Πώς λειτουργούν τα "μάτια" του lidar;
Πριν μιλήσουμε για το γιατί η σκόνη επηρεάζει το φαινόμενο αναγνώρισης του lidar, πρέπει πρώτα να διευκρινίσουμε πώς λειτουργεί το lidar.
Το LiDAR (LiDAR, πλήρες όνομα Light Detection and Ranging) είναι ένας ενεργός αισθητήρας που εκπέμπει από μόνος του μια ακτίνα λέιζερ και η ακτίνα λέιζερ ανακλάται πίσω αφού χτυπήσει γύρω αντικείμενα. Μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για κάθε παλμό λέιζερ να επιστρέψει από την εκπομπή, μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση και η κατεύθυνση του αντικειμένου στόχου, δημιουργώντας έτσι ένα τρισδιάστατο νέφος σημείων του περιβάλλοντος περιβάλλοντος.
Αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να λάβει πολύ ακριβείς περιβαλλοντικές πληροφορίες υπό ιδανικές συνθήκες, αλλά θα επηρεαστεί πολύ εάν συναντήσει αντικείμενα όπως σταγόνες βροχής, καπνό, σκόνη κ.λπ. Αυτά τα εμπόδια θα επηρεάσουν τη δέσμη λέιζερ, επηρεάζοντας έτσι την ποιότητα του επιστρεφόμενου σήματος.
Πώς η σκόνη παρεμβαίνει στα σήματα λέιζερ;
Όταν οι άνθρωποι οδηγούν αυτοκίνητα, εάν υπάρχει σκόνη στο περιβάλλον, στην πραγματικότητα έχει μικρό αντίκτυπο. Αλλά για το lidar, η σκόνη είναι στην πραγματικότητα μια πολύ ενοχλητική πηγή παρεμβολών.
Όταν η δέσμη λέιζερ συναντά σωματίδια σκόνης στον αέρα, εμφανίζεται σκέδαση και το φως που θα έπρεπε αρχικά να ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή εκτρέπεται από τα σωματίδια σκόνης. Μια τέτοια σκέδαση θα κάνει το σήμα επιστροφής πιο αδύναμο και πιο θολό, και κάποιο φως μπορεί να μην επιστρέψει καν στο άκρο λήψης. Όσο περισσότερη σκόνη υπάρχει, τόσο πιο σοβαρή θα είναι η σκέδαση φωτεινών κηλίδων και τόσο πιο αδύναμο θα είναι το ανιχνευόμενο αποτελεσματικό σήμα. Αυτό τελικά θα εκδηλωθεί ως αύξηση του θορύβου στα δεδομένα νέφους σημείου, ασαφή περιγράμματα αντικειμένων και ακόμη και εσφαλμένη εκτίμηση από το σύστημα ότι δεν υπάρχει εμπόδιο.
Εκτός από την εκτροπή του φωτός, η σκόνη προκαλεί επίσης απώλεια ενέργειας στη δέσμη κατά τη διάδοση, με αποτέλεσμα τη μείωση της ισχύος του σήματος που λαμβάνει ο δέκτης του ραντάρ. Μόλις η ισχύς του σήματος πέσει γύρω από το επίπεδο θορύβου του αισθητήρα, καθίσταται δύσκολο να γίνει ακριβής διάκριση μεταξύ πραγματικών αντανακλάσεων και θορύβου περιβάλλοντος, γεγονός που επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια εμβέλειας και την ικανότητα αναγνώρισης απομακρυσμένων αντικειμένων.
Η σκόνη μπορεί επίσης να προκαλέσει μόλυνση των παραθύρων προβολής LiDAR. Οι δέσμες εκπομπής και λήψης LiDAR πρέπει να περάσουν μέσα από ένα διαφανές προστατευτικό γυαλί ή παράθυρο. Εάν υπάρχει σκόνη προσκολλημένη στην επιφάνεια αυτού του παραθύρου και συσσωρεύεται σταδιακά και γίνεται πιο παχύρρευστη με την πάροδο του χρόνου, το λέιζερ θα παράγει διάχυτη ανάκλαση και απορρόφηση όταν περνά από αυτό το στρώμα ρύπανσης και το σήμα της δέσμης που βγαίνει και επιστρέφει θα εξασθενήσει ή ακόμη και θα αλλάξει την κατεύθυνση. Αυτό το είδος φυσικής απόφραξης έχει μεγάλο αντίκτυπο στη συνολική ποιότητα του νέφους σημείων. Όχι μόνο η μέτρηση της απόστασης θα είναι ανακριβής, αλλά μπορεί επίσης να κάνει το σύστημα να πιστέψει λανθασμένα ότι υπάρχει ένα εμπόδιο μπροστά ή να μην βλέπει καθόλου το πραγματικό αντικείμενο.
