Kā darbojas lidara "acis"?
Pirms runāt par to, kāpēc putekļi ietekmē lidara atpazīšanas efektu, mums vispirms ir jānoskaidro, kā darbojas lidars.
LiDAR (LiDAR, pilns nosaukums Light Detection and Ranging) ir aktīvs sensors, kas pats izstaro lāzera staru, un lāzera stars atstarojas pēc trieciena apkārtējiem objektiem. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai katrs lāzera impulss atgrieztos no emisijas, var aprēķināt mērķa objekta attālumu un virzienu, tādējādi izveidojot apkārtējās vides trīsdimensiju punktu mākoni.
Šis dizains var iegūt ļoti precīzu vides informāciju ideālos apstākļos, taču tas tiks ļoti ietekmēts, ja tas saskarsies ar tādiem objektiem kā lietus lāses, dūmi, putekļi utt. Šie šķēršļi ietekmēs lāzera staru, tādējādi ietekmējot atgrieztā signāla kvalitāti.
Kā putekļi ietekmē lāzera signālus?
Kad cilvēki brauc ar automašīnām, ja vidē ir putekļi, tam faktiski ir maza ietekme. Bet lidaram putekļi patiesībā ir ļoti apgrūtinošs traucējumu avots.
Kad lāzera stars saskaras ar putekļu daļiņām gaisā, notiek izkliede, un putekļu daļiņas novirza gaismu, kurai sākotnēji vajadzētu virzīties taisnā līnijā. Šāda izkliede padarīs atgriešanās signālu vājāku un neskaidrāku, un daļa gaismas var pat neatgriezties uz uztveršanas galu. Jo vairāk putekļu, jo nopietnāka būs gaismas plankumu izkliede un vājāks būs konstatētais efektīvais signāls. Tas galu galā izpaudīsies kā trokšņa palielināšanās punktu mākoņa datos, neskaidras objektu kontūras un pat sistēmas nepareizs vērtējums, ka nav šķēršļu.
Papildus gaismas novirzīšanai putekļi izraisa arī staru enerģijas zudumu izplatīšanās laikā, izraisot radara uztvērēja uztvertā signāla stipruma samazināšanos. Kad signāla stiprums samazinās līdz aptuveni sensora trokšņa līmenim, kļūst grūti precīzi atšķirt reālos atspulgus no fona trokšņiem, kas tieši ietekmē diapazona precizitāti un spēju identificēt tālus objektus.
Putekļi var izraisīt arī LiDAR skata logu piesārņojumu. LiDAR raidošajiem un uztverošajiem stariem ir jāiziet cauri caurspīdīgam aizsargstiklam vai logam. Ja uz šī loga virsmas ir piestiprināti putekļi, kas pakāpeniski uzkrājas un laika gaitā kļūst biezāki, lāzers, izejot cauri šim piesārņojuma slānim, radīs izkliedētu atstarošanu un absorbciju, un staru kūļa signāls, kas iziet un atgriežas, tiks vājināts vai pat mainīs virzienu. Šāda veida fiziskai oklūzijai ir liela ietekme uz punktu mākoņa kopējo kvalitāti. Attāluma mērījums ne tikai būs neprecīzs, bet arī var likt sistēmai maldīgi uzskatīt, ka priekšā ir šķērslis vai vispār neredzēt īsto objektu.
Kā samazināt putekļu ietekmi uz lidaru
Faktiski daudzi pretpasākumi ir ierosināti un piemēroti putekļu traucējumu novēršanai.
Viena no idejām ir samazināt putekļu saķeri ar logu no aparatūras. Radara apvalka materiāla un pārklājuma konstrukcijā var izmantot materiālus ar augstu gaismas caurlaidību un spēcīgu pret-apaugšanas spēju, lai samazinātu putekļu uzkrāšanos uz aizsargpārsega, tādējādi nodrošinot, ka lāzers tiek pēc iespējas mazāk bloķēts. Piemēram, dažos pielietojuma scenārijos tiek izmantoti aizsargpārsegi ar nano-pretapaugšanas pārklājumiem uz virsmas, lai novērstu putekļu pielipšanu un pagarinātu iekārtas tīrīšanas ciklu.
Programmatūras līmenī nozare ir izstrādājusi arī mērķtiecīgus filtrēšanas un atpazīšanas algoritmus. Šie algoritmi apvienos lāzera atbalss intensitāti un attālumu un punktu sadalījumu ap punktu mākoni, lai noteiktu, kuri punkti, visticamāk, ir putekļu izkliedes radītais troksnis, un pēc tam noņems tos no punktu mākoņa datiem. Šāds "putekļu noņemšanas algoritms" var zināmā mērā atjaunot reālās vides punktu mākoņu informāciju un samazināt viltus šķēršļu ietekmi.
Vēl viena metode ir sensoru saplūšana, kas ir apvienot lidaru ar cita veida sensoriem. Piemēram, kameras var nodrošināt attēla informāciju, lai palīdzētu atšķirt putekļus no īstiem mērķiem. Milimetru-viļņu radaram ir labākas lietus, miglas un putekļu iekļūšanas iespējas. Tos apvienojot, var izveidoties spēcīgāka uztveres sistēma, kas ir daudz uzticamāka nekā viens lidars sarežģītās vidēs.
Dažos īpašos ekstremālos scenārijos tiks pievienoti aktīvi tīrīšanas pasākumi, piemēram, gaisa pūšanas ierīču, birstes vai citu mehāniskās tīrīšanas moduļu uzstādīšana lidara ārpusē, lai regulāri notīrītu putekļus no loga virsmas. Tomēr šāda veida risinājumiem ir augstākas izmaksas un uzturēšanas prasības, un tos galvenokārt izmanto rūpnieciskās vai īpašās robotu vidēs.
Nobeigumā
putekļi daudzos veidos ietekmē LiDAR. Tas ne tikai izjauc lāzera izplatīšanās ceļu, bet arī samazina signāla stiprumu, piesārņo sensora logu un galu galā palielina punktu mākoņu datu troksni, samazina atpazīšanas precizitāti, saīsina noteikšanas diapazonu un pat nepareizi novērtē šķēršļus. Drošības-svarīgu lietojumu, piemēram, autonomās braukšanas, gadījumā šo ietekmi nevar ignorēt.
