Як працюють «очі» лідара?
Перш ніж говорити про те, чому пил впливає на ефект розпізнавання лідара, нам потрібно спочатку пояснити, як працює лідар.
LiDAR (LiDAR, повна назва Light Detection and Ranging) — це активний датчик, який випромінює лазерний промінь сам по собі, і лазерний промінь відбивається після попадання на навколишні предмети. Вимірюючи час, який потрібен кожному лазерному імпульсу для повернення від випромінювання, можна обчислити відстань і напрямок цільового об’єкта, таким чином побудувавши три-вимірну хмару точок навколишнього середовища.
Ця конструкція може отримувати дуже точну інформацію про навколишнє середовище за ідеальних умов, але вона сильно постраждає, якщо натрапить на такі об’єкти, як краплі дощу, дим, пил тощо. Ці перешкоди впливатимуть на лазерний промінь, таким чином впливаючи на якість сигналу, що повертається.
Як пил заважає лазерним сигналам?
Коли люди їздять на автомобілях, якщо в навколишньому середовищі є пил, це фактично мало впливає. Але для лідара пил насправді є дуже неприємним джерелом перешкод.
Коли лазерний промінь стикається з частинками пилу в повітрі, відбувається розсіювання, і світло, яке спочатку мало рухатися по прямій лінії, відхиляється частинками пилу. Таке розсіювання зробить зворотний сигнал слабшим і більш розмитим, і частина світла може навіть не повернутися до приймального кінця. Чим більше пилу, тим серйознішим буде розсіювання світлових плям і тим слабшим буде виявлений ефективний сигнал. Згодом це проявиться у вигляді збільшення шуму в даних хмари точок, нечітких контурів об’єктів і навіть неправильного оцінювання системою того, що перешкод немає.
Окрім відхилення світла, пил також спричиняє втрату енергії променем під час розповсюдження, що спричиняє зниження потужності сигналу, отриманого радарним приймачем. Коли рівень сигналу падає приблизно до рівня шуму датчика, стає важко точно відрізнити реальні відображення від фонового шуму, що безпосередньо впливає на точність вимірювання відстані та здатність ідентифікувати віддалені об’єкти.
Пил також може спричинити забруднення оглядових вікон LiDAR. Передавальні та приймальні промені LiDAR повинні проходити через прозоре захисне скло або вікно. Якщо на поверхні цього вікна є пил, який поступово накопичується і стає густішим з часом, лазер вироблятиме дифузне відображення та поглинання під час проходження через цей шар забруднення, і сигнал променю, що виходить і повертається, буде послаблений або навіть змінить свій напрямок. Такий вид фізичної оклюзії має великий вплив на загальну якість хмари точок. Вимірювання відстані не тільки буде неточним, але й може змусити систему помилково вважати, що попереду є перешкода, або взагалі не бачити реального об’єкта.
Як зменшити вплив пилу на лідар
Насправді було запропоновано та застосовано багато контрзаходів проти впливу пилу.
Одна з ідей полягає в тому, щоб зменшити прилипання пилу до вікна від фурнітури. У конструкції матеріалу оболонки та покриття радара можна використовувати матеріали з високим коефіцієнтом пропускання світла та сильною -здібністю до забруднення, щоб зменшити накопичення пилу на захисному покритті, таким чином забезпечуючи якомога менше блокування лазера. Наприклад, у деяких сценаріях застосування захисні покриття з нано-необростаючими покриттями на поверхні використовуються для запобігання налипанню пилу та продовження циклу очищення обладнання.
На рівні програмного забезпечення галузь також розробила цільові алгоритми фільтрації та розпізнавання. Ці алгоритми поєднуватимуть інтенсивність і відстань лазерної луни та розподіл точок навколо хмари точок, щоб визначити, які точки, швидше за все, є шумом, спричиненим розсіюванням пилу, а потім видалять їх із даних хмари точок. Такий «алгоритм видалення пилу» може певною мірою відновити інформацію про хмару точок реального середовища та зменшити вплив помилкових перешкод.
Інший метод — злиття датчиків, тобто поєднання лідара з іншими типами датчиків. Наприклад, камери можуть надавати інформацію про зображення, щоб допомогти відрізнити пил від справжніх цілей. Радар міліметрового-хвиль має кращу проникаючу здатність для дощу, туману та пилу. Їх поєднання може сформувати більш надійну систему сприйняття, яка є набагато надійнішою, ніж один лідар у складних середовищах.
У деяких особливих екстремальних сценаріях будуть додані заходи активного очищення, такі як встановлення повітряних пристроїв, щіток або інших механічних модулів очищення на зовнішній стороні лідара для регулярного очищення поверхні вікна від пилу. Однак цей тип рішення має вищі витрати та вимоги до обслуговування та в основному використовується в промислових або спеціальних роботах.
На закінчення,
пил впливає на LiDAR різними способами. Це не лише порушує шлях розповсюдження лазера, але й зменшує потужність сигналу, забруднює вікно датчика та, зрештою, призводить до збільшення шуму в даних хмари точок, зниження точності розпізнавання, скорочення діапазону виявлення та навіть неправильної оцінки перешкод. Ці впливи не можна ігнорувати- для таких критично важливих для безпеки програм, як автономне водіння.
