Jak fungují lidarové „oči“?
Než budeme mluvit o tom, proč prach ovlivňuje rozpoznávací efekt lidaru, musíme si nejprve ujasnit, jak lidar funguje.
LiDAR (LiDAR, celým názvem Light Detection and Ranging) je aktivní senzor, který sám vysílá laserový paprsek a po dopadu na okolní předměty se laserový paprsek odráží zpět. Měřením doby, za kterou se každý laserový pulz vrátí z emise, lze vypočítat vzdálenost a směr cílového objektu, čímž se vytvoří trojrozměrné mračno bodů okolního prostředí.
Tato konstrukce dokáže za ideálních podmínek získat velmi přesné informace o okolním prostředí, ale bude to značně ovlivněno, pokud narazí na předměty, jako jsou kapky deště, kouř, prach atd. Tyto překážky ovlivní laserový paprsek, a tím ovlivní kvalitu vráceného signálu.
Jak prach ruší laserové signály?
Když lidé řídí auta, pokud je v prostředí prach, má to ve skutečnosti malý dopad. Ale pro lidar je prach ve skutečnosti velmi nepříjemným zdrojem rušení.
Když laserový paprsek narazí na prachové částice ve vzduchu, dojde k rozptylu a světlo, které by se mělo původně šířit přímočaře, je prachovými částicemi vychýleno. Takový rozptyl způsobí, že zpětný signál bude slabší a rozmazanější a část světla se nemusí vrátit na přijímací konec. Čím více prachu je, tím závažnější bude rozptyl světelných bodů a tím slabší bude detekovaný efektivní signál. To se nakonec projeví zvýšením šumu v datech mračna bodů, nejasnými obrysy objektů a dokonce i chybným úsudkem systému, že neexistuje žádná překážka.
Kromě vychylování světla způsobuje prach také ztrátu energie paprsku během šíření, což způsobuje snížení síly signálu přijímaného radarovým přijímačem. Jakmile síla signálu klesne na úroveň kolem úrovně šumu snímače, je obtížné přesně rozlišit mezi skutečnými odrazy a šumem na pozadí, což přímo ovlivňuje přesnost dosahu a schopnost identifikovat vzdálené objekty.
Prach může také způsobit kontaminaci průzorů LiDAR. Vysílací a přijímací paprsky LiDARu musí procházet průhledným ochranným sklem nebo oknem. Pokud je na povrchu tohoto okénka přichycený prach, který se postupně hromadí a postupem času tloustne, bude laser při průchodu touto vrstvou znečištění produkovat difúzní odraz a absorpci a signál vycházejícího a zpětného paprsku bude zeslaben nebo dokonce změní svůj směr. Tento druh fyzické okluze má velký dopad na celkovou kvalitu mračna bodů. Nejen, že měření vzdálenosti bude nepřesné, ale může také způsobit, že se systém mylně domnívá, že před námi je překážka, nebo že skutečný objekt vůbec nevidí.
Jak snížit dopad prachu na lidar
Ve skutečnosti bylo navrženo a aplikováno mnoho protiopatření proti interferenci prachu.
Jedním z nápadů je snížit přilnavost prachu k oknu z kování. Při konstrukci materiálu pláště a povlaku radaru lze použít materiály s vysokou propustností světla a silnou -schopností proti znečištění, aby se snížilo hromadění prachu na ochranném krytu, čímž se zajistí, že laser bude co nejméně blokován. V některých aplikačních scénářích se například používají ochranné kryty s nano-nátěry proti znečištění na povrchu, které zabraňují ulpívání prachu a prodlužují cyklus čištění zařízení.
Na softwarové úrovni průmysl také vyvinul cílené filtrovací a rozpoznávací algoritmy. Tyto algoritmy budou kombinovat intenzitu a vzdálenost laserového echa a rozložení bodů kolem mračna bodů, aby určily, které body jsou pravděpodobněji zdrojem hluku způsobeného rozptylem prachu, a poté je odstraní z dat mračna bodů. Takový „algoritmus odstraňování prachu“ může do určité míry obnovit informace o mračnu bodů reálného prostředí a snížit dopad falešných překážek.
Další metodou je senzorová fúze, což je kombinace lidaru s jinými typy senzorů. Kamery mohou například poskytnout obrazové informace, které pomohou odlišit prach od skutečných cílů. Radar s milimetrovými{2}}vlnami má lepší schopnost pronikat do deště, mlhy a prachu. Jejich kombinací lze vytvořit robustnější systém vnímání, který je mnohem spolehlivější než jeden lidar ve složitých prostředích.
V některých speciálních extrémních scénářích budou přidána aktivní čisticí opatření, jako je instalace zařízení pro foukání vzduchu, kartáčů nebo jiných mechanických čisticích modulů na vnější stranu lidaru pro pravidelné čištění prachu z povrchu okna. Tento typ řešení má však vyšší náklady a nároky na údržbu a používá se hlavně v průmyslových nebo speciálních robotických prostředích.
Na závěr,
prach ovlivňuje LiDAR mnoha způsoby. Nejen, že narušuje cestu šíření laseru, ale také snižuje sílu signálu, kontaminuje okénko senzoru a v konečném důsledku vede ke zvýšenému šumu v datech mračna bodů, snížení přesnosti rozpoznávání, zkrácení detekčního dosahu a dokonce i špatnému odhadu překážek. U aplikací kritických z hlediska bezpečnosti-, jako je autonomní řízení, nelze tyto dopady ignorovat.