Πώς να μειώσετε την επίδραση της σκόνης στο lidar
Στην πραγματικότητα, πολλά αντίμετρα έχουν προταθεί και εφαρμοστεί για την παρεμβολή σκόνης.
Μια ιδέα είναι να μειώσετε την πρόσφυση της σκόνης στο παράθυρο από το υλικό. Κατά τη σχεδίαση του υλικού του κελύφους και της επίστρωσης του ραντάρ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά με υψηλή διαπερατότητα φωτός και ισχυρή αντι{1}}δυνατότητα ρύπανσης για τη μείωση της συσσώρευσης σκόνης στο προστατευτικό κάλυμμα, διασφαλίζοντας έτσι ότι το λέιζερ είναι όσο το δυνατόν λιγότερο μπλοκαρισμένο. Για παράδειγμα, σε ορισμένα σενάρια εφαρμογής, χρησιμοποιούνται προστατευτικά καλύμματα με νανο-αντιρρυπαντικές επικαλύψεις στην επιφάνεια για να αποτρέψουν την προσκόλληση της σκόνης και να παρατείνουν τον κύκλο καθαρισμού του εξοπλισμού.
Σε επίπεδο λογισμικού, η βιομηχανία έχει επίσης αναπτύξει στοχευμένους αλγόριθμους φιλτραρίσματος και αναγνώρισης. Αυτοί οι αλγόριθμοι θα συνδυάσουν την ένταση και την απόσταση της ηχούς λέιζερ και την κατανομή των σημείων γύρω από το νέφος σημείων για να καθορίσουν ποια σημεία είναι πιο πιθανό να είναι θόρυβος που προκαλείται από τη σκέδαση σκόνης και στη συνέχεια θα τα αφαιρέσουν από τα δεδομένα νέφους σημείου. Ένας τέτοιος «αλγόριθμος απομάκρυνσης σκόνης» μπορεί να επαναφέρει τις πληροφορίες νέφους σημείου του πραγματικού περιβάλλοντος σε κάποιο βαθμό και να μειώσει τον αντίκτυπο των ψευδών εμποδίων.
Μια άλλη μέθοδος είναι η σύντηξη αισθητήρων, η οποία είναι ο συνδυασμός lidar με άλλους τύπους αισθητήρων. Για παράδειγμα, οι κάμερες μπορούν να παρέχουν πληροφορίες εικόνας για να βοηθήσουν στη διάκριση της σκόνης από τους πραγματικούς στόχους. Το ραντάρ κυμάτων χιλιοστών-έχει καλύτερες δυνατότητες διείσδυσης για βροχή, ομίχλη και σκόνη. Ο συνδυασμός τους μπορεί να σχηματίσει ένα πιο ισχυρό σύστημα αντίληψης, το οποίο είναι πολύ πιο αξιόπιστο από ένα απλό lidar σε πολύπλοκα περιβάλλοντα.
Σε ορισμένα ειδικά ακραία σενάρια, θα προστεθούν ενεργά μέτρα καθαρισμού, όπως η εγκατάσταση συσκευών αερισμού, βουρτσών ή άλλων μονάδων μηχανικού καθαρισμού στο εξωτερικό του lidar για τον τακτικό καθαρισμό της σκόνης στην επιφάνεια του παραθύρου. Ωστόσο, αυτός ο τύπος λύσης έχει υψηλότερες απαιτήσεις κόστους και συντήρησης και χρησιμοποιείται κυρίως σε βιομηχανικά ή ειδικά περιβάλλοντα ρομπότ.
Συμπερασματικά,
Η σκόνη επηρεάζει το LiDAR με πολλούς τρόπους. Όχι μόνο διαταράσσει τη διαδρομή διάδοσης του λέιζερ, αλλά μειώνει επίσης την ισχύ του σήματος, μολύνει το παράθυρο του αισθητήρα και τελικά οδηγεί σε αυξημένο θόρυβο στα δεδομένα νέφους σημείων, μειωμένη ακρίβεια αναγνώρισης, μικρότερο εύρος ανίχνευσης, ακόμη και λανθασμένη εκτίμηση των εμποδίων. Για{2}}κρίσιμες εφαρμογές ασφάλειας, όπως η αυτόνομη οδήγηση, αυτές οι επιπτώσεις δεν μπορούν να αγνοηθούν.
