Hvordan fungerer lidar "øyne"?
Før vi snakker om hvorfor støv påvirker gjenkjennelseseffekten av lidar, må vi først avklare hvordan lidar fungerer.
LiDAR (LiDAR, fullt navn Light Detection and Ranging) er en aktiv sensor som sender ut en laserstråle av seg selv, og laserstrålen reflekteres tilbake etter å ha truffet omkringliggende objekter. Ved å måle tiden det tar for hver laserpuls å returnere fra emisjon, kan avstanden og retningen til målobjektet beregnes, og derved konstruere en tredimensjonal punktsky av omgivelsene.
Denne utformingen kan få svært nøyaktig miljøinformasjon under ideelle forhold, men den vil bli sterkt påvirket dersom den møter gjenstander som regndråper, røyk, støv osv. Disse hindringene vil påvirke laserstrålen, og dermed påvirke kvaliteten på det returnerte signalet.
Hvordan forstyrrer støv lasersignaler?
Når mennesker kjører bil, hvis det er støv i miljøet, har det faktisk liten innvirkning. Men for lidar er støv faktisk en veldig plagsom kilde til interferens.
Når laserstrålen møter støvpartikler i luften, oppstår spredning, og lyset som opprinnelig skulle bevege seg i en rett linje avledes av støvpartiklene. Slik spredning vil gjøre retursignalet svakere og mer uskarpt, og noe lys vil kanskje ikke en gang gå tilbake til mottakerenden. Jo mer støv det er, jo mer alvorlig vil spredningen av lysflekkene være, og jo svakere vil det detekterte effektive signalet være. Dette vil til slutt manifestere seg som en økning i støy i punktskydata, uklare objektkonturer, og til og med en feilvurdering av systemet om at det ikke er noen hindring.
I tillegg til å avlede lys, fører støv også til at strålen mister energi under forplantningen, noe som fører til at signalstyrken mottatt av radarmottakeren reduseres. Når signalstyrken faller til rundt sensorens støynivå, blir det vanskelig å nøyaktig skille mellom reelle refleksjoner og bakgrunnsstøy, noe som direkte påvirker avstandsnøyaktigheten og evnen til å identifisere fjerne objekter.
Støv kan også forårsake forurensning av LiDAR-vinduer. LiDAR sende- og mottaksstråler må passere gjennom et gjennomsiktig beskyttelsesglass eller vindu. Hvis det er støv festet til overflaten av dette vinduet, og det gradvis akkumuleres og blir tykkere over tid, vil laseren produsere diffus refleksjon og absorpsjon når den passerer gjennom dette forurensningslaget, og signalet til strålen som går ut og kommer tilbake vil bli svekket eller til og med endre retning. Denne typen fysisk okklusjon har stor innvirkning på den generelle kvaliteten til punktskyen. Ikke bare vil avstandsmålingen være unøyaktig, men det kan også få systemet til å feilaktig tro at det er en hindring foran eller ikke se det virkelige objektet i det hele tatt.
Hvordan redusere virkningen av støv på lidar
Faktisk har mange mottiltak blitt foreslått og brukt på støvinterferens.
En idé er å redusere vedheftingen av støv til vinduet fra maskinvaren. I utformingen av radarens skallmateriale og belegg kan materialer med høy lystransmittans og sterk anti-begroingsevne brukes for å redusere opphopning av støv på beskyttelsesdekselet, og dermed sikre at laseren blokkeres så lite som mulig. For eksempel, i noen bruksscenarier, brukes beskyttelsesdeksler med nano-bunnstoffbelegg på overflaten for å forhindre at støv fester seg og forlenge rengjøringssyklusen til utstyret.
På programvarenivå har industrien også utviklet målrettede filtrerings- og gjenkjenningsalgoritmer. Disse algoritmene vil kombinere intensiteten og avstanden til laserekkoet og fordelingen av punkter rundt punktskyen for å bestemme hvilke punkter som er mer sannsynlig å være støy forårsaket av støvspredning, og deretter fjerne dem fra punktskydataene. En slik "støvfjerningsalgoritme" kan gjenopprette punktskyinformasjonen til det virkelige miljøet til en viss grad og redusere virkningen av falske hindringer.
En annen metode er sensorfusjon, som er å kombinere lidar med andre typer sensorer. Kameraer kan for eksempel gi bildeinformasjon for å hjelpe med å skille støv fra virkelige mål. Millimeter-bølgeradar har bedre penetreringsevne for regn, tåke og støv. Å kombinere dem kan danne et mer robust persepsjonssystem, som er mye mer pålitelig enn en enkelt lidar i komplekse miljøer.
I noen spesielle ekstreme scenarier vil aktive rengjøringstiltak bli lagt til, som å installere luftblåseanordninger, børster eller andre mekaniske rengjøringsmoduler på utsiden av lidaren for regelmessig å rense bort støv på overflaten av vinduet. Imidlertid har denne typen løsninger høyere kostnads- og vedlikeholdskrav og brukes hovedsakelig i industrielle eller spesielle robotmiljøer.
Avslutningsvis,
støv påvirker LiDAR på mange måter. Det forstyrrer ikke bare laserutbredelsesbanen, men reduserer også signalstyrken, forurenser sensorvinduet og fører til slutt til økt støy i punktskydata, redusert gjenkjenningsnøyaktighet, forkortet deteksjonsrekkevidde og til og med feilvurdering av hindringer. For sikkerhetskritiske-applikasjoner som autonom kjøring, kan disse konsekvensene ikke ignoreres.
