacol în față sau să nu vadă deloc obiectul real.
Cum se reduce impactul prafului asupra lidarului
De fapt, multe contramăsuri au fost propuse și aplicate la interferența prafului.
O idee este reducerea aderenței prafului la fereastră din feronerie. În proiectarea materialului și învelișului radarului, pot fi utilizate materiale cu transmisie ridicată a luminii și cu o puternică capacitate anti--încrustare pentru a reduce acumularea de praf pe capacul de protecție, asigurând astfel că laserul este cât mai puțin blocat posibil. De exemplu, în unele scenarii de aplicare, capacele de protecție cu nano-învelișuri antifouling pe suprafață sunt folosite pentru a preveni aderența prafului și pentru a extinde ciclul de curățare al echipamentului.
La nivel de software, industria a dezvoltat, de asemenea, algoritmi de filtrare și recunoaștere vizați. Acești algoritmi vor combina intensitatea și distanța ecoului laser și distribuția punctelor în jurul norului de puncte pentru a determina care puncte sunt mai susceptibile de a fi zgomot cauzat de împrăștierea prafului și apoi le vor elimina din datele noului de puncte. Un astfel de „algoritm de îndepărtare a prafului” poate restabili într-o anumită măsură informațiile din norul de puncte din mediul real și poate reduce impactul obstacolelor false.
O altă metodă este fuziunea senzorilor, care este să combine lidar cu alte tipuri de senzori. De exemplu, camerele pot oferi informații despre imagine pentru a ajuta la distingerea prafului de ținte reale. Radarul cu unde milimetrice-are capacități de penetrare mai bune pentru ploaie, ceață și praf. Combinarea acestora poate forma un sistem de percepție mai robust, care este mult mai fiabil decât un singur lidar în medii complexe.
În unele scenarii extreme speciale, se vor adăuga măsuri active de curățare, cum ar fi instalarea de dispozitive de suflare a aerului, perii sau alte module de curățare mecanică pe exteriorul lidarului pentru a curăța în mod regulat praful de pe suprafața ferestrei. Cu toate acestea, acest tip de soluție are cerințe mai mari de cost și întreținere și este utilizat în principal în medii industriale sau speciale de roboți.
În concluzie,
praful afectează LiDAR în multe feluri. Nu numai că perturbă calea de propagare a laserului, dar și reduce puterea semnalului, contaminează fereastra senzorului și, în cele din urmă, duce la creșterea zgomotului în datele din norul de puncte, la scăderea acurateței recunoașterii, la scurtarea razei de detectare și chiar la evaluarea greșită a obstacolelor. Pentru aplicațiile critice-de siguranță, cum ar fi conducerea autonomă, aceste impacturi nu pot fi ignorate.
