Kako delujejo lidarske "oči"?
Preden govorimo o tem, zakaj prah vpliva na učinek prepoznavanja lidarja, moramo najprej razjasniti, kako lidar deluje.
LiDAR (LiDAR, polno ime Light Detection and Ranging) je aktivni senzor, ki sam oddaja laserski žarek, ta pa se po udarcu v okoliške predmete odbije nazaj. Z merjenjem časa, ki je potreben, da se vsak laserski impulz vrne iz emisije, je mogoče izračunati razdaljo in smer ciljnega predmeta ter tako zgraditi tri{1}}dimenzionalni oblak točk okolice.
Ta zasnova lahko pridobi zelo natančne podatke o okolju v idealnih pogojih, vendar bo nanjo močno vplivalo, če bo naletela na predmete, kot so dežne kapljice, dim, prah itd. Te ovire bodo vplivale na laserski žarek in tako vplivale na kakovost vrnjenega signala.
Kako prah moti laserske signale?
Ko ljudje vozimo avtomobile, če je v okolju prah, ima to dejansko majhen vpliv. Toda za lidar je prah pravzaprav zelo moteč vir motenj.
Ko laserski žarek naleti na prašne delce v zraku, pride do sipanja in svetloba, ki naj bi prvotno potovala v ravni črti, se odkloni od prašnih delcev. Zaradi takšnega sipanja bo povratni signal šibkejši in bolj zamegljen, nekaj svetlobe pa se morda sploh ne bo vrnilo na sprejemni konec. Več ko je prahu, resnejše bo razprševanje svetlobnih točk in šibkejši bo zaznani učinkoviti signal. To se bo sčasoma pokazalo kot povečanje šuma v podatkih oblaka točk, nejasni obrisi predmetov in celo napačna presoja sistema, da ni ovire.
Poleg tega, da prah odbija svetlobo, povzroča tudi izgubo energije žarka med širjenjem, zaradi česar se zmanjša moč signala, ki ga sprejema radarski sprejemnik. Ko moč signala pade približno na raven šuma senzorja, postane težko natančno razlikovati med resničnimi odsevi in šumom v ozadju, kar neposredno vpliva na natančnost določanja razdalje in zmožnost prepoznavanja oddaljenih predmetov.
Prah lahko povzroči tudi kontaminacijo vidnih oken LiDAR. Oddajni in sprejemni žarki LiDAR morajo iti skozi prozorno zaščitno steklo ali okno. Če je na površini tega okna pritrjen prah, ki se postopoma kopiči in sčasoma postane debelejši, bo laser pri prehodu skozi to plast onesnaženja povzročil razpršen odboj in absorpcijo, signal žarka, ki gre ven in se vrača, pa bo oslabljen ali celo spremenil svojo smer. Ta vrsta fizične okluzije močno vpliva na splošno kakovost oblaka točk. Ne samo, da bo merjenje razdalje netočno, ampak lahko povzroči tudi, da bo sistem zmotno verjel, da je pred vami ovira, ali pa sploh ne bo videl pravega predmeta.
Kako zmanjšati vpliv prahu na lidar
Pravzaprav so bili predlagani in uporabljeni številni protiukrepi za motnje prahu.
Ena od zamisli je zmanjšati oprijem prahu z okovja na okno. Pri zasnovi materiala ohišja radarja in prevleke se lahko uporabijo materiali z visoko prepustnostjo svetlobe in močno sposobnostjo proti -obraščanju, da se zmanjša nabiranje prahu na zaščitnem pokrovu, s čimer se zagotovi, da je laser čim manj blokiran. V nekaterih scenarijih uporabe se na primer uporabljajo zaščitni pokrovi z nano-premazi proti obraščanju na površini, da preprečijo oprijem prahu in podaljšajo cikel čiščenja opreme.
Na ravni programske opreme je industrija razvila tudi ciljane algoritme za filtriranje in prepoznavanje. Ti algoritmi bodo združili intenzivnost in razdaljo laserskega odmeva ter porazdelitev točk okoli oblaka točk, da bi ugotovili, za katere točke obstaja večja verjetnost, da bodo povzročile hrup zaradi razprševanja prahu, in jih nato odstranili iz podatkov oblaka točk. Tak "algoritem za odstranjevanje prahu" lahko do določene mere obnovi informacije o oblaku točk realnega okolja in zmanjša vpliv lažnih ovir.
Druga metoda je senzorska fuzija, ki je kombinacija lidarja z drugimi vrstami senzorjev. Na primer, kamere lahko zagotovijo slikovne informacije, ki pomagajo razlikovati prah od resničnih tarč. Radar z-milimetrskimi valovi ima boljše zmogljivosti prodora v dež, meglo in prah. Njihova kombinacija lahko tvori robustnejši sistem zaznavanja, ki je veliko bolj zanesljiv kot en sam lidar v kompleksnih okoljih.
V nekaterih posebnih ekstremnih scenarijih bodo dodani aktivni čistilni ukrepi, kot je namestitev naprav za pihanje zraka, ščetk ali drugih mehanskih čistilnih modulov na zunanji strani lidarja za redno čiščenje prahu s površine okna. Vendar ima ta vrsta rešitve višje zahteve glede stroškov in vzdrževanja ter se večinoma uporablja v industrijskih ali posebnih robotskih okoljih.
Za zaključek
prah vpliva na LiDAR na več načinov. Ne moti le poti širjenja laserja, ampak tudi zmanjša moč signala, onesnaži okno senzorja in na koncu povzroči povečan šum v podatkih oblaka točk, zmanjšano natančnost prepoznavanja, skrajšan obseg zaznavanja in celo napačno presojo ovir. Za varnost{2}}kritične aplikacije, kot je avtonomna vožnja, teh vplivov ni mogoče prezreti.
